Цезиевый эталон частоты (времени)

Квант 1980, №12 с. 2-8 Тег YP0S

Цезиевый этапон частоты (времени)

Нука начиная… с тех пор, как начинают изменять.
Д. И. Менделеев

Любые научные исследования — и в области микромира, и в космосе,— все производенные процессы — от изготовления скрепок до построки atomного ледокола — опираются в конечном счете на изменения. Развитие технологии и расширение научных исследований требуют все более совершенных методов изменений. Например, с появлением сверхзвуковой авиации диспетчерским службам эропортов приходится иметь дело с миллионными долями секунды. Изучение atomных и ядерных процессов требует изменения промежутков времени в тысячи раз меньше миллиардов доли секунды.

Измерение физических величины по существу свойства к их сравнению с соответствующими этапонами. Поэтому от точности, с которой устанавливаются основные единицы измерения, зависит точность физического эксперимента.

Первый этапон времени

В отличие от измерений длины и массы, которые можно производить неоднократно, измерение процесса промежутка времени нельзя повторить и время невозможно изменить путем непредсказственного сравнения с этапом. О времени можно судить по изменениями в окружающей нас мире, например, по перемещениям, совершаемым телом, движущимся прямолинейно и равномерно. В основе измерения времени может быть положен также периодический процесс, например, равномерное выражение, колбанная маятника.

Из-за того что движение тел проискот не в пустом пространстве и на них всегда действуют силы, в природа не существует абсолотно равномерных движений и идеально строгих периодических процессов. Отсюда и неизбежные неточности в любом способе изменения времени.

В качестве образцов «часов», с которых сверяются все часы на земном шаре, была принята система Земля — Солнце. За опорные точки отчета промежутков времени приняты моменты времени, когда Солнце находится в определенном положении относительно земного наблюдаателя. Первым этапом времени было выбрано суточное выражение Земля. Промежуток времени между двумя последовательными верхими положениями центра солнечного диска (кульминациями) называют истинными солнечными сутками. Однако продолжительность этих суток в течение года меняется (движение Земля вокруг Солнца происходит неравномерно). Поэтому для отчета времени было решено пользоваться средними солнечными сутками, длительное состояние которых условилась считать равной средней длительности истинных солнечных суток за год. За единицу времени — секунду — принимается 1/86400 часы средних солнечных суток. Для хранения времени в промежутках между астроνομическим наблюданием и воспроизведением единиц времени — секунды — применяется маятниковые часы. В лучших экземплярах особо точных часов изменение хода в течение суток составляет ~0,001 секунды, что соответствовал относительной погрешности $\frac{\Delta t}{t} \approx 10^{-8}$ .

Кварцевые часы

Развитие радиоэлектроники позволяет создать более точные хранители времени — кварцевые часы, в которых вместо колбанной маятника использует упругие колбания кварца.

У кварцевой пластинки, вырезанной определенным образом из кристалла, при деформации на противоположных гранах возникют разноименные заряды. Величина и знак заряда грани зависит, соответствно, от величины и направления деформации (рисунок 1). Это явление, называемое прямым пьезоэфектом, обратимо: если к пьезокварцевой пластинке приложить разность потенциальов, то пластика, в зависимости от полярности напряжения, либо созметя, либо расшириется. Такая пластинка, подключенная к источнику переменного напряжения, совершает вынужденные колебания с частотой, равной частоте электрических колебаний. При совпадении частоты v электрических колебаний с собственной частотой v₀ колебаний пластинки амплитуда A ее упругих колебаний будет наобольшей (рисунок 2). Частота собственных колебаний пластинки, определяемая ее размерами и формой, слабо зависит от температуры и внешних воздействий.

С точки зреня радиотехники пьезокварцевая пластинка эквивалентна общимому резонансному контуру, содержащему индуктивность и emкость, но отличается от него очень острым резонансом. Это свойство пьезокварца давно используется в радиотехнике для стабилизации частоты генераторов в радиопередатчиках. Это же свойство пьезокварца — высокое постоянство собственной частоты колебаний — было использовано для создания астрономических кварицевых часов. Основной таких часов является генератор элек-
трика.

Рис. 1.

Рис. 2.

тромагнитных колебаний, стабилизированный пьезокварцем. Схема генератора показана на рисунке 3.

Квариева пластинка через нанесеенные на противоположные грани электроды включается между сеткой и катодом радиолампы. После замыкания переключателя K ток в анодной цепи начинает заряжать конденсатор C. При разряде конденсатора через катушка индуктивности L в анодном контуре L — C возникют затухающие электромагнитные колебания с частотой v = $\frac{1}{2\pi\sqrt{LC}}$ .

Для получения незатухающих колебаний нужно, чтобы колебания анодного тока совершалась согласно с колебаниями в анодном контуре и комплисировали потери энергии в нем. Это осуществляется посредством обратной связи. По цепи обратной связи «емкость C_a c — анод — сетка лампы» колебания в анодном контуре создают на квариевой пластинке переменное напряжение той же частоты. Изменением emкость конденсатора C производится

Рис. 4.

настройка анодного контура в резонанс с собственными колебаниями пластинки, сопровождаемые синхронными изменениями величины зарядов на ее электродах. А это вызывает колебания потенциала сетки, управляющей анодным током. Пульсации анодного тока поддерживают (за счет энергии батареи Б) независимые колебания в анодном контуре и в пластинке.

Поскольку пьезокварц обладает острым резонансом (см. рисунок 2), то даже при небольшем различиии в частотах анодного контура и пластинки амплитуда колебаний пластинки резко уменьшается и изменение зарядов на электродах становится недостаточным для управления анодным током. Вот почему генератор работы только на строго определенной частоте, равной частоте $v_0$ собственных колебаний пластинки.

Частоты колебаний, вырабатываемые кварцевыми генераторами, обычно порядка $10^4 - 10^6$ Гц. Для получения более редких отметок времени необходимо электронный делитель частоты, уменьшающий частоту колебаний в строго известное число раз *). Синхронные электромоторы, работающие на переменном токе этой понженной частоты, врашают стрелки часов и замыкают контакты реле, подающей сигнал точного времени. Упрощенная схема кварцевых часов показана на рисунке 4.

Относительная погрешность лучших кварцевых часов $\frac{\Delta t}{t} \approx 10^{-9} - 10^{-10}$ . За сутки они отстают или уходят вперед на $10^{-5}$ с.

Comнительный этап

Наблюдения за группой мятниковых часов и первых кварцевых часов в 1937 году показали, чтоdlительность суток скачнообразно меняется в среднем за год на 0,002 с и одновременно плавано возрастает на 0,0016 с за 100 лет *). Значит, предельная точность определения секунды по часам «вращающая вокруг своей оси Земля» не превышает $\frac{2 \cdot 10^{-3}}{86400} \approx 0,2 \cdot 10^{-7}$ .

Позмоту Международное бюро мер и весов в 1956 году решило перейти к более стабильному эталюу времени — вращению Земли вокруг Солнца. В качестве этаона использоватьdlительность тропического года — промежутка времени между двумя последовательными прохождениями центра Солнца через точку весеннего равновесия. Поскольку продолжительность тропического года не является строго постоянной из-за возмущения, оказываемых планетами на движение Земли, то был выбран один из них — 1900 год.

*) Неравномерность вращения Земли, в основном, вызвана тем, что при приливах и отливах частей энергии вращательного движения расходуется на предоление сил управления деформации основной твердой части Земли и сил внутреннего трения при перемещениях больших масс воды в океанах и воздуха в атмосфере.

Тоchnость определения секунды как 1/31556925,9747 части тропического года ограничалась точностью астрономических наблюдений и достигала $10^{-10}$ .

Но всевозрастной уровень физического эксперимента и развитие техники требовали дальнейшего повышения точности установления основных единиц измерения. Например, успехи в исследовании космоса не были бы так значительны безвозможности измерять время с точностью до $10^{-12}$ с. Это стало возможным после переход к новым методам стандартизации частоты, основным на atomных процесах.

Почему атомные часы точнее «земных» и кварцевых?

В отличие от макромира, где нет даже двух совершенного одинаковых тел, в микромира все части одного сорта, например электроны, принимающего неразличимы. Совершенно одинаковы и atoms, состоящие из одинакового числа элементов частиц. Молекулы, представляющие собой одинаковые комбинации одного и того же числа одних и тех же atoms, также оказываются совершенными.

Одинаковые atoms или молекулы обладают одинаковыми и исключительно постоянными наборами собственных частот колбаний; они могут излучать или поглощать электромагнитные волны одинаковых и строго определенных длины, зависимости только от строения данного сорта частиц. Важно, что эти генераторы электромагнитных колбаний не подвержены износу и старанию.

Вот почему так заманчив было использовать atomные системы для стандартизации частоты (времени) и длины. Поскольку поведение микрочастиц определяется законами квантовой механики, этаоны, созданные на основе atomных систем, называют квантовыми.

Первым квантовым этаоном стал этаон длины. Оказалось, что международный этаон длины — метр — содержит 1650763,73 длин волн излучения, возникшего при переходе де между двумя определенными состояниями atomа криптона ( $^{86}$ Kr).

Казалось бы, стандартизацию частоты и установление единцы времени следовало бы произвести по той же орнжевой линии криптона-86, которая используется для установления единцы длины. Однако удобнее использовать радионзуение, так как это дает возможность обединить этапон частоты с радиохемой, контролирующей ход кварцевых часов или позволяющей сравнительные частоты с этаонной. Учитывая эти обстоятельства, Международная конференция мер и весов в 1967 году решила отрицаться от природного этаона времени «вращающегося вокруг Солнца Земля» и перейти к искусственному созданию и не связанному с астроνομическим наблюдаемыми квантовому этаону, в котором используется одна из длин волн электромагнитного излучения atomов цезия, лежащая в радионапазоне ( $\lambda \approx 3,27 \cdot 10^{-2}$ м). Для того чтобы получить прицип Действия квантовых часов, нам придется рассмотреть, как ведут себя atoms в магнитном поле.

Атом и магнитная стрелка

Электроны и ядра atomов помимо электрического поля создают в окружающей пространстве магнитные поля. Вектор индекции магнитного поля atoms является геометрической суммой векторов магнитной индукции полей составляющих его частиц. У части atomов результатирующий вектор индекции равен нулю, но многое atoms, в том числе и atoms цезия, обладают магнитным полем. Такие atoms в грубом приближении подобны магнитным стрелкам.

При отсутствии внешнего магнитного поля векторы индекции магнитных полей atoms цезия, как и у достаточно удаленных друг от друга магнитных стрелок, ориентированы хаотично. На языке квантовой механики это означает, что на одном энергетическом уровне находится atoms с различным направлением магнитных полей (рисунок 5).

Известно, что стрелка компасу устанавливается в направлении сило-

Рис. 5.

вых линей магнитного поля. Если, совершив работу против сил взаимодействия стрелки и магнитного поля, отклонить стрелку на некоторый угол и отпустить, то под действием этих сил она после нескольких колбаний вернется в первоначальное положение. Это положение равновесия устойчивое, потому что ему соответствует минимальное значение потенциальной энергии стрелки — в любом другом положении ее потенциальная энергия больше на величины работы, затраченной на изменение первоначальной ориентации.

Согласно квантовым представлениям, у атомов, помещенных во внешнее магнитное поле, возникны лишь две ориентации их собственных магнитных полей: либо «по полю» (как у магнитных стрелок в магнитном поле Земли), либо «против поля». Если ориентации «по полю» соответствует энергия atoma $E_1$ , то ориентации «против поля» будет соответствовать несколько больше значению энергии atoma $E_2$ (подобно тому как энергия магнитной стрелки, принимающего «против поля», больше энергии магнитной стрелки, самопроизвольно ориентированной «по полю», на величины работы, затраченной на эту переориентацию).

Иначе говоря, помещение atoma целья во внешнее магнитное поле вызывает расшеление основного энергетического уровня на два подурровня с энергиями $E_1$ и $E_2$ , причем $E_2 > E_1$ (рисунок 6).

Переходы atомов $E_2 \rightarrow E_1$ (с подурровня $E_2$ на подурровень $E_1$ ) сопровождаются излучением, а переходы $E_1 \rightarrow E_2$ — поглощением волн с частотой $v_0 = \frac{E_2 - E_1}{h} = \frac{\Delta E}{h}$ . Разность энергии $E_2 - E_1$ не велика, и частота $v_0$ лежит в диапазоне радиоволн.

Рис. 6.

Рис. 7.

Величина $\Delta E$ очень слабо зависит от внешних воздействий. Поэтому излучение с частотой $v_0 = \frac{\Delta E}{h}$ можно использовать как эталонное. Но чтобы осуществить это на практике, необходимо пространство «рассортировать» atoms по энергиям.

В силу того, что электрическое поле не оказывает действия на нейтральные atoms, а однородное магнитное поле способно вызывать только ориентацию магнитных полей atoms, «сортировка» atoms по энергиям производится с помощью недорогого магнитного поля. Например, такого, как на рисунке 7. Как видно из рисунка, atoms, ориентированные «по полю», втягиются в область большей его индукции, а atoms, ориентированные «против поля», смешаются в сторону меньше индукции. Смешение вызвано неравенством сил, действующих на «северную» и «южную» части atoms ( $|\vec{f}_1| > |\vec{f}_2|$ ).

Цезивный эталон

Схема устройства цезивного эталона частоты показана на рисунке 8.

Через узкую щель нагревая (1), в котором происходит испарение металлического цезия, атомы цезия вылетают в виде плоского пучка и попадают в область недородного магнитного поля $B_1$ , создаваемого магнитом (2) специальной формы. Для простоты на рисунке изображены только траектории атомов по краям этого пучка. Движение атомов происходит внутри вакуумной трубки, не показанной на рисунке.

В недородном магнитном поле $B_1$ атомы цезия ориентируют «по полю» и «против поля», принимая, соответственно, значения энергии $E_1$ и $E_2$ . Но кроме ориентации происходит разделение атомов по энергиям. Часть атомов верхнего края пучка, ориентированных «по полю» и имеющих энергию $E_1$ , втягается в область большей индукции и в работе прибора не участвует. Другая часть атомов верхнего края пучка, ориентированных «против поля» и обладающих энергий $E_2$ , выталкивается из области с большей индукцией, и их траектории искривляются вниз. В нижней части пучка атомы с энергий $E_2$ (ориентация «против поля») отклоняются в сторону меньше индукции и выходят из игры, а к оси прибора отклоняются атомы, ориентированные «по полю» (с энергий $E_1$ ).

Рассортированные по энергиям $E_1$ и $E_2$ атомы цезия попадают в резонантор (3), где создается однородное магнитное поле $B$ (магнит (4)), в котором атомы движутся при молинейно и сохраняют расщепление по энергиям. В области резонантора создается также электромагнитное поле, частота которого может плавно изменяться. Если эта частота в точности равна частоте $v_0 = \frac{E_2 - E_1}{h}$ , то часть атомов с энергий $E_1$ , поглотив квант энергии $hv_0 = E_2 - E_1$ , перейдет в состояние $E_2$ и примет ориентацию «против поля», а часть атомов с энергий $E_2$ другого пучка под действием кванта $hv_0$ в результате вынужденного излучения перейдет в состояние $E_1$ , изменив ориентацию «против поля» на ориентацию «по полю»*).

За резонантор находится область недородного магнитного поля $B_2$ (магнит (5)), подобного полю $B_1$ . В этом поле происходит расортировка атомов по энергиям, в результате которой появились всестоятельные взаимодействия с электромагнитным полем атомы с энергиями $E_2$ и $E_1$ отклоняются к оси пучка и попадают на применик. Атомы с энергиями $E_1$ , не поглотившие квант электромагнитного поля $hv_0$ , и атомы с энергиями $E_2$ , не испытающие вынужденного излучения, отклоняются недородным магнитным полем $B_2$ в сторону от оси прибора и не попадают на применик. Таким образом, если частота электромагнитного поля не равна частоте $v_0 = \frac{\Delta E}{h}$ , то взаимодействия электромагнитного поля с атомами цезия нет. В этом случае в применик атомы не попадают.

*) В. А. Фабрикант. «Что происходит в гелий-неоновом лагере». («Квант», 1978, № 6.)

Рис. 8.

Приемник представляет собой нагретую вольфрамового проволоку (6), расположенную вдоль оси электрода получидридической формы (7). Атомы цезия, соррикоснулись с раскаленным вольфрамом, отдают ему валентные электроны, становятся положительными и пригravаются к отрицательно заряженному электроду — коллектору (7). Очевидно, что ток через галванометр Г пропорционален числу атомов цезия, изменивших свою энергию путем поглощения или испускания в области резонанта кванта радионзеленения $hv_0$ . Кривая зависимости тока через галванометр от частоты электромагнитного поля в резонанте по форме аналогична кривой на рисунке 2, но обладает еще более узким максимумом: $\frac{\Delta v}{v_0} \approx 10^{-13}$ .

Частоту $v_0 = \frac{(E_2 - E_1)}{h} = 9192631770,0$ Гц, при котором ток достигает максимального значения и происходит квантовые переходы $E_1 \rightarrow E_2$ атомов изотопа цезия-133 ( $^{123}$ Cz), Международная конференция мер и весов приняла за этапную Единница времени — атомная секунд — это 9 192 631 770,0 периодов таких электромагнитных колебаний.

Цезивая трубка и высокочастотный генератор связи с электронным устройством — дискриминатором, автоматически подстраивающим частоту генератора к этапной частице $v_0$ , на котором реагируют атомы цезия. Высокая степень стабилизации частоты обусловлена тем, что даже самая незначительная расстройка генератора резко влияет на величины сигнала с цезивой трубки.

Поскольку период колебаний, соответствующий этапной частице $v_0$ , на много порядков отличается от единицей времени — секунды, то возникает задача получения низкоэстного сигнала, управляющего ходом стрелочных часов и устройством для выработки сигналов точного времени. Для этого генератор связи с резонантом не непосредственно, а через цепи умножения. Поэтому его частота в известное число раз меньше этаонной. Этот генератор контролирует ход кварцевых часов, управляющий ших стрелочных часов и устройством для выработки сигналов точного времени.

Первый квантовый цезивный стандарт частоты был создан в 1955 году английским физиком Л. Эссеном. За создание и применение этого прибора он был удостоен Золотой медали имени А. С. Попова.

Один из четырех самых лучших в мире цезивых этапов, являющийся основой Государственного перичного этаона частоты и времени, находится в Главном метроологическом центре нашей страны в подмосковном поселке Менделеево. Он воспроизведет atomную секунд с относительной точностью до $3 \cdot 10^{-13}$ , что соответствует ошибке в одну секунду за 100 000 лет. Для хранения времени, то есть непрерывного счета секунд, минут и часов, подачи сигналов точного времени и поверок службы вторичные цезивые этаоны частоты и времени и целая группа аммячных, водородных, рубидевых и других квантовых генераторов — лазеров, ширина спектральных линей которых очень узка ( $\sim 10^{-7}$ Å). Для изменения частоты излучения лазера, отличающего от этаонной на несколько порядков, сбижают эти частоты путем многоократного увеличения меньшей из них в строго известное число раз. Сравнение двух близких по величины частот произведется путем изменения их частоты биенной с помощью осциллографа и других методами $^*$ .

В последние годы выяснили, что параметры часов, основанных на водородном квантовом генераторе, лучше у цезивых. Их стабильность в течение суток порядка $10^{-14}$ , то есть в 10 раз меньше, чем у цезивого этаона. Предполагается, что ее можно уменьшить до $10^{-16}$ . Поэтому обсуждается вопрос о замене цезивого стандарта частоты другим, еще более точным и стабильным этаоном.

В нашей дни точность изменения времени в десятики тысяч раз превышает точность изменения других физических величины.

*) Об этом можно прочитать в статье А. В. Елецкого «Скорость света и ее изменения» («Квант», 1975, № 2).