КВАНТОВІ ГЕНЕРАТОРИ НВЧ-ДІАПАЗОНУ

Основною перевагою квантових генераторів СВЧ-діапазону є надзвичайно висока стабільність частоти, багато краща, ніж у інших типів генераторів. Однак рівень потужності випромінювання цих генераторів вкрай малий, тому вони можуть застосовуватися як опорні джерела високостабільних коливань, коригувальних частоту кварцових генераторів, а також використовуватися в квантових стандартах частоти і часу , в навігації, при дослідженні космосу і в інших областях науки і техніки. Як еталон часу прийнятий період коливань, відповідний центру контуру спектральної лінії атома цезію Се 133 на частоті 9 192 631 770 Гц. Еталон довжини 1 м порівнюється з довжиною хвилі X спектральної лінії криптону Кг 86, А саме на відрізку в 1 м укладається 1 650 763,77 довжин хвиль цієї лінії.

Стандарти частоти поділяються на пасивні і активні. У пасивних приладах використовується зовнішній СВЧ-генератор, частота якого підлаштовується під частоту одного з переходів атомів рубідію або цезію, колба з якими поміщається в резонатор і опромінюється газосвітної лампою, заповненої також парами рубідію або цезію. Випромінювання від лампи має частоти, відповідні частотам переходів атомів в колбі, розміщеної в резонаторі, оскільки вона заповнена тими ж атомами, що і газосвітних лампа. Випромінювання від газосвітної лампи, що проходить через колбу, викликає вимушені переходи між оптичними рівнями (частота переходів цих рівнів лежить в оптичному діапазоні), причому через більшу кількістю населення нижніх рівнів число переходів з поглинанням більше, ніж з випромінюванням, що призводить до ослаблення інтенсивності світла , що проходить через колбу. Якщо в резонатор, де розташована колба, подати СВЧ-потужність з частотою, що відповідає частоті переходу між нижніми рівнями атомів рубідію або цезію (частота цих переходів лежить вже в СВЧ-діапазоні і верхній рівень СВЧ переходу є нижнім для зазначеного оптичного переходу), то станеться перерозподіл населеності між оптичними рівнями. В результаті поглинання світла колбою зросте, оскільки збільшилася населеність нижнього рівня оптичного переходу за рахунок енергії НВЧ-коливань, що викличе зменшення інтенсивності світлового потоку, що реєструється фотодетектором. Для збільшення точності настройки СВЧ-генератора на частоту переходу атомів в колбі застосовується низькочастотна фазова модуляція СВЧ-сигналу спеціальним генератором. Далі промодулірованний низькочастотний сигнал використовується для управління частотою кварцового генератора.

У службі часу і інших областях науки і техніки, де існує потреба в сигналах, складових сітку стандартних високостабільних частот (1 кГц, 10 кГц, 100 кГц, 1 МГц і ін.), Для цих цілей найбільш доцільно використовувати сучасні активні квантові стандарти частоти , серед яких слід виділити часто застосовуються автогенератори на атомах водню. Схема одного з них наведена

Мал. 18.5

на рис. 18.5. У генераторі використовується перехід з частотою 1420,405 МГц між енергетичними рівнями надтонкої структури основного стану атома водню.

Принцип дії і пристрій водневого генератора, схематично показаного на рис. 18.5, а, полягає в наступному. У джерелі 1 під дією високочастотного розряду відбувається розкладання молекулярного водню на атоми. Розряд здійснюється при тиску 10 ... 50 Па. Діафрагма 2, що представляє собою систему паралельних каналів з діаметром ~ 1,4 мм, формує паралельний атомарний пучок 4, що проходить магнітне Сортувальне пристрій 3. Близько резонатора 6 з накопичувальної осередком 5 підтримується тиск Ю -5 Па. Різниця тисків у джерелі 1 і на вході в резонатор змушує атоми водню рухатися від джерела через канали в камеру.

Перед входом в магнітне Сортувальне пристрій 3 в пучку знаходяться атоми водню як на нижньому Е так і на верхньому Е 2 енергетичних рівнях робочого переходу. Сортування атомів за вказаними енергетичним станам здійснюється неоднорідним магнітним полем, створюваним шестіполюсним постійним магнітом, що формує структуру поля, показану на рис. 18.5, б. Атоми, що знаходяться в верхньому енергетичному стані, фокусуються поблизу осі шестіполюсного магніту, де магнітна індукція дорівнює нулю (В = 0), і потрапляють в розміщену в резонаторі кварцову колбу (накопичувальна осередок 5), стінки якої покриті тефлоном. Суть методу сортування полягає в тому, що на частки, в даному випадку на атоми водню,

володіють магнітним моментом, в неоднорідному магнітному полі діє сила, напрям якої визначається знаком

похідною

(г - радіус-вектор, спрямований від осі сортуючої системи до периферії). У селекторі 3 напруженість магнітного поля зростає від осі до периферії, і похідна

має один і той же знак. Зі збільшенням магнітного поля

енергія нижнього рівня (^ |) зменшується, а верхнього ( Е 2 ) зростає, тому і сили, що діють на атоми, що знаходяться в станах з нерівними енергіями Е х і Е 2 , будуть різні. В результаті частинки з енергією Е 2 відхиляються до осі і потрапляють в резонатор, а з енергією Е 1 - йдуть від осі і видаляються насосом, завдяки чому і створюється інверсна населеність рівнів. Повний потік атомів водню, що надходять в кварцову накопичувальну осередок, покриту зсередини тефлоном, дорівнює 10 12 ... 10 13 частинок в секунду [1] . Особливість тефлону полягає в тому, що при зіткненні з ним збуджених атомів відбувається збереження збудженого стану. В результаті атоми водню зберігають збуджений стан протягом часу набагато більшого, ніж час вільного пробігу в резонаторі, що збільшує час життя на рівні і зменшує ширину спектральної лінії генерації. Відбиваючись від стінок накопичувача, атоми рухаються у різних напрямах, причому усереднена за час їх взаємодії з полем випромінювання швидкість практично дорівнює нулю, ніж різко послаблюється вплив ефекту Доплера на розширення контуру спектральної лінії. В цілому ширина спектральної лінії випромінювання атомів водню в цій системі має надзвичайно малу величину ~ 0,0057 Гц (в молекулярному генераторі на аміаку ширина лінії складає одиниці кГц). Стабільність частоти водневого генератора характеризується величиною не гірше ~ 10 12 , що є найкращим показником для всіх генераторів такого типу. Для отримання такої високої стабільності необхідна ретельна магнітна екранування. Потужність водневого генератора ~ 5 • 10 " 12 Вт, що досить для стабілізації частоти більш потужних генераторів. Він працює спільно зі спеціальними радіотехнічними пристроями, що служать для формування сітки частот і управління атомними годинами.

  • [1] Накопичувальна осередок застосовується для збільшення часу перебування атомів в резонаторі, що призводить до зростання числа випромінювальних переходів і забезпечує генерацію.
 
< Попер   ЗМІСТ   Наст >