Квантовые стандарты частоты - устройства для получения эл--магн. колебаний со стабильной во времени частотой.
Среднеквадратичное относит. отклонение частоты (относит. нестабильность)
и относит. погрешность воспроизведения действительного значения частоты
(воспроизводимость) К. с. ч. достигает 10-14. К.
с. ч.- основа эталонов времени и длины, широко применяются в измерит.
технике, навигации и метрологич. службе.
В К. с. ч. используются наиб. стабильные квантовые переходы между
энергетич. уровнями атомов или молекул, частоты к-рых расположены в
дециметровом или более коротковолновых диапазонах длин волн l. Однако
для большинства применений требуются высокостабильные колебания
в радиодиапазоне, а для эталонов времени необходимы колебания с
частотой 1 Гц, т. е. с периодом 1 с. Поэтому К. с. ч. содержат помимо
устройства для наблюдения спектральной линии (квантового репера частоты)
электронную схему преобразования частоты репера в др. частотные
диапазоны.
Типы К. с. ч. По способу наблюдения спектральной линии в
квантовом репере К. с. ч. подразделяются на активные и пассивные.
Активный репер является квантовым генератором. Применяют активные К. с.
ч. на водородном генераторе и рубидиевом генераторе с оптич. накачкой (рис. 1).
Рис. 1. Блок-схема активного квантового стандарта частоты.
В пассивном репере спектральная линия атомов используется для
автоподстройки по ней частоты вспомогат. генератора. В этом случае
квантовый репер работает как дискриминатор, определяющий величину и знак
отклонения частоты вспомогат. генератора от её номинального значения и
устраняющий это отклонение. В применяемых пассивных К. с. ч. реперные
спектральные линии лежат в сантиметровом диапазоне l. При этом
вспомогат. генератором служит кварцевый генератор
,а электронная схема обеспечивает необходимое преобразование его
частоты, наблюдение спектральной линии и автоподстройку по ней
кварцевого генератора (рис. 2). Основой пассивных К. с. ч. является
входящая в состав репера поглощающая ячейка, в к-рой атомы, максимально
изолированные
от внеш. воздействий, избирательно поглощают эл--магн. излучение с частотой f, формируемой синтезатором частот из частоты кварцевого генератора. Схема сравнения определяет величину и знак разности Df между частотой f и частотой спектральной линии fс
Рис. 2. Блок-схема пассивного стандарта частот.
и вырабатывает управляющий сигнал k Df, смещающий частоту кварцевого генератора fк к её номинальному значению fн, при к-ром Df=f-fс=0.
При этом весь набор частот, вырабатываемый синтезатором частот,
максимально приближается к их номинальным значениям. К пассивным
относятся К. с. ч. на пучке атомов Cs и Rb (см. Цезиевая атомно-лучевая трубка) и К. с. ч. на атомах Rb с оптич. накачкой и индикацией (см. Рубидиевый стандарт частоты).
Если спектральная линия находится в ИК- или оптич. диапазоне, то вспомогат. генератором служит лазер.
Рис. 3. Блок-схема оптического стандарта частоты: a - с внешним репером; б - с внутренним. Автоподстройка резонатора необходима для уменьшения эффекта затягивания частоты.
Поглощающая ячейка содержит разреженный газ, частота спектральных линий к-рого совпадает с частотой лазера (см. Оптические стандарты частоты). Стабильность частоты определяется в основном характеристиками спектральной линии в поглощающей ячейке: её относит. шириной Dfс/fс и интенсивностью (пропорц. произведению квадрата матричного элемента перехода на разность населённостей его уровней), а также зависимостью её частоты от внеш. воздействий (магн. и электрич. полей, изменения температуры, давления и т. п.). Относит. ширина линии Dfс/fс и её интенсивность определяют гл. обр. стабильность К. с. ч. за короткие времена наблюдения, а степень зависимости частоты от внеш. воздействий обусловливает долговрем. стабильность и воспроизводимость частоты. Кратковрем. относит. нестабильность частоты обратно пропорц. в случае пассивной системы произведению добротности спектральной линии fс/Dfс на отношение сигнал/шум при её индикации, а в случае активной системы - произведению fс/Dfс на мощность квантового генератора. Т. к. мощность квантовых генераторов и отношение сигнал/шум пассивных реперов невелики, то для получения кратковрем. относит. нестабильности частоты ~10-12 -10-14 при времени усреднения t~1 с необходимо fc/Dfc/108-1010. Именно это обстоятельство ограничивает снизу диапазон частот для спектральной линии репера, т. к. линии с такой добротностью из-за уширения не обнаруживаются вплоть до частот ~1000 МГц (см. Ширина спектральных линий). Отношение сигнал/шум и мощность генерации линейно зависят от интенсивности линии. Поэтому для получения требуемого отношения сигнал/шум или мощности генерации необходимо иметь макс. разность населённостей уровней. Для этого используются: сортировка пучка атомов или молекул по энергиям с помощью неоднородного постоянного магн. или электрич. полей (водородный генератор, цезиевая трубка); оптич. накачка, приводящая к нарушению больцмановского распределения атомов по энергиям (рубидиевый генератор, рубидиевый К. с. ч. с оптич. накачкой и индикацией). Высокие требования к долговрем. стабильности и воспроизводимости могут быть выполнены, если относит. нестабильность частоты спектральной линии репера [10-11-10-14 за обусловленное время. Такое значение можно получить только для переходов, слабо зависящих от электрич. и магн. полей в условиях ослабления др. внеш. воздействий. Выполнение этих же условий необходимо и для реализации высокой добротности спектральной линии, однако они, как правило, несовместимы с получением большой интенсивности линии. Наиб. перспективен способ наблюдений спектральной линии в атомном (или молекулярном) пучке. Требованиям, предъявляемым к свойствам квантового перехода, для К. с. ч. в дециметровом и сантиметровом диапазонах l наиб. полно удовлетворяют переходы F1=F, mF=0DF2=F+1, mF=0 между подуровнями магн. сверхтонкой структуры осн. состояния атомов Н, Та (F=0)и щелочных металлов (F=1 для 87Rb, 23Na и F=2 для l33Cs) (см. Атомные спектры, Зеемана эффект). Наибольшего совершенства достигли активный К. с. ч. на водородном генераторе и пассивные на цезиевой трубке и атомах Rb с оптич. накачкой и индикацией (табл.).
Атомное время. Для К. с. ч., используемых в службе времени, важнейшими характеристиками являются точность частоты (нескомпенсированная систематич. относит. погрешность воспроизведения частоты невозмущённого перехода) и относит. погрешность воспроизводимости. Эти характеристики наилучшие у К. с. ч. на цезиевой атомно-лучевой трубке. В 1964 Международный комитет по вопросам мер и весов принял в качестве эталона частоты переход F1=3, mF=0DF2=4, mF=0 между подуровнями сверхтонкой магн. структуры осн. состояния атомов 133Cs, не возмущённого внеш. полями, приписав его частоте значение 9192631770 Гц. Соответствующая шкала времени наз. атомной, а единица времени в ней - атомная секунда - определена как 9192631770 периодов резонансного колебания 137Cs. Т. о., К. с. ч. на цезиевой атомно-лучевой трубке признан первичным стандартом (эталоном), по отношению к к-рому стандарты др. типов являются вторичными.
В. Я. Базаров
Дело в том, что в его постановке и выводах произведена подмена, аналогичная подмене в школьной шуточной задачке на сообразительность, в которой спрашивается:
- Cколько яблок на березе, если на одной ветке их 5, на другой ветке - 10 и так далее
При этом внимание учеников намеренно отвлекается от того основополагающего факта, что на березе яблоки не растут, в принципе.
В эксперименте Майкельсона ставится вопрос о движении эфира относительно покоящегося в лабораторной системе интерферометра. Однако, если мы ищем эфир, как базовую материю, из которой состоит всё вещество интерферометра, лаборатории, да и Земли в целом, то, естественно, эфир тоже будет неподвижен, так как земное вещество есть всего навсего определенным образом структурированный эфир, и никак не может двигаться относительно самого себя.
Удивительно, что этот цирковой трюк овладел на 120 лет умами физиков на полном серьезе, хотя его прототипы есть в сказках-небылицах всех народов всех времен, включая барона Мюнхаузена, вытащившего себя за волосы из болота, и призванных показать детям возможные жульничества и тем защитить их во взрослой жизни. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.
|
![]() |