Файл: Слабкий Л.И. Методы и приборы предельных измерений в экспериментальной физике.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 11.04.2024
Просмотров: 119
Скачиваний: 0
доведена до —1-10—10 (за месяц), что определяется, главным об разом, влиянием буферного газа при столкновениях с атомами цезия на частоту и фазу их колебаний.
§ 1. Квантовый генератор эталонной частоты на атомарном водороде
В последнее время появились другие типы эталонов— так на зываемые водородные эталоны — квантовые генераторы на атомар ном водороде. Эти генераторы имеют ряд преимуществ перед дру гими эталонами частоты, поскольку в них имеются все те поло жительные качества, которыми обладают все перечисленные выше типы генераторов, причем такой важный параметр, как характе ристика рабочей спектральной линии, от которой зависит стабиль ность частоты, у водородного генератора является очень простой по структуре и имеет добротность, значительно большую, чем добротность линий для систем с оптической накачкой.
В этом параграфе мы подробно рассмотрим принцип действия и схему такого генератора, его конструктивные особенности, а также приведем формулы, позволяющие провести оценку его основного параметра — стабильности.
Схема генератора приведена на рис. 70 [17]. Пучок атомов водорода из источника, проходя в поле магнитной системы, сор тируется таким образом, что в кварцевую колбу попадают только
те из них, |
которые находятся в |
возбужденном состоянии F = |
1, |
|
т — 0, |
± 1 . |
Колба находится внутри объемного резонатора, |
ко |
|
торый |
настроен на частоту около |
1420,406 Мгц, что соответствует |
Рис. 70. Принципиальная схема квантового генератора высокостабильной ча стоты на пучке атомов водорода
1 — источник атомов водорода; |
2 — сортирующая |
магнитная система; 3 — объемный |
резонатор; 4 — кварцевая колба; 5 — магнитные экраны |
||
сверхтонкому переходу |
К = 1, т — 0 |
F — 0, т — 0 для ато |
мов водорода. Этот переход использован потому, что разность энер гий АЕ для этих уровней (а следовательно, и генерируемая часто та /) практически очень слабо зависит от величины внешнего маг нитного поля.
Благодаря относительно большому времени нахождения воз бужденных атомов водорода внутри колбы (порядка нескольких
175
секунд) возбуждение (генерация) колебаний в объемном резонато ре имеет место при не очень большой интенсивности пучка атомар ного водорода, влетающего в колбу, что способствует более про стой реализации такого устройства. Кроме того, принятие специаль ных мер (покрытие внутренних стенок колбы слоем парафина или тефлона) обеспечивает упругий удар атомов о стенки колбы, что практически исключает эффекты уширения спектральной линии высвечивания атомов, взаимодействующих с высокочастотным по лемрезонатора с сохранением когерентности. Ширина спектраль ной-линии, определяющей добротность системы, близка к естествен ной, поскольку основное время высвечивающиеся атомы нахо дятся в свободном пространстве колбы (влияние соударений со стенками мало вследствие слабой поляризуемости покрытия и са мих атомов водорода). Что касается Допплер-эффекта, то основную роль может играть лишь эффект второго порядка (который мал), поскольку эффект первого порядка усредняется до ничтожно ма лых значений благодаря большому количеству столкновений ато мов со стенками, в результате которых средняя скорость атомов в колбе очень мала.
Минимальная интенсивность пучка атомов водорода, при кото рой начнется самовозбуждение генератора, определяется форму
лой |
[17] |
|
|
|
|
|
/іу-У рез |
(4.28) |
|
|
|
■^mi а |
||
где |
h — постоянная |
Планка; у — постоянная |
релаксации, |
с-1; |
УРе3, Фрез— объем и добротность резонатора; j.i0 — магнетон |
Бо |
|||
ра; |
11 — коэффициент, |
учитывающий неоднородность поля |
резо |
|
натора внутри колбы. |
|
|
|
|
Величина мощности, которую пучок атомов передает резона |
||||
тору, равна |
|
|
|
|
|
' |
W = 0 ,5 h f( N - N mln), |
(4.29) |
где / — частота генерации, определяемая следующей формулой (для
перехода F = 1, т — 0 ->■ F = 0, |
т — 0): |
|
/ = /о + |
0,435 Я. |
(4.30) |
Нетрудно видеть, что нестабильность частоты / за счет нестабильно сти-величины напряженности магнитного поля Я невелика. Так,
для |
Я = 8-10_а АІм и ДЯ = 10-2 Я = 8 -ІО-4 АІм величина |
А/ ~ |
5,6 • 10~6 гц. |
^Результирующая нестабильность ДД, обусловленная такими фак торами-, как затягивание резонатора (Д /Рез), влияние столкнове
ний со стенками колбы (Д/колб). поперечный |
Допплер-эффект |
|
(Д/д) |
и тепловые флуктуации (шумы) резонатора |
(Д/теПл). может |
быть |
записана в виде |
|
|
Д / г = (д /р е з + Д /колб + А/д + Д /тепл) |
(4 -3 1 ) |
176
где каждая из этих величин определяется следующими формулами:
|
|
А/роэ = А / о ^ ^ - |
|
|
(4.32) |
|
|
|
|
Vлинии |
|
|
|
(А/0 — расстройка |
резонатора |
относительно |
частоты |
линии, |
QPe3 |
|
и влитіи —■добротность резонатора и спектрального |
уровня |
(ли |
||||
нии); |
|
|
|
|
|
|
|
|
А/колб = фо |
|
(4.33) |
||
(ер о — фазовый сдвиг при каждом единичном столкновении |
атома |
|||||
с колбой, |
а — площадь поверхности колбы, |
ѵ — средняя скорость |
||||
атома в |
колбе, |
Ук — объем |
колбы); |
|
|
|
|
Д/д = / о - ^ = 1 , 4 - Ю - 13/оТ |
(4.34) |
||||
|
|
2т0е-0 |
|
|
|
|
(т 0 — масса атома |
водорода; Т — температура газа |
в колбе); |
|
|
/о |
kT \7: |
|
А/тепл — 2Л. Ѵ2-Q, |
«V |
|
(Т — температура резонатора, |
W 0 — мощность, |
||
ком резонатору, t — время измерения). |
равен |
||
Порядок |
величин А/КоЛб |
и AfTenJI |
(4.35)
отдаваемая пуч
соответственно
~ 1 0 -11 / 0 и ~10~16 / 0. Величина у, входящая в (4.28), зависит от различных факторов и определяется выражением
(4-36)
(О Рассмотрим основные процессы, ответственные за релаксацию.
Атомы водорода, после большого числа столкновений со стен ками колбы, покидают ее через входное отверстие площадью авх, что приводит к изменению мгновенного баланса числа атомов в кол
бе. Коэффициент уо. соответствующий этому процессу, равен
|
|
Уо = V |
&ПХ |
|
(4.37) |
|
|
|
41Vк ’ |
||||
где |
I = 1 + |
3/ 4 (lid) — коэффициент, |
учитывающий степень |
на |
||
правленности |
атомов, вылетающих из |
канала |
диаметром d |
и |
||
длиной I. |
|
|
|
|
|
|
|
Влияние релаксационных процессов вследствие столкновения |
|||||
со |
стенками |
учитывается коэффициентом |
|
|
||
|
|
Фо |
аѵ |
|
(4.38) |
|
|
|
2 |
4 iv |
|
||
|
|
|
|
|
а неоднородность магнитного поля, обусловливающая некоторую потерю когерентности взаимодействия атомов с полем резонатора, определяет величину у'н, равную
у„ = 16сЛ0Я о £ Я 2, |
(4.39) |
177
где а — коэффициент связи между / 0 и Н2, равный 0,435 гц-м2ІА2, 10 — интервал времени между двумя последовательными стол кновениями.
Наличие неоднородности магнитного поля приводит еще и к тому, что возникают индуцированные переходы между соседними
уровнями сверхтонкой |
структуры, определяющие |
величину у,*, |
равную |
|
|
Ун = |
0,5ГН1 |
(4.40) |
|
(уҢр |
|
|
\ 2 |
|
305
\-Ж елт
Здесь у = 1,76-ІО1 гц мІА\ Н± — неод нородность (поперечная составляющая) поля в колбе.
Наконец, учет взаимных столкнове ний атомов и обусловленный этим про цесс спин-орбиталы-юй релаксации дает
|
Усп-орб |
^ |
5- Ю -10л0. |
(4-41) |
|
где |
я 0 — число |
атомов |
водорода в |
||
см3 |
объема |
резонатора. |
|
||
Общий |
вид |
компоновки водородного |
|||
квантового |
генератора и источника пуч |
||||
ка дан на |
рис. 71 [16]. |
|
|||
Диссоциация |
молекул Н 2 осуществ |
ляется здесь в поле высокочастотного
разряда |
в сферической камере |
из |
|||
стекла |
пирекс |
( 0 |
25 мм), |
имеющей |
|
отверстие диаметром |
0,1—0,5 мм |
для |
|||
выхода пучка. |
При давлении |
в разряд |
ной камере порядка 0,3 -10—3 Н/м2 мощ ность высокочастотного разряда состав ляет около 10 Вт на частоте /=200 Мгц. Введение водорода в разрядную камеру осуществляется при помощи палладие вого натекателя, что позволяет поддер живать его на нужном уровне, посколь
ку |
расход водорода невелик |
и состав |
|
ляет |
всего ~ 1017 молекул/с. |
|
|
ва |
В |
качестве сортирующего |
устройст |
в |
системе используются шестиполюс- |
Рис. 71. Конструктивная схема квантового № нератора на пучке атомов водорода
Обозначения те же, что и на рис. 70
178
ный постоянный магнит длиной 7,5 |
см с расстоянием между про |
тивоположными полюсами 0,3 см, |
поле которого составляет 104 э |
вблизи полюсов. При применении коллиматора из 400 стеклянных трубок длиной 1 мм каждая, общий диаметр отверстия которых ра вен 1 мм, данная система обеспечивает сравнительно хорошее фо кусирование возбужденных атомов в колбу. Так, при начальном потоке, равном 1018 атомов!с, в колбу попадает —2- ІО12 атомовіс.
Для создания вакуума в системе обычно используют геттерноионные насосы с производительностью ~ 10 —200 л водорода в се кунду, обеспечивающие начальное давление в системе не хуже, чем —10“ G Н!мг для удаления всех посторонних газов. Давление же самого водорода в системе может изменяться вплоть до ІО-3 НІм2, не оказывая заметного влияния на стабильность частоты генера тора.
В качестве резонатора генератора лучше всего использовать посеребрённую кварцевую колбу, либо специальную термостати рованную полость из хорошо проводящего металла. Настройка ре зонатора может быть осуществлена либо с помощью простого плун жера, либо введением петли связи, нагруженной на линию с кри сталлическим диодом на конце. Тогда, изменяя ток смещения диода, можно регулировать реактивное сопротивление резонато ра, который обычно настраивается на Т £ 011-тип колебаний.
При величине добротности резонатора Qpe3 = 6-104 диаметр кварцевой накопительной колбы равен — 12—15 см для нормаль ной работы генератора. Такая колба при парафиновом покрытии ее внутренних стенок обеспечивает время жизни в ней атомов во дорода —0,3 с, а при тефлоновом покрытии —2—3 с.
Для магнитного экранирования системы применяются трехслой ные экраны 4, дающие полный коэффициент ослабления поля ~500 и имеющие вид трех коаксиальных цилиндров, диаметры ко торых равны 35, 40 и 45 см, а длины равны 75, 80 и 90 см. Толщина всех цилиндрических экранов равна 1 мм, причем внут ренний экран изготовлен из молипермаллоя, остальные — из мяг кой стали.
Пропусканием тока с частотой 60 гц, 150 А через эти цилиндры
удается хорошо |
размагнитить их вплоть до остаточных |
полей |
- І О - 4—ІО“ 5 9. |
водородного генератора составляет —5 - ІО-14 за |
|
Стабильность |
||
5 дней и 4 -ІО“14 за 15 мин, воспроизводимость частоты не |
хуже, |
чем Ы 0 -12.
В табл. 2 даны характеристики основных типов лучших образ цов современных высокостабильных эталонов частоты.
Остановимся теперь коротко на вопросах возможности повы шения стабильности эталонов частоты. Можно сказать, что приме нение сверхпроводников для изготовления таких элементов генера тора, как объемный резонатор и экран, позволило бы весьма суще ственно повысить их стабильность не только вследствие уменьше ния тепловых шумов — Т), но и в силу появления идеальных
179