к библиотеке   к оглавлению   FAQ по эфирной физике   ТОЭЭ   ТЭЦ   ТПОИ   ТИ  

РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА

Глоссарий по физике

А   Б   В   Г   Д   Е   Ж   З   И   К   Л   М   Н   О   П   Р   С   Т   У   Ф   Х   Ц   Ч   Ш   Э   Ю   Я  

Квантовые стандарты частоты

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).
325_340-9.jpg
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
325_340-10.jpg
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.
325_340-11.jpg
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.).

325_340-12.jpg

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.

Литература по квантовым стандартам частот

  1. Григорьянц В. В., Жаботинский М. Б., Золин В.Ф., Квантовые стандарты частоты, М., 1968;
  2. Летохов B.C., Чеботаев В. П., Принципы нелинейной лазерной спектроскопии, М., 1975.

В. Я. Базаров

к библиотеке   к оглавлению   FAQ по эфирной физике   ТОЭЭ   ТЭЦ   ТПОИ   ТИ  

Знаете ли Вы, почему "черные дыры" - фикция?
Согласно релятивистской мифологии, "чёрная дыра - это область в пространстве-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть её не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света (в том числе и кванты самого света). Граница этой области называется горизонтом событий, а её характерный размер - гравитационным радиусом. В простейшем случае сферически симметричной чёрной дыры он равен радиусу Шварцшильда".
На самом деле миф о черных дырах есть порождение мифа о фотоне - пушечном ядре. Этот миф родился еще в античные времена. Математическое развитие он получил в трудах Исаака Ньютона в виде корпускулярной теории света. Корпускуле света приписывалась масса. Из этого следовало, что при высоких ускорениях свободного падения возможен поворот траектории луча света вспять, по параболе, как это происходит с пушечным ядром в гравитационном поле Земли.
Отсюда родились сказки о "радиусе Шварцшильда", "черных дырах Хокинга" и прочих безудержных фантазиях пропагандистов релятивизма.
Впрочем, эти сказки несколько древнее. В 1795 году математик Пьер Симон Лаплас писал:
"Если бы диаметр светящейся звезды с той же плотностью, что и Земля, в 250 раз превосходил бы диаметр Солнца, то вследствие притяжения звезды ни один из испущенных ею лучей не смог бы дойти до нас; следовательно, не исключено, что самые большие из светящихся тел по этой причине являются невидимыми." [цитата по Брагинский В.Б., Полнарёв А. Г. Удивительная гравитация. - М., Наука, 1985]
Однако, как выяснилось в 20-м веке, фотон не обладает массой и не может взаимодействовать с гравитационным полем как весомое вещество. Фотон - это квантованная электромагнитная волна, то есть даже не объект, а процесс. А процессы не могут иметь веса, так как они не являются вещественными объектами. Это всего-лишь движение некоторой среды. (сравните с аналогами: движение воды, движение воздуха, колебания почвы). Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

Bourabai Research Institution home page

Bourabai Research - Технологии XXI века Bourabai Research Institution