Файл: Страховский Г.М. Основы квантовой электроники учеб. пособие.pdf

ляются уравнениями (6.67) и (6.72) соответственно. Мы воспользуем­ ся уравнением (6.72). С учетом равенств (6.81) и (6.84) получаем:

Таким образом, разность между частотой генерации и частотой ли­ нии перехода определяется выражением (6.85), а сама частота генера­ ции равна

*|> сор — м л

Для молекулярного генератора J f p > 1, поэтому единицей

Afp т п

в знаменателе второго члена в правой части равенства можно прене­

что частота генерации молекулярного генератора близка к частоте линии перехода, причем она тем ближе, чем точнее удается настроить

ности совпадала бы с частотой линии. Однако в реальных установках нельзя точно настроить резонатор на частоту линии. Оценим, какова

и частотой резонатора в 3 кгц отличие между частотой генерации и ча­ стотой линии перехода лежит в десятом знаке; при этом сколько бы ни работал генератор, пока частота линии расстроена относительно частоты резонатора не больше чем на 3 кгц, частота генерации будет отличаться от частоты линии не больше чем в десятом знаке. Это

183

и обусловило использование молякулярного генератора как высоко­ точного стандарта частоты. До появления его не было установки, в ко­ торой была бы осуществлена привязка к определенной частоте так точно и в течение сколь угодно большого времени.

тщательный учет различных эффектов показывает, что, кроме частоты резонатора, на частоту генерации молекулярного генератора на пучке молекул аммиака влияют: 1) сдвиг вершины спектральной линии вследствие наличия неразрешенных компонент сверхтонкой структуры в спектре молекулы N 1 4 H 3 (см. §2.5); 2) эффективная ширина спек­ тральной линии, изменяющаяся с изменением интенсивности молеку­ лярного пучка и напряжения на сортирующей системе; 3) неравномер­ ность излучения молекул вдоль резонатора, приводящая к допплеровскому сдвигу частоты колебаний молекулярного генератора. Эти при­ чины приводят к тому, что настройку частоты генерации молекуляр­ ного генератора на частоту линии молекулярного перехода удается осуществить с точностью не выше 10~10 ч- Ю - 1 1 от частоты линии перехода.

§ 6. 6. Квантовый генератор на пучке атомов водорода

Квантовый генератор на пучке молекул аммиака N 1 4 H 3 (молеку­ лярный генератор) был первым квантовым генератором и первым ис­ пользовался как стандарт частоты. В настоящее время его роль как стандарта частоты упала в связи с разработкой квантового генера­ тора на пучке атомов водорода.

В этом генераторе используется магнитный дипольный переход

у него такие же, как и у молекулярного генератора: источник пучка, сортирующая система, резонатор (о сортировке пучка атомов водорода см. в § 2.9). Теория генератора на пучке атомов водорода строится аналогично теории молекулярного генератора, и все формулы преды­ дущего параграфа справедливы для него, только всюду в них необхо­ димо заменить квадрат модуля матричного элемента электрического

Однако квантовый генератор на пучке атомов водорода обладает рядом особенностей.

184

Прежде всего в квантовом генераторе на пучке атомов водорода используется, как уже говорилось, магнитный, а не электрический дипольный переход. Но квадрат модуля матричного элемента магнит­

для возбуждения генератора, работающего на магнитном дипольном переходе, необходимо увеличить число активных частиц в резонаторе примерно в 104 раз, т. е. увеличить во столько же раз поток влетаю­ щих в резонатор активных частиц. Столь интенсивные потоки частиц получить не удается.

Однако [см. условие (6.94)] есть другой выход: не меняя поток активных частиц, увеличить среднее время т п пребывания активной

Норман Рамси, предложив поместить в резонатор сферическую колбу с отверстием для влета пучка активных частиц. На внутреннюю по­ верхность стенок колбы наносилось специальное тефлоновое покрытие. Применение колбы явилось решающим моментом для всего проекта и дало возможность Рамси запустить квантовый генератор на пучке атомов водорода.

Прежде чем выяснить роль колбы с покрытием, рассмотрим прин­ ципиальную схему конструкции квантового генератора на пучке ато­ мов водорода (рис. 6.4).

Пучок атомов водорода, вылетающий из источника /, сортируется в неоднородном магнитном поле 2 и попадает в отверстие накопитель­ ной колбы 4 из кварца, расположенной в резонаторе 3. Колба позво­ ляет заметно увеличить время взаимодействия частиц пучка с электро­ магнитным полем резонатора. Атомы пучка испытывают многократные соударения со стенками колбы, прежде чем покинуть ее (вероятность вылета атома из колбы после одного соударения, грубо говоря, равна отношению площади отверстия колбы к величине ее внутренней по­ верхности). Отверстие достаточно мало, и атом в среднем испытывает

185

ной особенностью покрытия колбы является то, что при соударениях с ним состояние атома водорода не меняется, т. е. эти соударения происходят для него «безболезненно» и лишь увеличивают время пре­ бывания атома в резонаторе.

Большое время пребывания атома в резонаторе не только позво­ ляет выполнить условие самовозбуждения генератора при достижи­ мых в настоящее время потоках активных частиц, но приводит также

можно сказать, что у квантового генератора на пучке атомов водорода добротность линии значительно выше добротности линии молекуляр­

вэтом играют и еще два обстоятельства:

1)линия рабочего перехода в квантовом генераторе на пучке атомов водорода «чистая», т. е. не имеет структуры, в то время как

вершины спектральной линии и ограничивающую возможности моле­ кулярного генератора как стандарта частоты;

2) известно, что если излучатель (в данном случае атом водорода) движется в области с линейными размерами меньше длины волны излу­ чения, то движение излучателя не влияет на частоту излучения. В кван­ товом генераторе на пучке атома водорода диаметр накопительной колбы меньше длины волны излучения, и в результате не возникает сдвигов частоты или уширения линии из-за эффекта Допплера перво­ го порядка.

§ 6.7. Квантовые стандарты частоты

При разборе молекулярного генератора и квантового генератора на пучке атомов водорода мы упоминали, что эти установки исполь­ зуются в качестве стандартов частоты и времени. Чтобы лучше понять роль этих установок, полезно рассмотреть проблему измерения вре­ мени в целом.

Под «измерением времени» подразумевают необходимость решить следующие три задачи: 1) установить единицы меры и системы счета времени; 2) разработать счетчики единиц времени; 3) периодически или непрерывно контролировать работу этих счетчиков.

Для установления единицы меры времени необходимо иметь какойлибо (лучше всего периодический) процесс; тогда продолжительность

186

одного или нескольких периодов этого процесса может быть принята за эталонную единицу для измерения времени.

До середины нашего века измерение времени теснейшим образом было связано с суточным вращением Земли (смена дня и ночи). Имен­ но поэтому наблюдения за суточным вращением Земли использовались для получения основной эталонной единицы времени — суток.

Промежуток времени, в течение которого Земля делает один оборот вокруг своей оси относительно какой-либо точки на небе, называется сутками. Так как вращение Земли вокруг оси проявляется в видимом суточном движении небесного свода, то с у т к и можно определить так же, как промежуток между двумя последовательными одноименны­ ми кульминациями соответствующей точки на небе, отсчитанной на одном и том же географическом меридиане. Сутки являются слиш­ ком большим интервалом времени, а на практике нужны гораздо бо­ лее короткие интервалы времени: часы, минуты, секунды. Они из­ меряются при помощи часов. Ход же часов контролировался раньше при помощи астрономических наблюдений.

у Однако к середине нашего века выяснилось, что точность измере­ ния времени, необходимая науке и технике, не может быть обеспечена на основе астрономических измерений. Дело в том, что угловая ско­ рость вращения Земли непостоянна и длительность земных суток яв­ ляется переменной величиной. Сейчас известны три типа изменений угловой скорости вращения Земли: 1) вековые, 2) периодические,

3)нерегулярные.

1)В е к о в ы е изменения угловой скорости вращения Земли со­ стоят в медленном уменьшении скорости вращения Земли. За послед­ ние две тысячи лет продолжительность суток увеличивалась в среднем на 0,0023 сек в столетие. Такое уменьшение угловой скорости вращения Земли определяется двумя факторами. С одной стороны, скорость

вращения Земли уменьшается из-за тормозящего действия лунных и солнечных приливов, с другой стороны, имеется собственное ускоре­ ние вращения Земли, связанное, возможно, с медленными перемещения­ ми больших масс материи внутри Земли и на ее поверхности.

2) П е р и о д и ч е с к и е изменения угловой скорости вращения Земли приводят к тому, что продолжительность суток в течение года может отличаться от их средней продолжительности за год на величи­ ну ± 0,001 сек. Одна из наиболее вероятных гипотез, объясняющая такие периодические изменения скорости вращения Земли, связывает их с сезонными изменениями момента количества движения атмосферы.

3) Наконец, н е р е г у л я р н ы е изменения угловой скорости вращения Земли могут приводить к увеличению или уменьшению про­ должительности суток на несколько тысячных долей секунды. Изме­ нение такого типа происходили в 1667, 1758, 1784, 1864, 1876 гг., а особенно заметные изменения угловой скорости вращения Земли были отмечены в 1897 и 1920 гг. Согласно существующим гипотезам нерегулярные изменения скорости вращения Земли связаны с пере­ кристаллизацией некоторых пород внутри Земли.

187