Цезиевый эталон частоты. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Цезиевый эталон частоты - пассивный квантовый стандарт частоты. В 1964 Международным комитетом по вопросам мер и весов признан первичным стандартом (эталоном) частоты, по отношению к к-рому стандарты др. типов являются вторичными.

Гл. частью цезиевого эталона частоты является т. н. атомно-лучевая трубка, в одном конце к-рой расположен источник атомов (полость, наполненная Cs, рис. 1, соединённая с остальной трубкой узким каналом или системой параллельных капилляров). Жидкий Cs поддерживается при температуре ок. 100 °С, когда давление паров ещё мало и атомы, вылетая из источника, формируются в слаборасходящийся пучок (см. Молекулярные и атомные пучки). В противоположном конце трубки расположен детектор атомов Cs, состоящий из раскалённой вольфрамовой проволочки 5 и коллектора 6. Как только атом касается проволочки, он отдаёт ей электрон и в виде иона притягивается к коллектору. В цепи между коллектором и проволочкой возникает электрич. ток, пропорц. интенсивности цезиевого пучка (детектор с поверхностной ионизацией).

Рис. 1. Схема атомно-лучевой цезиевой трубки: 1- источник пучка; 2 и 4 - отклоняющие магниты; 3 - объёмный резонатор; 5 -раскалённая вольфрамовая проволочка (детектор); 6-коллектор ионов.

По пути от источника к детектору пучок атомов пересекает два постоянных неоднородных магн. поля Н₁ и Н₂. Поле H₁ (рис. 2) расщепляет пучок на 16 пучков, в к-рых летят атомы, находящиеся на разных энергетич. уровнях (осн. уровень Cs расщепляется в магн. поле на 16 магн. подуровней, см. Зеебека эффект ).Для семи из них энергия атома возрастает с увеличением поля, для других семи

Рис. 2. Пучок атомов Cs в неоднородном магнитном поле H₁: 1-сечение пучка (атомы летят в направлении, перпендикулярном плоскости рис.); 2-силовые линии поля; 3-полюсные наконечники.

убывает, а для двух почти не зависит от поля. При этом семь пучков отклоняются в сторону более сильного поля (к N), семь - в сторону уменьшения поля (к S), а два пучка с энергией

летят, почти не отклоняясь, и попадают в поле Н₂. Поле Н₂ направляет (фокусирует) на детектор только атомы с энергией, соответствующей одному из пары уровней

, отклоняя в сторону атомы с энергией, соответствующей другому уровню. В промежутке между полями H₁ и Н₂ атомы пролетают через объёмный резонатор, в к-ром возбуждаются эл--магн. колебания с частотой, отвечающей переходам

. Если под влиянием эл--магн. поля атом Cs с энергией

перейдёт в состояние

или атом с энергией

в состояние

, то поле H₂ направит их от детектора, ток детектора уменьшится на величину, пропорц. числу атомов, совершивших переход (возможна и др. настройка системы, когда резонансу соответствует максимум тока детектора). В Ц. э. ч. используются переходы атома Cs между магн. подуровнями. Переходы такого типа не могут наблюдаться вне постоянного однородного магн. поля Н, причём частота переходов зависит от напряжённости поля Н.

Число атомов, совершающих переход в единицу времени под действием поля, максимально, если частота действующего на атом эл--магн. поля точно совпадает с частотой перехода. По мере несовпадения (расстройки) этих частот число атомов, совершающих вынужденные переходы, уменьшается. Поэтому плавно меняя частоту эл--магн. поля и откладывая по горизонтали частоту w, а по вертикали изменение тока детектора I, получим контур спектральной линии, соответствующий переходам

(рис. 3, а).

Рис. 3. Форма спектральной линии: а-неискажённой; б-наблюдаемой в случае П-образного резонатора.

Частота w, соответствующая вершине спектральной линии, является опорной точкой (р е п е р о м) на шкале частот, а соответствующий ей период колебаний принят равным 1/9192631777,0 с. Точность определения w₀ порядка неск. % (в лучшем случае-доли %) от ширины линии Dw. Точность тем выше, чем уже спектральная линия. Отсюда стремление устранить или ослабить все причины, приводящие к уширению используемых спектральных линий. В Ц. э. ч. уширение линии обусловлено временем взаимодействия атомов с эл--магн. полем резонатора; чем меньше время, тем шире линия (см. Неопределённостей соотношения, Ширина спектральной линии). Время взаимодействия совпадает со временем пролёта атома через резонатор; оно пропорц. длине резонатора и обратно пропорц. скорости атомов. Уменьшать скорость атомов, понижая температуру, невозможно, т. к. при этом падает интенсивность пучка. Длина резонатора также не может быть сделана очень большой из-за рассеяния атомов и вследствие того что пучок должен находиться в однородном (по величине и направлению) поле Н, что в большом объёме затруднительно.

Преодоление этой трудности и получение узкой спектральной линии достигается применением резонатора П-образной формы (рис. 4). В этом резонаторе пучок взаимодействует с эл--магн. полем только вблизи его концов, и только в этих двух небольших областях необходима однородность и стабильность магн. поля Н. В таком резонаторе спектральная линия приобретает более сложную форму (рис. 3, б), к-рая является результатом наложения двух линий, образованных пролётом частиц через каждый из концов резонатора. Ширина каждой линии велика. Эта суммарная ширина образует "пьедестал" результирующей линии. Ширина же узкой линии (центр пика), определяющая точность измерений, зависит от полного времени пролёта через резонатор.

Рис. 4. Цезиевая трубка с П-образным резонатором ( обозначения те же, что и на рис. 1).

Ц. э. ч. обычно дополняют устройствами, вырабатывающими определ. набор частот, стабильность к-рых равна стабильности стандарта, а иногда и сигналы точного времени.

Ц. э. ч. входят в состав национальных эталонов частоты и времени и обеспечивают воспроизведение длительности секунды, а следовательно, всей системы измерения частоты и времени с относит. погрешностью, меньшей чем 10^-14. Их преимущество состоит в том, что вторичные цезиевые стандарты (серийное производство) не уступают по точности эталону. Даже малогабаритные цезиевые трубки для лаб. практики и на подвижных объектах работают с относит. погрешностью 10^-12-10^-13.

Знаете ли Вы, как разрешается парадокс Ольберса?
(Фотометрический парадокс, парадокс Ольберса - это один из парадоксов космологии, заключающийся в том, что во Вселенной, равномерно заполненной звёздами, яркость неба (в том числе ночного) должна быть примерно равна яркости солнечного диска. Это должно иметь место потому, что по любому направлению неба луч зрения рано или поздно упрется в поверхность звезды.
Иными словами парадос Ольберса заключается в том, что если Вселенная бесконечна, то черного неба мы не увидим, так как излучение дальних звезд будет суммироваться с излучением ближних, и небо должно иметь среднюю температуру фотосфер звезд. При поглощении света межзвездным веществом, оно будет разогреваться до температуры звездных фотосфер и излучать также ярко, как звезды. Однако в дело вступает явление "усталости света", открытое Эдвином Хабблом, который показал, что чем дальше от нас расположена галактика, тем больше становится красным свет ее излучения, то есть фотоны как бы "устают", отдают свою энергию межзвездной среде. На очень больших расстояниях галактики видны только в радиодиапазоне, так как их свет вовсе потерял энергию идя через бескрайние просторы Вселенной. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.