КВАНТОВЫЕ СТАНДАРТЫ ЧАСТОТЫ (Лекции Литвинова)

4

КВАНТОВЫЕ СТАНДАРТЫ ЧАСТОТЫ (КСЧ)

Требования, предъявляемые к рабочей среде КСЧ

В КСЧ используются вещества с узкими спектральными линия­ми и с очень слабой зависимостью частоты квантовых переходов от внешних воздействий.

На ширину линии влияют соударения между части­цами и частиц со стенками, электрические и магнитные поля, эф­фект Доплера. Минимальная (естественная) ширина спектральной линии обратно пропорциональна времени жизни. Для уровней сверхтонкой структуры щелочных эле­ментов 10^-13 Гц.

Чтобы ослабить влияние соударений частиц на ширину линии, понижают давление газа и используют направленные потоки ней­тральных атомов и молекул. Влияние соударения частиц со стен­ками колбы может быть ослаблено введением дополнительного газа, увеличивающего время диффузии частиц к стенкам, либо при­менением специальных покрытий на стенках.

Для КСЧ следует выбирать такие энергетические уровни веще­ства, на которые внешние электрические и магнитные поля влияют очень слабо. В некоторых КСЧ применяются магнитные экраны.

Квантовые стандарты частоты с оптической накачкой. Рабочей средой таких стан­дартов служат атомы щелочных металлов рубидия или цезия. Схе­ма пассивного стандарта частоты приведена на рисунке 1,а(вверху). В ка­честве источника света используют газосветную лампу с парами рубидия (или цезия). В объемном резонаторе находится колба с парами того же металла ( рубидия или цезия). Излучение газосветной лам­пы попадает в колбу после прохождения оптического фильтра. Ре­зонатор возбуждается от СВЧ-генератора.

Принцип работы прибора можно пояснить с помощью диаграм­мы уровней (рисунок 1(внизу)). На рисунке 1,а (внизу) показано распределение Больцмана для населенности трех уровней рабочего вещества в колбе, когда через нее не проходит свет (нет накачки), а в резонаторе отсутствует СВЧ-поле. Переход 3—2 соответствует оптическому диапазону, а 2—1—диапазону СВЧ. Те же уровни , и имеются и у вещества в источнике света, так как там находится тот же газ.

Поэтому излучение источника имеет часто­ты, соответствующие указанным уровням. С помощью оптическо­го фильтра выделяется излучение с частотой перехода 3—2.

Рисунок 1. Схе­ма пассивного стандарта частоты (вверху) и диаграммы населенностей энергетических уровней (внизу).

В результате воздействия света (накачки) с частотой на газ в колбе увеличивается населенность уровня 3 и уменьшается насе­ленность уровня 2. При достаточной интенсивности света поглоще­ние света приведет к насыщению перехода 3—2, населенности его уровней становятся равными (см. рисунок 1,б(внизу)). Газ в колбе пере­станет поглощать свет, и фотодетектор зарегистрирует максимум интенсивности.

Теперь предположим, что в резонаторе имеется СВЧ-поле с ча­стотой , равной частоте перехода 2—1. Населенность уровня 1 больше населенности уровня 2 ( ), поэтому происходит поглощение энергии СВЧ-поля, населенность уровня 1 уменьшает­ся, а уровня 2 возрастет до (см. рисунок 1,в(внизу)). Следова­тельно, равенство населенностей уровней 3 и 2 нарушится, населен­ность станет меньше , начнется поглощение света и фотодетектор зарегистрирует уменьшение интенсивности света. Зависи­мость тока фотодетектора от частоты СВЧ-генератора имеет вид, показанный на рисунке 1,6(вверху). При наблюдается наиболь­шее поглощение света.

Рассмотренную зависимость поглощения света от частоты поля в резонаторе можно использовать для автоматической подстрой­ки частоты (АПЧ) СВЧ-генератора под частоту перехода .

Таким образом, принцип работы пассивного стандарта частоты с оптической накачкой состоит в том, что, воздействуя на один энергетический переход, можно управлять поглощением излучения на частоте другого энергетического перехода.

Параметры рубидиевого стандарта частоты с оптической на­качкой приведены в таблице.

Характеристика некоторых стандартов частоты

Примеры КСЧ.

Ч1-76

Ч1-76 – стандарт частоты и времени водородный, универсальное питание. Аналог: НР 5071А.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ:

Fвых, Гц 106; 5•10⁶

Uвых, B (1±0,2) на Rн: 50 Ом

относительная погрешность воспроизведения частот <= ± 1,5•10^-12; <= ± 3•10^-13

импульсный сигнал F: 1 Гц; U: >= 2,5 В на Rн: 50 Ом; t: (10^-20) нс

нестабильность частоты вых. Сигнала 3*10^-12 за 1 секунду; 5*10^-14 час; 3*10^-14 за 1 сутки

tфр, с <= 30*10^-9

габариты, мм 280х480х555

масса, кг 55

Ч1-81

Ч1-81 – стандарт частоты рубидиевый. Ч1-81 имеет шесть модификаций: Ч1-81, Ч1-81/1, Ч1-81/2, Ч1-81/3, Ч1-81/4, Ч1-81/5. Может поставляться в виде модуля с питанием от источника постоянного тока с напряжением (27-30) В (Ч1-81, Ч1-81/1-3) или в стандартном корпусе (Ч1-81/4-5). Аналог: НР 10811D. Стандарт частоты рубидиевый Ч1-81 заменяет: СЧВ-74

Fвых, Гц 5•10⁶

Uвых, B (0,8-1,2) на Rн: 50 Ом; (0,4-1,2) на Rн: 200 Ом

относительная погрешность воспроизведения частот <= 1•10^-11

отклонение частоты от номинального значения 5 МГц при выпуске <= ±2•10^-11

cреднее относительное изменение частоты за сутки 1•10^-11 (Ч1-81, Ч1-81/2, Ч1-81/4); 3•10^-12 (Ч1-81/1, Ч1-81/3, Ч1-81/5)

габариты, мм 358х167х82; 459х188х129; 459х188х129

масса, кг 3,8; 5,7; 6,2

Ч1-82

Ч1-82 – стандарт частоты рубидиевый. Ч1-82 имеет шесть модификаций: Ч1-82, Ч1-82/1, Ч1-82/2, Ч1-82/3, Ч1-82/4, Ч1-82/5. Может поставляться в виде модуля с питанием от источника постоянного тока с напряжением (27-30) В (Ч1-82, Ч1-82/1-3) или в стандартном корпусе (Ч1-82/4-5).

Fвых, Гц 5•10⁶

Uвых, B (0,8-1,2) на Rн: 50 Ом; (0,4-1,2) на Rн: 200 Ом

относительная погрешность воспроизведения частот <= 2•10^-12

отклонение частоты от номинального значения 5 МГц при выпуске <= ±2•10^-11

cреднее относительное изменение частоты за сутки 2•10^-13 (Ч1-82, Ч1-82/2, Ч1-82/4); 4•10^-13 (Ч1-82/1, Ч1-82/3, Ч1-82/5)