Файл: По дисциплине Астрономия.docx

3.Атомные цезиевые часы

Дальнейшего усовершенствования стандартов частоты и времени удалось достигнуть на основе ясного понимания причин недостатков аммиачных молекулярных часов. Напомним, что основными недостатками аммиачных молекулярных часов являются некоторая "размазанность" резонансной кривой поглощения и зависимость оказаний этих часов от температуры и давления газа в волноводе.

Каковы же причины этих дефектов? Можно ли их устранить? Оказалось, что размазывание резонанса происходит в результате теплового движения частиц газа, заполняющих волновод. Ведь некоторые из газовых частиц движутся навстречу электромагнитной волне и поэтому для них частота колебаний несколько выше той, которую дает генератор. Другие газовые частицы, напротив, движутся от приходящей электромагнитной волны, как бы убегают от нее; для них частота электромагнитных колебаний несколько ниже номинальной. Лишь для относительно очень небольшого числа неподвижных газовых частиц воспринимаемая ими частота электромагнитных колебаний равна номинальной, т.е. даваемой генератором.

Описанное явление представляет собой хорошо известный продольный эффект Допплера. Именно он и приводит к тому, что резонансная кривая уплощается и размазывается и обнаруживается зависимость силы тока на выходе волновода от скорости движения газовых частиц, т.е. от температуры газа.

Группе ученых из Американского бюро стандартов удалось справиться с этими трудностями. Однако то, что они сделали, в общем оказалось новым и значительно более точным стандартом частоты и времени, хотя при этом были использованы некоторые уже известные вещи.

В этом приборе используются уже не молекулы, а атомы. Эти атомы не просто заполняют сосуд, а движутся пучком. Причем так, что направление их движения перпендикулярно к направлению распространения электромагнитной волны. Легко понять, что в этом случае продольный эффект Допплера отсутствует. В приборе использованы атомы цезия, возбуждение которых происходит при частоте электромагнитных колебаний, равной 9 192 631 831 периодов в секунду.

Соответствующий прибор смонтирован в трубке, в одном конце который расположена электрическая печь, разогревающая металлический цезий вплоть до испарения

---

, а в другом - детектор, сосчитывающий число долетевших до него атомов цезия . Между ними находятся: первый магнит , волновод , подводящий высокочастотные электромагнитные колебания, коллиматор и второй магнит. Когда печь включена, то пары металла через щель врываются в трубку и узкий пучок атомов цезия летит вдоль ее оси, подвергаясь по пути воздействию магнитных полей, созданных постоянными магнитами, и высокочастотного электромагнитного поля, подведенного с помощью волновода от генератора к трубке так, что направление распространения волн перпендикулярно к направлению пролета частиц.

Такое устройство позволяет решить первую часть задачи: возбудить атомы, т. е. перевести их из одного состояния в другое, и в то же время избегнуть продольного эффекта Допплера. Если бы исследователи ограничились только этим усовершенствованием, то точность прибора хотя и увеличилась бы, но не намного. Ведь в пучке атомов, вылетающих из накаленного источника, всегда есть невозбужденные и возбужденные атомы. Таким образом, когда вылетевшие из источника атомы пролетают сквозь электромагнитное поле и возбуждаются, то к уже имеющимся возбужденным атомам добавляется еще некоторое число возбужденных. Поэтому изменение числа возбужденных атомов получается относительно не очень большим и, следовательно, эффект от действия электромагнитных волн на пучок частиц оказывается не очень резким. Понятно, что если бы вначале возбужденных атомов не было совсем, а потом они появились, то общий эффект был бы намного более контрастным.

Итак, возникает дополнительная задача: на участке от источника до электромагнитного поля пропустить атомы, находящиеся в нормальном состоянии, и изъять возбужденные. Для ее решения ничего нового изобретать не пришлось, так как еще в сороковые годы нашего века Рабби, а затем Рамзеем соответствующие методы были разработаны для спектроскопических исследований. Эти методы основаны на том, что все атомы и молекулы имеют определенные электрические и магнитные свойства и эти свойства оказываются различными у возбужденных и невозбужденных частиц. Поэтому в электрическом и магнитном полях возбужденные и невозбужденные атомы и молекулы отклоняются по-разному.

---

В описываемых атомных цезиевых часах на пути пучка частиц между источником и высокочастотным электромагнитным полем постоянный магнит 2 (см. рис. 24) был установлен так, что невозбужденные частицы фокусировались на щель коллиматора, а возбужденные выводились из пучка. Второй магнит 5, стоящий между высокочастотным электромагнитным полем и детектором, напротив, был установлен так, что из пучка выводились невозбужденные частицы, а на детекторе фокусировались только возбужденные. Такая двойная сепарация приводит к тому, что детектора достигают лишь те частицы, которые до вхождения в электромагнитное поле были невозбужденными, а затем в этом поле перешли в возбужденное состояние. При этом зависимость показаний детектора от частоты электромагнитных колебаний оказывается очень резкой и соответственно резонансная кривая поглощения электромагнитной энергии получается очень узкой и крутой.

В результате описанных мероприятий задающий блок атомных цезиевых часов оказался способным реагировать даже на очень малую расстройку генератора высокой частоты, и таким образом была достигнута очень высокая точность стабилизации.

Остальная часть прибора, в общем, повторяет принципиальную схему молекулярных часов: генератор высокой частоты управляет электрическими часами и одновременно через цепи умножения частоты возбуждает частицы. Дискриминатор, связанный с цезиевой трубкой и высокочастотным генератором, реагирует на работу трубки и подстраивает генератор так, чтобы частота вырабатываемых им колебаний совпадала с частотой, при которой происходит возбуждение частиц.

Все это устройство в целом носит название атомных цезиевых часов.

В первых моделях цезиевых часов (например, цезиевых часах Национальной физической лаборатории Англии) нестабильность составляла лишь 1^-9. В приборах такого типа, разработанных и построенных в последние годы, нестабильность удалось снизить до 10^-12-10^-13.

Ранее уже говорилось о том, что даже лучшие механические астрономические часы вследствие износа их деталей с течением времени несколько меняют свой ход. Даже кварцевые астрономические часы не лишены этого недостатка, так как из-за старения кварца имеет место медленный дрейф их показаний. В цезиевых атомных часах дрейф частоты не обнаружен.

---

При сравнении различных экземпляров этих часов между собой наблюдалось совпадение частоты их колебаний в пределах ±3*10^-12, что соответствует ошибке лишь в 1 секунду за 10 000 лет.

Однако и это устройство не лишено недостатков: искажения формы электромагнитного поля и относительная кратковременность его воздействия на атомы пучка ограничивают дальнейшее увеличение точности измерения интервалов времени с помощью таких систем.

---

4.Астрономические часы с квантовым генератором

Еще один шаг в отношении увеличения точности измерения интервалов времени был сделан с помощью молекулярных генераторов - приборов, в которых используется излучение молекулами электромагнитных волн.

Это открытие было неожиданным и закономерным. Неожиданным - потому, что казалось, что возможности старых методов исчерпаны, а других нет. Закономерным - потому, что ряд известных эффектов уже составлял почти все части нового метода и оставалось только должным образом эти части скомбинировать. Впрочем, новая комбинация известных вещей составляет суть многих открытий. Всегда нужна большая смелость мышления для того, чтобы ее придумать. Довольно часто после того, как это сделано, все кажется очень простым.

Приборы, в которых для получения стандарта частоты используется излучение молекул, получили название мазеров; это слово образовано из начальных букв выражения: microwave amplification by stimulated emission of radiation, т. е усиление радиоволн сантиметрового диапазона с помощью индуцированного излучения. В настоящее время приборы такого типа чаще всего называют квантовыми усилителями или квантовыми генераторами.


Что подготовило открытие квантового генератора? Каковы его принцип действия и устройство?

Исследователям было известно, что когда возбужденные молекулы, например молекулы аммиака, переходят на более низкие уровни энергии и испускают электромагнитное излучение, то естественная ширина этих линий испускания чрезвычайно мала, во всяком случае во много раз меньше ширины линии поглощения, используемой в молекулярных часах. Между тем при сравнении частоты двух колебаний от ширины спектральных линий зависит острота резонансной кривой, а от остроты резонансной кривой - достижимая точность стабилизации.

Понятно, что исследователей чрезвычайно заинтересовала возможность добиться более высокой точности измерения интервалов времени при использовании не Только поглощения, но и излучения молекулами электромагнитных волн. Казалось бы, что для этого уже все есть. Ведь в волноводе молекулярных часов возбужденные молекулы аммиака самопроизвольно высвечиваются, т. е. переходят на более низкие уровни энергии и при этом испускают электромагнитное излучение с частотой 23 870 129 000 периодов в секунду. Ширина этой спектральной линии испускания действительно очень мала. Кроме того, так как волновод молекулярных часов заполнен электромагнитными колебаниями, подводимыми от генератора, и частота этих колебаний равна частоте квантов энергии, испускаемых молекулами аммиака, то в волноводе происходит индуцированное излучение возбужденных молекул аммиака, вероятность которого намного больше, чем самопроизвольного. Таким образом, этот процесс увеличивает общее число актов излучения.

---