2. Координатно-временное обеспечение ГНСС, страница 3

Затемс помощью лазеров определяют квантовое состояние атомов, прошедших черезопросный резонатор, и определяется частота квантового перехода, после чегоцикл, напоминающий работу пульсирующего фонтана, повторяется.Рис.2.6. МЦР “Фонтан”. Схематическое устройствоРис. 2.7 Конструкция «оптической трясины»Неисключеннаясистематическаяотносительнаяпогрешностьвоспроизведения частоты для МЦР “Фонтан” на конец 2012 года составила5х10-16.2) Квантовые стандарты активного типа (генераторы)Среди квантовых стандартов активного типа наиболее важным являетсяводородный квантовый генератор, устройство которого схематично изображенона (рис. 2.8).Рис.

2.8 Схема водородного квантового генератораВ водородном генераторе пучок атомов водорода выходит из источника 1,в котором при низком давлении под влиянием электрического разряда молекулыводорода расщепляются на атомы. Размеры каналов, через которые атомывылетают из источника 1 в вакуумную камеру, меньше, чем средняя длинапролета атомов между их столкновениями, поэтому атомы водорода вылетаютиз источника в виде почти нерасходящегося пучка. Далее пучок проходит междуполюсными наконечниками многополюсного магнита 2., поле которогофокусирует вблизи оси пучка атомы, находящиеся в возбужденном состоянии, иразбрасывает в стороны атомы, находящиеся в основном (невозбуждённом)состоянии.Возбуждённые атомы пролетают через небольшое отверстие в кварцевуюколбу 4, расположенную внутри объёмного резонатора 3, настроенного начастоту, соответствующую переходу атомов водорода из возбужденногосостояния в основное.

Под действием электромагнитного поля атомы водорода,переходя в основное состояние, излучают фотоны, которые в течениесравнительно большого времени, определяемого добротностью резонатора,остаются внутри него, вызывая вынужденное излучение таких же фотоноватомами водорода, влетающими позже. Иными словами, в резонаторе возникаетположительная обратная связь, необходимая для возникновения незатухающихколебаний. Однако для возникновения таких колебаний необходимо, чтобысреднее время пребывания атома в резонаторе составляло порядка 1с.Для этого в резонатор помещают кварцевую колбу 4, стенки которойпокрыты изнутри тонким слоем фторопласта. Возбужденные атомы водородамогут удариться о пленку фторопласта более десяти тысяч раз, не потеряв приэтом свою избыточную энергию.

В результате в колбе скапливаетсязначительное число возбужденных атомов водорода, достаточное для того,чтобы условия самовозбуждения были выполнены и водородный генератор сталисточником электромагнитных колебаний с чрезвычайно стабильной частотой иузким спектром.Следует отметить, что ширина спектра генерируемых колебанийсущественно зависит от размера кварцевой колбы. Действительно, хаотичноедвижение атомов водорода внутри колбы должно было бы привести красширению спектральной линии вследствие эффекта Доплера. Избежатьрасширения спектра удается при условии, что длина пробега атомов меньшедлины волны   0.21 м, поэтому размер кварцевой колбы должен быть меньшеэтого значения. В этом случае спектр генерируемого сигнала приобретает видузкого пика, возвышающегося над широким низким пьедесталом; в частности, вводородном генераторе, генерирующем излучение с частотой порядка 1,42 ГГц,ширина спектральной линии составляет всего 1 Гц.

Точное значение этойчастоты, измеренное при помощи цезиевого эталона, равно (1 420 405 751,7860± 0,0046) Гц. Мощность электромагнитных колебаний на выходе водородногогенератора имеет порядок 10–12 Вт, поэтому аппаратура водородного стандартачастоты включает в себя высокочувствительный приемник.Российский Государственный первичный эталон единиц времени, частотыи национальной шкалы времени ГЭТ 1-98 обеспечивает хранение ивоспроизведение секунды и герца с погрешностью, близкой к 1·10-14. Эталон(рис. 2.6),включающий в себя цезиевый репер и водородный генератор,находится во Всероссийском Научно-исследовательском институте физикотехнических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ, г. Зеленоград) ивходит в число наиболее точных национальных эталонов, на базе которыхформируется общемировая шкала времени.Рис.2.6 Государственный первичный эталон единиц времени, частоты и национальной шкалывремени ГЭТ 1-98.