Цезовий еталон частоти - Фізична енциклопедія
ЦЕЗІЄВИЙ ЕТАЛОН ЧАСТОТИ - пасивний квантовий стандарт частоти. У 1964 Міжнародним комітетом з питань заходів і ваг визнаний первинним стандартом (еталоном) частоти, стосовно до-ром стандарти ін. типів є вторинними.
Гол. частиною Ц. е. ч. є т.з. атомно-променева трубка, в одному кінці якої розташований джерело атомів (порожнина, наповнена Cs, рис. 1, з'єднана з рештою трубкою вузьким каналом або системою паралельних капілярів). Рідкий Cs підтримується при темп-ре бл. 100 °С, коли тиск парів ще мало і атоми, вилітаючи з джерела, формуються в пучок, що слабо расходится (див. Молекулярні і атомні пучки). У протилежному кінці трубки розташований детектор атомів Cs, що складається з розпеченого вольфрамового дроту 5 і колектора 6. Як тільки атом стосується дроту, він віддає їй електрон і у вигляді іона притягується до колектора. У ланцюзі між колектором і дротиком виникає електрич. Струм, пропорц. інтенсивності цезієвого пучка (детектор із поверхневою іонізацією).
Мал. 1. Схема атомно-променевої цезієвої трубки: 1 -джерело пучка; 2 і 4 - магніти, що відхиляють; 3 -об'ємний резонатор; 5 -розжарена вольфрамовадротяна (детектор); 6-колектор іонів.
На шляху від джерела до детектора пучок атомів перетинає два постійних неоднорідних магн. поля Н 1 та Н 2 . Поле H 1 (рис. 2) розщеплює пучок на 16 пучків, в яких брало летять атоми, що знаходяться на різних енергетич. рівнях (осн. рівень Cs розщеплюється в магн. полі на 16 магн. підрівнів, див. Зеєбека ефект). Для семи з них енергія атома зростає зі збільшенням поля, для інших семи
Мал. 2. Пучок атомів Cs у неоднорідному магнітному поліH 1 : 1-перетин пучка (атомилетять у напрямі, перпендикулярному площині рис.); 2-силові лінії поля; 3-полюсні наконечники.
спадає, а двох майже залежить від поля. При цьому сім пучків відхиляються у бік сильнішого поля (к N), сім - у бік зменшення поля (к S), а два пучки з енергією і летять, майже не відхиляючись, і потрапляють у поле Н 2 . Поле Н 2 спрямовує (фокусує) на детектор тільки атоми з енергією, що відповідає одному з пари рівнів, відхиляючи убік атоми з енергією, що відповідає іншому рівню. У проміжку між полями H 1 і Н 2 атоми пролітають через об'ємний резонатор, в якому збуджуються ел-магн. коливання із частотою, що відповідає переходам . Якщо під впливом ел-магн. поля атом Cs з енергією перейде в стан або атом з енергією в стан , поле H 2 направить їх від детектора, струм детектора зменшиться на величину, пропорц. числу атомів, що здійснили перехід (можливе та ін. налаштування системи, коли резонансу відповідає максимум струму детектора). У Ц. е. ч. використовуються переходи атома Cs між магн. підрівнями. Переходи такого типу не можуть спостерігатися поза постійним однорідним магном. поля Н, причому частота переходів залежить від напруженості поля Н.
Число атомів, що здійснюють перехід в одиницю часу під дією поля, максимально, якщо частота діючого на атом ел-магн. поля точно збігаються з частотою переходу. У міру розбіжності (розладу) цих частот число атомів, які здійснюють вимушені переходи, зменшується. Тому плавно змінюючи частоту ел-магн. поля і відкладаючи по горизонталі частоту w, а по вертикалі зміна струму детектора I, отримаємо контур спектральної лінії, що відповідає переходам (рис. 3, а).
Мал. 3. Форма спектральної лінії: а-неспотвореної;б-спостерігається у разі П-подібного резонатора.
Частота w, що відповідає вершині спектральної лінії, є опорною точкою (репером) на шкалі частот, а відповідний їй період коливань прийнятий рівним 1/9192631777,0 с. Точність визначення w 0 порядку дек. % (у кращому випадку-частки %) від ширини лінії Dw. Точність тим вища, що вже спектральна лінія. Звідси прагнення усунути або послабити всі причини, що призводять до розширення спектральних ліній, що використовуються. У Ц. е. ч. розширення лінії обумовлено часом взаємодії атомів з ел-магн. полем резонатора; що менше час, то ширша лінія (див. Невизначеностей співвідношення, Ширина спектральної лінії). Час взаємодії збігається з часом прольоту атома через резонатор; воно пропорц. довжині резонатора і обернено пропорц. швидкість атомів. Зменшувати швидкість атомів, знижуючи темп-ру, неможливо, тому що при цьому падає інтенсивність пучка. Довжина резонатора також не може бути зроблена дуже великою через розсіювання атомів і внаслідок того, що пучок повинен перебувати в однорідному (за величиною та напрямом) полі Н, що у великому обсязі важко.
Подолання цієї проблеми та отримання тонкої спектральної лінії досягається застосуванням резонатора П-подібної форми (рис. 4). У цьому резонаторі пучок взаємодіє з ел-магн. полем лише поблизу його кінців, і лише цих двох невеликих областях необхідна однорідність і стабільність магн. поля Н. У такому резонаторі спектральна лінія набуває більш складної форми (рис. 3, б), яка є результатом накладання двох ліній, утворених прольотом частинок через кожен з кінців резонатора. Ширина кожної лінії велика. Ця сумарна ширина утворює п'єдестал результуючої лінії. Ширина ж вузької лінії (центр піку), що визначає точністьвимірювань залежить від повного часу прольоту через резонатор.
Мал. 4. Цезієва трубка з П-подібним резонатором (позначення ті ж, що і на рис. 1).
Ц. е. ч. зазвичай доповнюють пристроями, що виробляють визнач. набір частот, стабільність яких дорівнює стабільності стандарту, а іноді і сигнали точного часу.
Ц. е. ч. входять до складу національних еталонів частоти і часу і забезпечують відтворення тривалості секунди, а отже, всієї системи вимірювання частоти та часу відносить. похибкою меншою ніж 10 -14 . Їхня перевага полягає в тому, що вторинні цезієві стандарти (серійне виробництво) не поступаються точності еталону. Навіть малогабаритні цезієві трубки для лабів. практики та на рухомих об'єктах працюють з віднос. похибкою 10-12-10-13.