Атомные часы

До 40-х годов XX в. приборы времени были основаны только на использовании колебаний механических осцилляторов — маятника, баланса со спиральной пружиной и кристалла кварца. У этих и других осцилляторов, имеющих макроразмеры, собственная частота колебаний в значительной степени зависит от ряда дестабилизирующих факторов (температуры, барометрического давления, степени старения материалов и т. д.). По этому они не могут обладать такой высокой стабильностью, ка кая нужна для точного измерения времени.

Эталон времени и частоты, основанный на астрономическом определении его, также оказался величиной непостоянной. Было установлено, что угловая скорость вращения Земли из меняется, в результате чего продолжительность суток в течение года может отличаться от средней их продолжительности за год на ±0,001 с. Поэтому пришлось отказаться от меры времени— секунды как основного эталона времени (1/86 400 доли солнечных суток).

В последние десятилетия развитие атомной физики и микро волновой радиоспектроскопии привело к созданию принципиально нового эталона частоты и времени на атомных постоянных, разработанного на основе изобретения молекулярных и атомных часов. Последние основаны на применении таких осцилляторов, как атом и молекула, частота колебаний которых в микромире строго стабильна и не зависит от внешних воздействий и для которых справедливы законы квантовой механики. В молекулярных часах в качестве осцилляторов используются группы молекул, в атомных часах — группы от дельных атомов. Кроме того, эти квантовомеханические приборы времени можно разделить, в зависимости от выбранного вида осциллятора, на аммиачные, цезиевые, водородные,, рубидиевые и др.

Появление и развитие этих приборов времени произвело революцию в области измерения времени. Она явилась одним из важных направлений научно-технической революции XX в.

В развитии квантовой колебательной хронометрии до наших дней можно выделить два периода, из которых начальный приходится на подготовку и создание в 1948 г.: первый — молекулярных (на аммиаке) часов, а второй падает уже на наши дни, так как именно за последние тридцать лет были созданы все модели молекулярных и атомных часов.

Первые молекулярные часы, 1948 г. В молекулах возможны такие энергетические состояния, для которых изменение энергии (Еп — Ет), входящей в уравнения Бора, настолько мало, что частоты, соответствующие этим энергетическим разностям, лежат в области миллиметровых и сантиметровых волн.

В сантиметровом диапазоне радиоволн систематические исследования начались с 1946 г., после освоения этого диапазона в результате развития радиолокации. Особенное значение для создания первых молекулярных часов имело изучение радиоспектра газообразного аммиака в области сантиметровых и миллиметровых радиоволн. В газообразном аммиаке имеет место сильное избирательное поглощение на волне 1,25 см и существует еще ряд частот, при которых оно происходит. В разреженном газе эти области поглощения настолько узки, что образуют спектральные линии поглощения. Совокупность спектральных линий дает радиоспектр газа.

В 1947 г. спектральные линии поглощения аммиака были применены для стабилизации частоты отражательного клистрона — широко распространенной электронной лампы для генерации радиоволн сантиметрового диапазона, а в 1948 г. — для создания молекулярных (аммиачных) часов. Колебания атомов в молекуле происходят с относительно меньшей частотой, поэтому их лег че было связать с механической или электрической системой, показывающей время. Этим и объясняется то, что раньше всего появились молекулярные, а не атомные часы.

Первые практические результаты, показавшие возможность создания молекулярных часов, постоянных в качестве эталона времени и частоты, были достигнуты в Национальном комитете стандартов в Вашингтоне на основе использования принципа, разработанного Гарольдом Лайонсом — сотрудником научно-исследовательской лаборатории по изучению микроволн.

Опытным путем было обнаружено, что в волноводных трубках, заполненных аммиаком при атмосферном давлении 10-2 , т. е. в сильно разреженном состоянии, на волне 1,25 см можно получать довольно узкие спектры поглощения аммиака. Впервые это явление было замечено в отношении газов в 1934 г. Клеетоном и Вильямсом (336,234—237).

Когда стало очевидным, что такой спектр поглощения может служить надежной основой для новых эталонов частоты и времени, ученые Комитета стандартов в Вашингтоне начали искать пути применения этого спектра для осуществления контроля над радиотехническим генератором, который в свою очередь мог быть использован в качестве двигателя часов.

Таким образом, была сделана попытка заменить корректирование хода кварцевых часов по астрономическим наблюдениям автоматической коррекцией по спектральной линии поглощения аммиака. Этому устройству было дано претенциозное, но не совсем точное название «атомные часы».

Квантовая система, использованная в первых молекулярных часах, состоит из газообразного аммиака NH3. Его атомы располагаются в пространстве по вершинам воображаемой трехгранной пирамиды с атомом водорода по углам ее основания и атомом азота у ее вершины. Атом азота по отношению к трем атомам водорода может занимать два крайних положения. Эти два положения молекулы отличаются знаком проекции электрического момента диполя на ось вращения молекулы, находящейся в магнитном поле. Частота, с которой атом водорода совершает свои колебания, зависит от энергии вращающихся молекул.

Собственная частота колебания молекулы аммиака 23870,14 МГц. Это соответствует длине волны 1,25 см. Следовательно, период ее колебания длится всего одну двадцатичетырех миллионную долю секунды. Эта частота в миллион раз превышает частоту осветительного переменного тока и в тысячу раз пре восходит частоты, применяемые при обычных радиовещательных передачах, приближаясь к области световых волн.

Первые молекулярные часы состояли из высокочастотного кварцевого генератора со схемой автоматической подстройки ее частоты к частоте автоколебаний опорного —в данном случае молекулярного — осциллятора. Частота сигнала подстроенного кварцевого генератора предварительно умножается на число п, чтобы она была примерно равна частоте собственных колебаний аммиака. Устройство, корректирующее частоту колебаний кварцевого генератора, именуемого дискриминатором, производит сравнение частоты генератора с собственной частотой колебаний молекул аммиака и при наличии различия этих частот вырабатывает «сигнал погрешности». Сигнал ошибки с выхода дискриминатора подается на подстроенный генератор и с по мощью особых устройств корректируется его частота колебаний таким образом, чтобы они сравнялись с частотой молекулярного осциллятора, деленной на п. В итоге получается временный сигнал, частота которого в n раз ниже частоты сигнала опорного осциллятора, а мощность значительно выше.

В конечном счете в молекулярных часах роль «маятника», т. е. устройства, отмеряющего время, играют молекулы аммиака.

Все части (агрегаты) часов размещены в стандартном шкафу, имеющем вид стеллажа. На верху двухъящичного стеллажа смонтированы синхронные часы и волновод. Последний представляет собой медную прямоугольного сечения (12,7X6,35 мм) трубку длиной 9,14 м в виде спирали. В полости волновода находится аммиачный газ в сильно разреженном состоянии. Колебания молекул в нем возбуждаются и поддерживаются действием электромагнитного поля, создаваемого задающим кварцевым генератором, имеющим частоту в 100 Гц. Эта частота предварительно умножается и усиливается посредством цепей вакуумных ламп и диодов с кристаллами кремния. Одна из гармоник часто ты кварца подается в волновод.

Если частота этого источника электромагнитных волн соответствует частоте одной из спектральных линий аммиака, т. е. линий с частотой 23 870 130 190 Гц, то в волноводе они будут усиленно поглощаться аммиаком. Наоборот, радиоволны, часто та которых отличается от этой частоты хотя бы даже на 1000 Гц, уже не будут иметь достаточного поглощения.

Когда микроволновой сигнал, полученный путем умножения и усиления частоты кварцевого генератора, будет настроен по частоте спектра поглощения, генератор блокируется с неизменной частотой спектра поглощения аммиака. Мощность радио волн, доходящая до приемника, зависит как раз от поглощения электромагнитных волн на пути к этому приемнику, и поэтому можно судить, имеют ли приходящие туда радиоволны частоту колебаний 23 870 130 190 Гц или иную.

Блок-схема молекулярных аммиачных часов показана на рис. 267. Сигнал частоты, возникающий в кварцевом генераторе А, питает цепь умножителей частоты В. Частота кварцевого генератора, умноженная несколькими ступенями в 2700 раз, т. е. до 270 МГц, смешивается с частотой 13,8 МГц, модулированной по частоте генератором пилообразных колебаний на ±0,12 МГц. Это смешивание и дальнейшее умножение в 11 раз производится с помощью клистрона Dit на выходе которого создается модулированное по частоте напряжение с частотой 2983,8±0,12 МГц. Далее это напряжение подводится к диоду с кристаллом кремния D2, создающим гармоники подводимого напряжения. Восьмая гармоника подводимого напряжения имеет частоту 23 870±0,96 МГц и подается в волновод F, где будет происходить усиленное резонансное поглощение. От этого возникает резкий импульс, который выдается после детектора, расположенного на конце волновода. Второй импульс возникает от ответвления первого умножителя напряжения с частотой в 12,7 МГц, а также от чатотно-модулированного напряжения с частотой в 13,8±0,12 МГц и снимается после смесителя и другого детектора. Оба импульса поступают к дискриминатору; на его выходе образуется напряжение постоянного тока, величина которого пропорциональна сдвигу во времени между обоими импульсами.

В зависимости от принятой схемы эти импульсы могут во времени совпадать или иметь определенную разность. В том и другом случае они служат мерой степени выравнивания умножительно-частотной цепи кварцевого генера тора с собственной частотой аммиака. Напряжение постоянного тока, пропорциональное сдвигу, подводится к реактивной лампе, автоматически управляю щей частотой кварцевого генератора. Таким образом, частота колебаний, вырабатываемых кварцевым генератором, приводится в соответствие с собственной частотой колебаний молекул аммиака.

Показанный на блок-схеме делитель частоты служит для понижения высокой частоты с помощью ряда каскадов, чтобы иметь частоту тока, равную
1 Гц, нужную для приведения в действие синхронного мотора.

Рис. 267. Блок-схема молекулярных (аммиачных) часов 1948 г.

В молекулярных аммиачных часах 1948 г. в принципе было достигнуто согласование собственных колебаний молекул аммиака с собственными колебаниями кварца. Однако для газообраз ного аммиака трудно получить ширину линии менее 100 кГц при частоте спектральной линии порядка 24 тыс. МГц. Соответствен но добротность спектральной линии

Это числовое значение добротности аммиачных часов не превосходит добротности кварцевых часов без синхронизации, что подтверждается данными сравнения параметров точности различных эталонов времени, произведенного Невшательской обсерваторией (Швейцария) в 1956 г. (см. таблицу). В таблице Aflf — нестабильность частоты, выраженная как отношение изменения частоты к номинальному значению частоты.

Таблица

Практически достигнутая точность хода аммиачных часов (2- 10-9 ) соответствует ошибке в 1 с за 230 дней. Хотя этот показатель не превосходит точности хода кварцевых часов, но все же у аммиачных часов имеется одно преимущество. Ход их остается стабильным в течение неопределенно долгого времени, в то время как у кварцевых часов с течением времени ход претерпевает изменение.

Известно, что кварцевая пластина «стареет», период ее колебания изменяется. Молекулы аммиака не стареют и своих свойств не меняют, поэтому их колебания являются надежным средством для подстройки, стабилизации и контроля кварцевого генератора. Пусть частота кварца 100 000 Гц уменьшилась на 1 колебание в секунду, тогда после умножения число колебаний станет на 238720 колебаний меньше и вследствие этого никакого поглощения радиоволн происходить не будет. Даже если колебания кварца будут иметь отклонения от заданной частоты на 1 колебание в 100 с, то эту величину можно заметить, так как в специальной части прибора — дискриминаторе — появляется «сигнал погрешности».

В первых молекулярных часах (1948 г.) не удалось полностью устранить причины, вызывающие уширение спектральных линий поглощения аммиака; особенно большое влияние на это оказывал эффект Допплера. Последний возникает из необходимости использования в качестве осциллятора не единичной молекулы аммиака, а одновременно большого их количества. Взаимодействие этих молекул (соударение) как между собой, так и со стенками прибора вызывает уширение спектральной линии и вместе с тем изменение собственной частоты колебания осциллятора. Это взаимодействие приводит к тому же эффекту, что и наличие трения в механических осцилляторах — падает добротность осциллятора и вместе с тем снижается стабильность суточного хода реальных молекулярных часов.

Если бы можно было единичную молекулу надежно связать с прибором, то она имела бы весьма стабильную частоту, не подверженную изменению под влиянием различных внешних условий. Тогда частота колебаний аммиака зависела бы только от строения и свойств молекулы, а не от влияния внешних факто ров. Часы с таким осциллятором могли бы обладать точностью хода, превышающей на несколько порядков точность хода обычных молекулярных часов.

Однако создать молекулярные часы с использованием единичной молекулы в качестве осциллятора фактически невозможно. Не найдено было и средств для эффективного уменьшения ширины спектральной линии аммиака.

Создание современных атомных и молекулярных часов. Путем создания современных атомных часов на пучке атомов и молекулярных часов на пучке молекул (вместо газообразного аммиака) удалось избежать имевшихся недостатков в молекулярных часах 1948 г. Был устранен допплеровский сдвиг частоты и уничтожено уширение спектральной линии, связанные с соударениями молекул. Атомы и молекулы в атомном молекулярном пучке практически изолированы от взаимодействия между собой и от действия на них стенки прибора. В атомных и молекулярных пучках поэтому предел разрешающей их способности ограничивается не свойствами прибора, а только шириной наблюдаемых у них спектральных линий.

Метод резонансного исследования атомов и молекул, пролетающих в вакууме в виде атомных и молекулярных пучков, стал разрабатываться в США с 1937 г. И. И. Раби. Впоследствии этот метод развивался в важную область науки, приобретшую значение и для ряда технических применений. В 1940 г. Раби и Куш получили спектральную линию поглощения редкого элемента цезия, частота которой соответствовала длине волны 3,26 см. На этой основе Куш в Комитете стандартов создает на пучке атомов цезия атомно-лучевой радиоспектроскоп.

Продолжая исследования П. Куша, И. Р. Захариас в Масса- чусетском технологическом институте разработал конструкцию атомных часов, использовав для этого элемент цезия величиной с булавочную головку. Эти исследования послужили основой для изготовления цезиевых часов, известных под названием «Атомихрона»; он стал объектом производства одной из национальных промышленных компаний США.

Л. Эссен и П. Перри в Британской физической лаборатории изготовили в 1955 г. превосходные цезиевые атомные часы для контроля частоты кварцевого генератора, образующие вместе эталон времени и частоты. С 1958 г. он был принят в качестве эталона в службе времени во всех обсерваториях мира.

Создание современных молекулярных часов на пучке молекул аммиака основывается на результатах исследований, проведенных Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым в Физическом институте АН СССР и в Колумбийском университете (США) Ч. Таунсом, Дж. Гордоном и X. Цайгером в 1954—1955 гг. Им впервые удалось получить спектральную линию индуцированного излучения и на этой основе создать генератор на пучке молекул аммиака. За эти исследования им была присуждена Нобелевская премия. До этого открытия принято было считать невозможным или исключительно трудным получить эффект индуцированного из лучения, поскольку в обычных условиях процесс поглощения радиоволн заслоняет процесс индуцированного излучения. Для по лучения такого эффекта нужно было нарушить термодинамическое равновесие и обеспечить преобладание молекул на верхнем энергетическом уровне, т. е. преобладание так называемых активных молекул. А это было связано с переходом молекул из состояний с более высокой энергией в состояние с меньшей энергией. В этом случае имеет место увеличение внешнего поля за счет излучения энергии и перехода из высшего уровня Еп на низший энергетический уровень Ет.

Для создания атомных часов, наоборот, требуется интенсивное поглощение радиоволн на определенных частотах, вызванное переходом атомов из состояний с меньшей энергией. Такой процесс приводит к уменьшению внешнего поля и носит название резонансного поглощения.

Современные устройства, применяемые для обеспечения резонансного поглощения и индуцированного излучения, известны под названием резонатора, осциллятора и генератора.

Резонатор — прибор пассивный, хотя и является неотъемлемой частью атомных и молекулярных часов. Он играет роль высокостабильного частотного дискриминатора, когда туда направлены пучки атомов или молекул и там возникает электромагнитное поле под действием задающего кварцевого генератора, а затем и взаимодействие этого поля с осциллятором — пучком атомов.

Резонатор позволяет сравнивать измеренную резонансную частоту пучка атомов, включенных в цепь автоподстройки, с частотой задающего кварцевого генератора и сохранять связь и преемственность между отдельными сравнения ми. Резонатор настраивается на работу с радиоволнами таким образом, чтобы он мог служить в качестве колебательного контура в области сверхвысоких частот. При условии настройки резонатора на определенную длину волн распространение в нем электромагнитной энергии будет происходить с незначительным затуханием. Обычный контур, состоящий из катушки самоиндукции и конденсатора, не может быть использован в области высокочастотных колебаний в качестве колебательного контура.

Осциллятор . В современных атомных и молекулярных часах в качестве осциллятора служит атомный или молекулярный (квантовый) эталон частоты. Источник эталонной частоты у атомных цезиевых, рубидиевых, таллиевых часов имеет пассивный характер, так как ход их регулируется с помощью спектральной линии поглощения при резонансном переходе соответствующих пучков атома из одного квантового состояния в другое. Источник другого типа эталонной частоты имеет активный характер, и они известны как квантовые генераторы. Из них наиболее разработаны водородный квантовый генератор на пучке атомарного водорода и молекулярный квантовый генератор на пучке молекул аммиака, наделенные способностью (эффектом) индуцированного испускания.

Для выявления собственной частоты атомов цезия используется эффект резонансного поглощения, возникающий под действием электромагнитного поля, создаваемого задающим кварцевым генератором. Эффект резонансного поглощения оказывается наибольшим при совпадении собственной частоты колебаний атома цезия и частоты переменного тока, задаваемого радиотехническим генератором, стабилизированным кварцем. Если частота магнитных колебаний далека от собственной частоты атома цезия, пучки атомов не взаимодействуют.

Собственная частота колебаний атома цезия обладает весьма высокой стабильностью и поэтому может быть использована для автоподстройки и стабилизации кварцевого генератора, частота которого под действием дестабилизирующего фактора — старения — может существенно изменяться.

Генератор . Создание генератора предполагает получение тем или иным путем молекулярной системы с преобладанием в ней так называемых активных молекул или молекул, находящихся на верхнем энергетическом уровне. Тогда можно получить систему, возбуждающую колебания вследствие эффекта индуцированного испускания. Эта задача раньше всего была решена путем построения мазера на пучке молекул аммиака NH3 . Использовав в молекулярной системе эти пучки, удалось устранить в ней ряд дестабилизирующих взаимодействий, вызываемых прежде всего эффектом Допплера.

Создание молекулярных и атомных часов является весьма сложной технической проблемой, так как при этом приходится иметь дело со сложной и недолговечной аппаратурой — электрическими лампами особого назначения, с устройствами для поддержания вакуума и температуры на определенном уровне, с необходимостью ограждения от возможных неуправляемых физико-химических реакций со стенками или с элементами монтажа.

Большим неудобством в молекулярных часах является необходимость поддержания вакуума в камере регулятора путем постоянного вымораживания аммиака и применения непрерывно действующих форвакуумных систем.

Цезиевые атомные часы. Название «атомные часы» первоначально было дано аммиачным часам 1948 г., хотя они по своей сущности были молекулярными часами. Собственно же атомные часы появились в 1955 г. Они были основаны на применении спектральной линии магнитной сверхтонкой структуры цезия и получили название цезиевых атомных часов, а в США — «Атомихрона». «Маятником» в этих часах служат атомы цезия,

Устройство атомных часов не связано с использованием атом ной энергии, т. е. с распадом атома. Эти атомы обладают малым количеством энергии по сравнению со световыми волнами. Отсюда возникла проблема—как получить сигналы из недр вещества от атома цезия без его распада. Выход из затруднения был найден благодаря использованию специфических свойств атома цезия.

Атом цезия состоит из ядра, окруженного множеством электронов, а во внешнем слое имеется только один электрон. Ядро атома цезия обладает естественным магнетизмом, магнитными свойствами обладает и электрон во внешнем его слое. От взаимной ориентации магнитных моментов, спинов ядра и электрона и зависит энергия атома цезия.

В неоднородном магнитном поле каждый атом начинает вести себя, как маленький магнит. В зависимости от взаимной ориентации между спином ядра и электрона будет меняться и характер поведения атома цезия. Когда имеет место излучение или поглощение кванта электромагнитного поля, ориентация спина изменяется на противоположную, тогда внешнее магнитное поле будет отклонять атом тоже в противоположную сторону. Для квантовой радиотехники наибольший интерес представляют такие переходы атома из одного состояния в другое, которые дают частоты, не зависящие от магнитного поля.

Используя магнитные свойства пучка атомов цезия, удалось получить эффект резонансного поглощения на основе настройки электронной цепи синхронно с собственной частотой колебания этого пучка. Так и были созданы цезиевые атомные часы.

На этом пути наибольшие трудности состояли не столько в настройке электрической цепи средствами, электроники, сколько в возможности найти эффективные средства для использования магнитных свойств атома цезия для получения эффекта резонансного поглощения. Созданию адекватной этому требованию вакуумной трубки с атомным пучком предшествовали продолжительные изыскания в ряде стран, которые завершились блестящими работами в Колумбийском университете. Эти исследования имели отношение к изучению поведения молекул и атомов в раз личных их состояниях. Л. Эссен отмечает интернациональный характер всех этих работ. Результаты их могут быть переданы простой по виду схемой (рис. 268). Эта схема лежит в основе устройства атомной лучевой трубки с атомным пучком, использованной в атомных часах в качестве резонатора. Она, будучи включена в цепь автоподстройки частоты, играет роль высокостабильного дискриминатора с эквивалентной добротностью колебательного контура 5-Ю6.

Атомно-лучевая медная трубка с глубоким вакуумом имеет длину 1524 мм; своими концами она установлена на двух пьедесталах (рис. 269). В начале трубки (см. рис. 268) помещен источник атомов цезия, расположенный в миниатюрной электрической печи /. Здесь атомы цезия находятся в состоянии нагрева (до 200o); затем они проходят через щель 2, разделенную на множество каналов. Так обеспечивается формирование весьма узкого пучка атомов цезия.

Рuc. 268. Атомно-лучевая трубка цезиевых часов

Рис. 269. Схема цезиевых атомных часов

Покидая печь, атомный пучок продолжает сохранять те же направление и скорость, какие он имел до этого, т. е. обладает обеими возможными ориентациями магнитных моментов элект ронов относительно ядер. Однако после прохождения поля маг нита 3 пучок разделяется на два: атомы, обладающие большей энергией, притягиваются северным полюсом магнита и оседают на стенки трубки, в то время как атомы с меньшей энергией, от талкиваются от северного полюса магнита 3 в направлении объемных резонаторов 4 и проходят между двумя резонаторами. Наличие двух разнесенных на некоторое расстояние резонаторов необходимо для обеспечения узкой спектральной линии пучков атомов цезия.

Если частота электромагнитных колебаний в резонаторах да лека от собственной частоты атома цезия, то атомы пучка не взаимодействуют. Частота линии цезия лежит вблизи 9192 МГц, так что необходимо возбуждать переменное магнитное поле этой частоты. Более того, если требуется разрешающая способность порядка 10-10 , то возбуждающая частота должна быть монохро- матична с точностью до 1 Гц. Для этого частота 5 МГц подстраи ваемого кварцевого генератора преобразуется в сложном преоб разователе, чтобы она была равна 9 192 631 840 Гц.

Для осуществления таких преобразований служит ряд элек тронных цепей. Сначала частота 5 МГц кварцевого генератора с помощью умножителя частоты доводится до значения 9180 МГц (5-2-3-3-3-2-17), однако с недостаточной мощностью. Мощность сигнала увеличивается в клистроне, который придает дополни тельную энергию, но с частотой 9147 МГц. Эта частота на 33 МГц отлична от первой ступени преобразования. Затем сиг нал смешивается с сигналом частоты 12 631 184 МГц, который получен от преобразования частоты 5 мГц следующим образом:

В результате такого синтеза получается новый сигнал с частотой 45,63184 МГц. После усиления и фильтрации эта частица снова усиливается в клистроне (9147 МГц), после чего получается окон чательная частота 9 192 631 840 Гц. Полученное высокочастотное напряжение, будучи модулировано по фазе напряжения с часто той 100 Гц, подается на трубку.

При совпадении частоты электромагнитных колебаний с собственной частотой цезия достигается эффект резонансного поглощения: атомы пучка поглощают кванты поля. Поле второго магнита 5 выбрано так, что оно обладает способностью собирать такие пучки атомов на детектор с поверхностной ионизацией.

Рис. 270. Острота настройки цезиевого резонанса

Последний имеет вид узкой вольфрамовой ленточки, на гретой примерно до 1000°. Когда атомы цезия попадают на поверхность раскаленного вольфрама, они отдают ему свои внешние электроны и по кидают его в виде положительных ионов. Собирая эти ионы на коллектор, окружающий детектор и включенный в схему для измерения ионного то ка, можно измерить ионный ток и количество атомов цезия, попавших на вольфрам.

Этот чрезвычайно удобный и чувствительный метод регистрации в значительной мере облегчил создание атомных часов, так как позволил по изменению величины ионного тока выявлять совпадение частоты повышенной гармоники за дающего кварцевого генератора с собственной частотой цезия. Совпадение должно быть осуществлено с точностью 1/9 000 000, для того чтобы могло иметь место резонансное поглощение и атомы цезия могли двигаться в направлении детекторов (рис. 270). Эта точность настройки была уже достигнута в пер вой модели цезиевых атомных часов. Погрешность их хода составляла всего 1 с за 300 лет.

Обратная связь с кварцевым генератором осуществляется через детектор, ионный умножитель и блок автоматической под стройки частоты. В случае ухода частоты блок вырабатывает сигнал ошибки (пропорциональный отклонению частоты гармоники задающего кварцевого генератора от частоты спектральной линии атомов цезия). Выходной вал серводвигателя поворачивается в ту или другую сторону в зависимости от фазового сдвига сигнала на умножителе относительно модулирующего напряжения. Этот сдвиг определяется величиной и знаком ухода кварцевого регулятора относительно частоты цезия. Вместе с поворотом вала серводвигателя поворачивается в ту или другую сторону ротор регулятора, корректирующего частоту кварцевого генератора вплоть до точного совпадения частоты на выходе преобразователя с частотой собственных колебаний цезия. Корректировка частоты кварцевого генератора происходит так, чтобы сиг нал ошибки стал возможно минимальным. Чувствительность блока автоматической подстройки такова, что отклонение умноженной частоты кварца от заданного значения на одну миллиардную, т. е. на 10 Гц, уже может быть замечено и легко исправлено автоматически, а при особых мерах можно достичь точности в 10 раз большей.

Построенные английскими учеными Л. Эссеном и Д. Перри цезиевые атомные часы работают в службе времени с 1958 г. Они применяются для периодического контроля частоты группы кварцевых часов, образующих английский эталон частоты и времени. Наибольшая же стабильность частоты, которая достигнута в на стоящее время в цезиевых часах, имеет порядок 3-10-12.

Частоту кварцевого генератора можно делить обычным путем и получить низкочастотный сигнал для управления индикаторным или исполнительным устройством.

Принципиальная схема атомных часов «Атомихрон» (рис.271), созданных в США, в принципе не отличается от схемы цезиевых часов, но они имеют иное конструктивное выполнение. Исследовательская и конструкторская работа по усовершенствованию атомных часов в настоящее время сводится к дальнейшему повышению точности их хода и к созданию переносных малогабаритных атомных часов.

Наиболее перспективными в этом отношении являются не «Атомихрон», а новые модели атомных часов, появившихся в последнее время. По свидетельству Бернарда Каньяна, точность хода рубидиевых часов измеряется величиной 10-10 . «Чтобы обнаружить атомный переход рубидия, в этих новых часах использована техника оптической накачки, разработанная во Франции Кастнером и Бросселем. «Атомихрон» занимает целый шкаф, а рубидиевые часы, благодаря новым техническим устройствам и успехам миниатюризации, размещаются в небольшом чемодане».

Водородный мазер. Получить квантовый генератор (мазер) на атомном пучке долго не удавалось. Поэтому большой интерес представляет осуществление водородного мазера, в котором используется пучок атомов водорода. Впервые он был разработан в Гарвардском университете (США) в 1960 г. Гольденбергом, Клеппером и Рамзаем. Первый образец водородного мазера Н-1 был создан Швейцарской исследовательской лабораторией (ZSRH) в 1961 г. В результате его усовершенствования в 1965 г. был изготовлен второй мазер Н-2, а в 1966 г. — третий образец водородного мазера Н-3. Эти атомные часы считаются весьма перспективными для применения их в качестве эталона единицы времени. Потенциальные возможности мазера изучаются многими лабораториями мира.

Водородная линия, на которой работает мазер, принадлежит к тому же классу (так называемых сверхтонких линий), к кото рым относится и спектральная линия цезиевых часов. Однако частота водородной линии меньше, она равна 1420, 40577 МГц. По своим магнитным свойствам атомы водорода близки к атомам цезия или к атомам щелочных металлов. Они обладают эффективным магнитным моментом, проекция которого может иметь два противоположных знака в зависимости от состояния водорода, и поддаются сортировке в неравномерном магнитном поле. Количество атомов, находящихся в этих двух состояниях, разбивается в атомном пучке почти поровну, причем активных атомов или атомов с более высокой энергией несколько меньше. Задачей магнитного сепаратора является выделение этих последних. Магнитная трубка сепаратора устроена по аналогии с квадрупольным конденсатором так, чтобы активные атомы направлялись по оси прямо в резонатор, а остальные рассеивались.

Рис. 271. Внешний вид атомных часов «Атомихрон»

После сортировки на верхнем сверхтонком уровне атомный пучок вводится в колбу из кварцевого стекла, помещенную в резонатор, настроенный на основную частоту спектральной линии водорода. Внутри колбы, куда попадает атомный пучок, поддерживается высокий вакуум. Внутренняя поверхность колбы покрывается инертным веществом — политетрафторэтиленом. Это высокомолекулярное вещество имеет то свойство, что при взаимодействии с ним атомы водорода, не меняя энергетического состояния, могут изменять траектории своего движения. Каждый атом водорода совершает множество столкновений со стенками, поэтому время пролета в резонаторе соответственно удлиняется. Таким образом, атомы движутся по случайным направлениям внутри колбы до тех пор, пока не излучат квант электромагнит ной энергии и не вылетят из колбы и из резонатора. В нормальных условиях при переходе атомов на более низкий энергетический уровень выделяется достаточно энергии для поддержания в резонаторе стабильных колебаний на основной частоте спектральной линии водорода.

Благодаря тому, что на стенках колбы имеется покрытие, происходит небольшой сдвиг частоты, но требуется принимать меры для обеспечения постоянства магнитного поля и точной на стройки объемного резонатора. Эти трудности постепенно были преодолены. В последних швейцарских образцах водородного мазера осуществлен ряд усовершенствований, которые сводились в основном к улучшению магнитного экрана и повышению эффективности термостатирования. Магнитный экран состоит из шести концентричных цилиндров измуметалла, а температура рабочей зоны контролируется пятью термостатами. В швейцарских образцах мазера в настоящее время достигнута нестабильность частоты порядка 1-10-13.

Действительная частота спектральной линии цезия и водорода слишком высокая, и измерить ее непосредственно нельзя. Линия используется для контролирования частоты кварцевого осциллятора. В системе водородного мазера применен кварцевый резонатор с частотой 5001, 428 МГц.

В качестве базы единицы времени, по свидетельству Л. Эс сена, принят цезиевый эталон с атомно-лучевой трубкой; потенциальным эталоном является водородный мазер, а рабочим — рубидиевый элемент.

Рубидиевые мазеры с «оптической накачкой» предложены в 1956 г. Д. Карвером. На их основе созданы атомные часы, обычно называемые эталонами с газовым осциллятором. Атомный пар —• в этом случае рубидиевый — заключают в небольшую кварцевую камеру диаметром около 5 см. Камера содержит также инертный газ под давлением 10 мм рт. ст. Этот буферный газ не допускает расширения спектральной линии из-за допплеровского эффекта и столкновений и увеличивает продолжительность за данного состояния атомов. Камера освещается рубидиевой лам пой, которая увеличивает плотность атомов на верхнем сверх тонком уровне вследствие процесса, известного под названием «оптической накачки». При дополнительном освещении камеры радиоволнами линейной частоты создаются переходы к низкому сверхтонкому уровню; тогда света поглощается больше, вследствие чего уменьшается количество света, прошедшего через колбу. Уменьшение переданного света используется для индикации, или оптического управления, резонансным состоянием и кварцевым осциллятором. Между кварцевым генератором и спектральной линией атомов рубидия, как и в цезиевых часах, имеется до вольно сложный частотный преобразователь. Инертный газ создает нежелательный эффект — сдвиг частоты, который зависит от давления газа и точно рассчитать который трудно. Поэтому окончательную регулировку частоты приходится производить по цезиевому эталону путем изменения магнитного поля, в котором находится камера.

Для предотвращения ухода частоты от действия магнитных полей в одном из патентов, выданных недавно во Франции, предусмотрена система, основанная на смешении двух типов различных элементов. В резонаторный баллон, например, помещают смесь рубидия и цезия. В этом случае элементом, задающим частоту, является цезий. Резонансный баллон часов при этом защищен от влияния внешних магнитных полей, а внутри баллона строго поддерживается поле заданного напряжения, что позволяет значительно повысить стабильность частоты.

Рубидиевый мазер послужил основой для создания сравнительно малогабаритных переносных атомных часов и портативных датчиков времени высокой частоты.

Рубидиевые мазеры с оптическим управлением дают стабильность порядка 10 -1 1 и могут быть созданы в габаритах, пригодных для авиации.

Мазер с оптическим управлением. Весьма перспективным для создания малогабаритных переносных атомных часов является мазер с оптическим световым управлением (рис. 272). Свет от натриевой лампы 1 фокусируется оптической системой 2 и про пускается через кварцевую колбу 4, изнутри покрытую высоко молекулярным парафином и содержащую пары натрия в смеси с аргоном; последний служит в качестве буферного газа. Атомная ячейка помещается в настроенный объемный резонатор 3, в который подаются электромагнитные колебания через входной волновод 6. Весь резонатор 3 находится в печи 7, создающей температуру, необходимую для испарения натрия. Фотоэлемент 5 регистрирует изменения в интенсивности света и управляет соответствующим образом частотой кварцевого генератора, уменьшая ее отклонение. Частота сиг нала кварцевого генера тора делится обычным образом, и сигналы с выхода делителя управляют индикаторным устройством.

Подобные регуляторы обеспечивают точность по рядка 1-10-10 относительных единиц. В настоящее время выпускаются миниатюрные мазеры объемом до 3 дм3.

Атомные часы на пучке таллия. Не менее перспективным является создание наряду с часами цезиевыми, водородными, рубидиевыми также и часов на атомном пучке таллия. Первый, кто указал еще в 1957 г. на то, что часы на пучке таллия могут обладать рядом преимуществ даже по сравнению с цезиевыми часами, был профессор П. Куш (США). Опыты, проведенные в этом направлении за последние шесть лет, оказались до вольно успешными. В 1962 г. Вонаноми были созданы часы на пучке таллия в Невшательской обсерватории. Несколькими месяцами позже таллиевые атомные часы были установлены и при ведены в действие Р. Бехлером и Д. Газе в Национальном бюро стандартов (США). А совсем недавно Р. Лицею удалось разработать специальную малогабаритную атомно-лучевую трубку с таллиевым атомным пучком, на основе которого фирмой «Гаулетт паккард» созданы портативные таллиевые часы.

Рис. 272. Схема мазера с оптическим световым управлением

Таллий может быть использован в атомно-лучевых трубках с пучком этого элемента таким же образом, как цезий, но по сравнению с ним имеет ряд преимуществ: относительная чувствительность таллия к воздействию магнитного поля при переходе с основного энергетического уровня на другой в 48 раз меньше, чем у цезия. Предполагают, что при известном совершенстве резонаторного устройства в таллиевых часах можно получить более высокую долговременную стабильность частоты, чем та, которая достигнута в цезиевых часах и даже в водородных мазерах. Это подтверждается тем, что уже в первых, еще недостаточно совершенных экспериментальных образцах таллиевых часов достиг нута точность, не уступающая точности лучших цезиевых часов и водородных мазеров.

Молекулярный мазер на пучке аммиака. Развитие техники мазера началось с 1953 г. и раньше всего— на использовании пучка молекул аммиака. Мазер подобного типа был изобретен, как уже отмечалось, в Колумбийском университете Ч. Таунсом и независимо от него Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым в Физическом институте АН СССР. Таунс вместе с Дж. Гордоном и X. Цайгером в 1953 г, детально изучали характеристики частот ных колебаний мазера на пучке аммиака.

Рис. 273. Схема молекулярного (аммиачного) генератора «Мазер»

Первая работающая модель молекулярных часов на пучке аммиака была создана в швейцарской лаборатории ZSRH в 1956 г. с относительной точностью порядка 10~9. Эти часы бы ли на 250 электронных лампах, весили 370 кг и имели довольно большие размеры. В 1960 г. эта швейцарская лаборатория на новых образцах часов довела их до стабильности 10-11 в то время как в молекулярных аммиачных часах 1948 г. долговременная стабильность была лишь порядка 1-10-7 в первой модели и 2-10- 8 во второй. Но при всем старании и несмотря на интенсивные исследования в этой области, продолжавшиеся в Швейцарии, США, СССР, Японии, до сих пор не удалось полностью устранить имеющиеся трудности в эксплуатации этих мазеров; теперь стало очевидным, что водородный мазер обладает рядом крупных преимуществ по сравнению с аммиачным мазером и может успешно с ним соперничать.

Молекулярный мазер на пучке аммиака до настоящего времени имел малый срок непрерывной работы (в основном это срок зарастания диафрагмы кристаллами аммиака). Поэтому применять его в схемах непрерывно работающих часов было затруднительно и их применяли в качестве реперов частоты, т. е. для контроля за изменением частоты регуляторов кварцевых часов.

Молекулярные часы «Мазер» (рис. 273) состоят из источника аммиака 1 с жиклером 2, диафрагмы 3, «ловушки» 4, резонатора 5, волновода 6. Аммиак тщательно очищенный и обезвреженный, находится в резервуаре при комнатной температуре. Посредством крана с градуированной шкалой давление газа в источнике может регулироваться в пределах 1,3- (10_s—10-4 ) Па. Газ поступает в жиклер, представляющий собой отверстие, перекрытое металлической сеткой 3 с ячейками диаметром 0,1 мм. Через сечение жиклера в секунду проходит 1018 молекул аммиака. Газообразный аммиак подается через жиклер узким пучком посредством тонкого вводного канала (капилляра). Для этого потока молекул не требуется применять печку, как в цезиевых часах.

Молекула аммиака в разных состояниях обладает разными энергетическими уровнями, поэтому посредством электрических полей можно управлять пучком, производить сепарацию и фокусировку молекул путем создания фокусирующего устройства в виде квадрупольного конденсатора 4- Он выполнен из 12 параллельных металлических стержнях толщиной 1 мм и длиной 200—300 мм, закрепленных концами в двух металлических цилиндрах: один из них имеет положительный, другой — отрицательный статический заряд. Шесть стержней через один заряжены положительно, а шесть — отрицательно. Внутри этого устройства образуется неоднородное электрическое поле, с помощью которого производится отбор молекул аммиака одного направления и рассеивание молекул другого направления. Такой отбор возможен потому, что молекулы аммиака отличаются знаком электрической поляризуемости, благодаря чему молекулярный пучок можно разделить на два пучка, разнородных по составу. Молекулы, обладающие свойством излучать, фокусируются вдоль оси цилиндра, где напряженность поля практически равна нулю, а молекулы с обратным свойством удаляются в «ловушку». Молекулы на выходе фокусирующего устройства, или квадрупольного конденсатора, обладают избыточной энергией. «Ловушка» представляет собой сосуд Дьюара в виде полого цилиндра, окружающего фокусирующее устройство. Благодаря применению жиклера и вакуумной камеры с электростатическим фокусированием молекул в основном одного направления достигается упорядоченное движение молекул аммиака и заметное уменьшение ширины спектральной линии молекул аммиака (с 200 до б кГц).

Все части установки, где распространяется пучок молекул аммиака, находятся под глубоким вакуумом.

Пройдя через фокусирующее устройство, или длинную электрическую линзу, молекулярный пучок попадает в полый резонатор, куда излучаются радиоволны со стандартной часто той 23 870 МГц. Резонатор выполняется в виде отрезка прямо угольной трубы со стенками, обладающими хорошей электропроводностью в расчете на частоту соответствующей спектральной линии аммиака со стандартной частотой, указанной выше. Он изготовляется из инвара и всегда термостатирован. Здесь поддерживается температура с точностью до сотой доли градуса. Поток молекул аммиака, попадая в резонатор, сразу же вступает во взаимодействие с ею переменным электромагнитным полем. Возбужденный резонатор, действуя электромагнитным полем на влетающие молекулы пучка аммиака, индуцирует излучение, и по мере того как оно усиливается, возбуждение резонатора также усиливается. Обратное воздействие резонатора на молекулы играет роль обратной связи, необходимой для всякого генерирования, чтобы могли совершиться автоколебания. Поток молекул оказывает постоянное воздействие на эту автоколебательную систему, подобную, по удачному сравнению профессора Л. Л. Мясникова, «действию смычка на скрипку, струи воздуха на свисток или электрической бата реи в ламповом генераторе».

В 1959 г. в одной из швейцарских лабораторий были проведены исследовательские работы по сравнительному изучению работы атомных цезиевых часов и молекулярных часов «Мазер». Выводы, полученные в результате этих исследований, имели практическое значение. В цезиевых атомных часах уда лось усовершенствовать конструкцию атомно-лучевой трубки, что позволило довести стабильность частоты в этих часах до 3-10-11. Опытами подтверждена воспроизводимость этой вели чины. В этой же лаборатории была измерена ширина спектральной линии аммиачного эталона. Установлено, что наилучшие результаты дает применение вместо обычного аммиака NH3 его изотопа N15 H31 . Собственная частота эталона «Мазер» из меряется с точностью 3- 10-11 .

Практический опыт создания и эксплуатации атомных часов показывает, что теперь наибольшее значение для точного измерения времени получили атомные часы с применением пучка цезия, водородные часы, в которых используется эффект мазера, и рубидиевые часы (либо с газовым осциллятором, либо с оптическим управлением). Мазеры на пучке аммиака имеют меньшее распространение. Мазеры с оптическим управлением являются новым типом мазеров. Регулятор этого типа открывает новые возможности для создания как сравнительно мало габаритных переносных атомных часов, так и портативных датчиков времени высокой точности.

Дальнейшее повышение точности атомных часов предполагается осуществить за счет усиления сигнала по сравнению с шумами помех. Перспективным в этом отношении считается применение атомных пучков повышенной плотности и применение для этого метода оптической подкачки, или «двойного резонанса», путем создания среды с оптимальной температурой и защищенной от влияния магнитного поля и химически активных газов.

В настоящее время наибольшую нестабильность (порядка 10~13) имеют водородные часы. Резонансные частоты водородных, рубидиевых и цезиевых часов равны 1420, 6835 и 9193 МГц. Объем современных атомных часов (в той же последовательности) составляет: 0,4; 0,015 и 0,04 м3, масса —350, 20, 30 кг,
потребляемая мощность — 200, 40 и 60 Вт.

Предельно возможная точность современных атомных часов—порядка 10-23 с.