 |
Квантовых генераторов и дискриминаторов
|
|
|
|
Важнейшим свойством каждой микрочастицы (атома или молекулы) является ее внутренняя энергия, которая в соответствии с законами квантовой механики может принимать одно из возможных значений, составляющих ее энергетический спектр. При взаимодействии микрочастиц с внешним электромагнитным полем будут происходить индуцированные переходы с одного энергетического уровня 
на другой 
. Подобные переходы возможны только в том случае, когда выполняется правило частот, т. е.
, (4.1)
где 
– частота внешнего электромагнитного поля; 
– постоянная Планка.
Соотношение (4.1) описывает набор частот электромагнитного поля, которое может излучать или поглощать данная микрочастица, т. е. свойственный ей
набор спектральных линий. Реально наблюдаемые спектральные линии излучения или поглощения имеют форму резонансных кривых, а не бесконечно узких линий, как это следует из (4.1). Поскольку точность определения значения частоты зависит от ширины спектральной линии, рассмотрим причины, вызывающие ее «уширение».
Прежде всего, отметим конечность времени пребывания частицы на данном энергетическом уровне, с которого она может спонтанно перейти на другой даже при отсутствии внешних электромагнитных полей. Конечная (естественная) ширина спектральных линий 
обусловлена соотношением неопределенности Гейзенберга. Если время жизни микрочастицы на данном уровне равно 
, то неопределенность значения ее энергии 
составит 
. Подставив в формулу (4.1), получим 
. Спонтанное излучение в диапазоне СВЧ незначительно, поэтому вклад естественной ширины в полную ширину спектральной линии пренебрежимо мал по сравнению с другими факторами.
Основными из них являются следующие [12].
|
|
|
Взаимодействие частиц друг с другом. Так, например, в газе из-за столкновения атомов энергия их изменяется, причем у разных атомов по-разному. Следствием этого является «размытость» энергетических уровней всей системы как единого целого. Естественно, что чем больше давление газа, тем шире будет спектральная линия.
Соударения микрочастиц со стенками объема, в котором происходит их взаимодействие с электромагнитным полем.
Конечное время взаимодействия атомов или молекул с внешним электромагнитным полем 
в данном случае эквивалентно длительности наблюдения, вызывая ошибку в измерении частоты, пропорциональную 
.
Внешние электрические и магнитные поля могут не только изменять внутреннюю энергию микрочастиц, но и вызывать появление новых энергетических уровней, отсутствующих при отсутствии этих полей (эффекты Зеемана и Штарка). Если внешнее поле неоднородно, то отдельные спектральные линии каждой микрочастицы дадут широкую резонансную кривую их совокупности.
Доплеровское смещение частоты, зависящее от величины и направления скорости движения микрочастицы относительно источника или приемника СВЧ поля. Хаотичность теплового движениячастиц приводит к расширению спектральной линии, пропорциональному квадратному корню из абсолютной температуры.
Эффект насыщения, обусловленный тем, что при приближении к частоте квантового перехода будет происходить обеднение «населенности» энергетического уровня, с которого осуществляются переходы. Следствием этого будет уплощение вершины спектральной линии.
Естественно, что все перечисленные явления должны учитываться при построении квантовых устройств с целью минимизации их влияния на ширину спектральной линии.
В настоящее время при построении КСЧ используются два класса квантовых приборов. К первому классу относятся активные приборы (квантовые генераторы), в которых СВЧ-колебания возникают и поддерживаются за счет вынужденного индуцированного излучения атомов и молекул при переходе с верхних энергетических уровней на нижние. По существу это автогенераторы с самовозбуждением.
|
|
|
Ко второму классу относятся пассивные приборы, принцип действия которых основан на резонансном взаимодействии микрочастиц с СВЧ-полем. В них выходной сигнал пропорционален числу частиц, совершивших квантовые переходы под действием внешнего электромагнитного поля, т. е. близости частоты поля к частоте спектральной линии квантового перехода. Таким образом, приборы этого класса являются частотными детекторами или квантовыми дискриминаторами.
К наиболее распространенным квантовым генераторам относятся квантовый генератор на пучке атомов водорода, молекулярный генератор на пучке молекул аммиака и генератор с оптической накачкой паров рубидия. Эти генераторы обладают относительной кратковременной и долговременной нестабильностями частоты до 
, но генерируют сигналы чрезвычайно малой мощности 
Вт.
Принцип действия квантовых генераторов рассмотрим на примере генератора на пучке атомов водорода, используемого при построении КСЧ, обладающих минимальной относительной нестабильностью частоты. Частота спектральной линии генератора, измеренная по цезиевому эталону, составляет 1 420 405 751.7860 ± 0.0046 Гц.
На рис. 4.1 представлена упрощенная конструкция водородного генератора. Основными элементами генератора являются очиститель 1, источник атомарного водорода 2, коллиматор 3, сортирующая система 4, резонатор 5 с накопительной колбой 6, многослойный магнитный экран 7, система вакуумирования 8.
Очиститель предназначен для очистки водорода от примесей. Принцип его работы основан на селективном пропускании молекул водорода через тонкие стенки нагретой свернутой в спираль трубки из никеля или палладия. Регулируя температуру очистителя, можно управлять плотностью молекулярного потока.
|
= 200…300 МГц) происходит диссоциация молекул в атомарный водород. В торцевой части камеры диссоциации установлен коллиматор, формирующий направленный узкий пучок атомов водорода. Коллиматор представляет собой стеклянный цилиндр длиной 1…1.5 мм и диаметром 1 мм, внутри которого имеется несколько сотен каналов диаметром 50 мкм.|
|
|
Производительность типичного источника атомарного водорода состав-ляет 
… 
атомов/с при давлении 10…30 Па.
В сортирующей системе происходит пространственное разделение атомов водорода по энергетическим уровням. Принцип действия сортирующей системы основан на эффекте Зеемана, свойственном микрочастицам (в том числе и атомам водорода), обладающим магнитным дипольным моментом. Сортирующая система выполнена в виде цилиндрического многополюсного магнита. Напряженность магнитного поля вдоль оси цилиндра близка к нулю и возрастает по мере удаления от нее. Вследствие эффекта Зеемана атомы водорода, находящиеся на верхнем энергетическом уровне, стремятся выйти из области сильного поля и смещаются к оси сортирующего магнита, а атомы, находящиеся на нижнем, стремятся войти в область сильного поля, т. е. удаляются от оси. Таким образом, сортирующая система позволяет не только выделить атомы, находящиеся на верхнем энергетическом уровне, но и осуществить их дополнительную фокусировку в виде узкого пучка.
Сформированный атомарный пучок попадает в цилиндрический резонатор, внутри которого расположена шарообразная кварцевая накопительная колба с малым входным отверстием, на которое и направлен пучок. В накопительной колбе атомы, находящиеся на верхнем энергетическом уровне, за счет спонтанного излучения возбуждают поле в резонаторе. Возникающее в резонаторе, настроенном на частоту квантового перехода, электромагнитное поле в свою очередь вызывает индуцированные переходы, приводящие к увеличению вызвавшего их поля. При этом населенность верхнего уровня уменьшается, а нижнего возрастает, что приводит к росту индуцированного поглощения. Процесс нарастания интенсивности колебаний в резонаторе прекращается, когда разница между энергиями за счет индуцированных излучения и поглощения становится равной энергии, отводимой из резонатора.
|
|
|
К конструктивным особенностям водородного генератора, позволяющим уменьшить влияние на ширину спектральной линии отмеченных ранее факторов, относятся следующие.
Использование двухкамерной конструкции вакуумной системы с раздельной откачкой из областей сортирующей системы и накопительной колбы. При этом в области накопительной колбы создается давление порядка 
Па, что уменьшает вероятность соударений атомов друг с другом.
Покрытие внутренней поверхности накопительной колбытефлоном, молекулы которого слабо взаимодействуют с атомами водорода. Поэтому при многократном числе соударений атома со стенками колбы его энергия практически не изменяется.
Малая площадь входного отверстия 
накопительной колбы по сравнению с площадью ее поперечного сечения 
. Этоприводит к тому, что атомы покидают пространство взаимодействия после 
соударений со стенками колбы, а время взаимодействия атомов с СВЧ-полем 
, где 
– среднее время пролета атома между двумя соударениями со стенками, достигает 3…5 с.
Использование многослойных экранов позволяет уменьшить влияние внешних магнитных полей.
Ограничение длины пробега атомов внутри накопительной колбы достигается тем, что ее диаметр делается меньше, чем длина волны индуцированного излучения. Поэтому за время взаимодействия каждый из атомов многократно изменит направление своего движения, а влияние эффекта Допплера в первом приближении будет эквивалентно частотной модуляции случайным сигналом при малом индексе модуляции. Спектральная линия системы атомов в этом случае будет представлять собой узкую резонансную кривую на плоском относительно широком пьедестале.
К пассивным квантовым приборам относятся атомно-лучевые трубки (АЛТ) с пучками атомов цезия, рубидия, таллия, кальция, магния и газовые ячейки на парах рубидия, натрия и цезия. Принцип работы и особенности конструкции квантового дискриминатора рассмотрим на примере АЛТ на пучке атомов цезия.
Упрощенная конструкция АЛТ представлена на рис. 4.2. В ее состав входят источник пучка 1 с коллиматором 2, отклоняющие магниты 3 и 6, П-образный резонатор 5, детектор атомного пучка 7, экранированная область постоянного магнитного поля 4.
|
Источник пучка атомов цезия представляет собой камеру, содержащую цезий в количестве, необходимом для всего срока эксплуатации трубки. Давление паров цезия в камере определяет производительность источника и резко зависит от температуры. Температура в камере близка к 
, а ее постоянство обеспечивается устройством термостатирования. Коллиматор выполнен в виде системы узких щелей, что обеспечивает прямоугольное сечение формируемого пучка, необходимое для эффективной работы детектора. В промышленных АЛТ производительность источника обычно составляет 
. 
атомов/c и 
. – в метрологических.
|
|
|
Отклоняющая система 3 и 6 обычно выполняется в виде двухполюсного магнита, создающего неоднородное магнитное поле с постоянным градиентом, что необходимо для сохранения формы поперечного сечения отсортированного пучка. В отклоняющем магните 3 вследствие эффекта Зеемана атомы цезия, находящиеся на верхнем энергетическом уровне, направляются в резонатор (траектория 
), а на нижнем (
) – удаляются из пространства взаимодействия с СВЧ-полем.
В П-образном резонаторе (резонаторе Рамзея) происходит двукратное взаимодействие атомарного пучка с СВЧ-полем, в результате которого значительная часть атомов цезия за счет индуцированного излучения переходит на нижний энергетический уровень. Эти атомы после прохождения второго отклоняющего магнита 6 попадают в детектор атомного пучка.
При отсутствии поля в резонаторе происходит только спонтанное излучение, и число атомов, попадающих в детектор, минимально. При наличии СВЧ-поля за счет индуцированного излучения число переходов возрастает и достигает максимума при равенстве частоты СВЧ-поля частоте используемой спектральной линии.
Постоянное магнитное поле в пространстве взаимодействия 4 позволяет исключить влияние соседних сверхтонких уровней основного состояния атомов цезия, вызванных эффектом Зеемана.
Простейший детектор атомного пучка состоит из ионизатора и коллектора. Ионизатор представляет собой тонкую (0.01…0.02 мм) нагретую до температуры 1000…1200 
пластинку, изготовленную из платины, иридия или вольфрама. Поскольку потенциал ионизации атомов цезия меньше работы выхода материала ионизатора, атомы цезия, попадая на раскаленный ионизатор, отдают ему валентный электрон и под действием ускоряющего поля между ионизатором и коллектором создают ток в выходной цепи АЛТ 
А.
Таким образом, выходной сигнал квантового дискриминатора максимален при равенстве частоты СВЧ-поля частоте используемой спектральной линии и резко уменьшается при нарушении этого равенства.
АЛТ на пучке атомов цезия по своему назначению делятся на метрологические, используемые в национальных метрологических службах, и промышленные. Первые должны обеспечить предельно высокую точность измерений и возможность учесть и прокалибровать все параметры, влияющие на частоту и ширину спектральной линии, а вторые – обладать лучшими массогабаритными, стоимостными и эксплуатационными параметрами при незначительном ухудшении точностных характеристик. Сказанное приводит к некоторым отличиям в используемых технических решениях.
Для предотвращения столкновений атомов, приводящих к изменению их энергии и расфокусировке пучка, давление внутри АЛТ поддерживается на уровне 
Па. В метрологических АЛТ это достигается с помощью непрерывной откачки, а в промышленных – размещением внутри АЛТ графитового поглотителя.
Увеличение времени взаимодействия атомов сСВЧ-полем при сохранении его однородности обеспечивается использованием П-образного резонатора. В данном случае 
пропорционально расстоянию между областями взаимодействия, т. е. плечами резонатора. У метрологических АЛТ оно близко к 4 м, а у промышленных – на порядок меньше.
Для ослабления влияния эффекта Допплера в обоих случаях оси плеч резонатора Рамзея должны быть строго перпендикулярны направлению скорости атомарного пучка.
Детектор атомного пучка метрологической АЛТ помимо указанных ранее элементов содержит также масспектрометр и электронный умножитель. Масспектрометр позволяет очистить пучок атомов цезия от примесей металлов, содержащихся в ионизаторе, и направить его на вход усилителя, а усилитель – повышает уровень сигнала на выходе АЛТ.
|
|
|
