Главная Измерительная установка - комплекс средств измерений



7.5. Стабилизация частоты электромагнитных колебстий

для стабилизации частоты электромагнитных колебаний.

Явление энергетического перехода атомов (молекул) с одного энергетического уровня на другой связано с переориентацией магнитного момента электронов (атомов). Рассмотрим это на примере переориентации магнитного момента электрона. Электроны и ядра атомов являются частицами с магнитными моментами. Электрон как гироскоп прецессирует вокруг оси, которая совпадает с направлением поля ядра атома. Возможны две ориентации магнитного момента электрона: по направлению магнитного поля ядра атома и против поля. Частота гиромагнитной прецессии электрона (ларморовская частота) определяется выражением

Сйпре = ЦэНя/Р, (7.82)

где рэ - магнитный момент электрона; Ня - напряженность магнитного поля в месте нахож,цения электрона; Р - механический вращательный момент электрона.

При возникновении внешнего электромагнитного поля, магнитная составляющая которого параллельна магнитному полю ядра, изменяется расположение магнитного момента электрона по отношению к магнитному полю ядра. Изменение это тем больше, чем ближе частота внешнего электромагнитного поля к частоте гиромагнитной прецессии сОпре. В момент равенства частоты внешнего электромагнитного поля частоте происходит переориентация магнитного момента электрона, которая вызывает излучение или поглощение (в зависимости от характера первоначальной ориентации магнитного момента электрона) электромагнитной энергии атомом, т. е. происходит переход его с одного энергетического уровня на другой.

Частота излучения (поглощения) определяется выражением

cu = (£2-£i)A, (7.83)

г,це h - постоянная Планка.

Так как в (7.83) составляющие £j и строго постоянные величины, то частота га-лучения (поглощения) является высокостабильной.

Рассмотренный мето.ц получения высокостабильных электромагнитных колебаний позволил к настоящему времени создать два класса приборов, использующих процессы обмена энергии в атомах и молекулах. К первому классу относятся активные приборы, в которых колебания возникают и поддерживаются за счет вынужденного индуцированного излучения атомов и молекул

при переходах их из высшего энергетического состояния в низшее. Фактически это генераторы с самовозбуждением (автогенераторы). Их еще назьгаают квантовыми генераторами.

Ко второму классу относятся пассивные приборы, которые основаны на использовании резонансного индуцированного поглощения. Фактически это резонансные системы с высокой добротностью, реагирующие на внешние воздействия путем поглощения энергии, причем процесс поглощения энергии носит резонансный характер, что позволяет использовать эти устройства в качестве резонансных (колебательных) систем в частотных дискриминаторах различных схем.

Активные приборы (квантовые генераторы). К известным квантовым генераторам (активным приборам) относятся молекулярный генератор на пучке молекул аммиака или других молекул (на формальдегиде, синильной кислоте, цианистом водороде), квантовый водородный генератор, генератор с оптической накачкой паров рубидия (рубидиевый квантовый генератор). Эти генераторы обладают высокой кратковременной и долговременной стабильностями частоты (до 10"" - 10"*), генерируют сравнительно малые мощности (Ю"*-10"* Вт).

Рассмотрим принцип действия наиболее распространенных молекулярного аммиачного генератора, атомного водородного и рубидиевого квантового генератора.

Квантовый генератор на пучках молекул аммиака (молекулярный генератор). Принцип работы молекулярного генератора заключается в следующем (рис. 7.51). Молекулы аммиака при низком давлении (десятки Паскалей) поступают из баллона 1 в источник пучка 2. Для получения пучка молекул, движущихся параллельно в продольном направлении, молекулы аммиака пропускаются через устройство с большим числом узких параллельно направленных каналов. Под воздействием специального электрического поля, создаваемого с помощью сортирующей системы 3, отсортировьгааются молекулы, находящиеся на нижнем энергетическом уровне. Процесс сортировки происходит следующим образом. Вследствие влияния эффекта Штарка молекулы аммиака, находящиеся в верхнем энергетическом состоянии, стремятся выйти из сильного электрического поля и смещаются к оси сортирующей системы, а молекулы аммиака, находящиеся в нижнем энергетическом состоянии, стремятся войти в область сильного электрического поля, т. е. удаляются от оси системы. В результате обеспечивается не



только сортировка, но и фокусировка пучка молекул аммиака.

Сформированный таким образом пучок поступает в резонатор 5, настроенный на частоту используемого энергетического перехода.

Молекулы, находящиеся в верхнем энергетическом состоянии, попадая в резонатор, самопроизвольно совершают переход на нижний уровень, излучая кванты энергии и возбуждая тем самым резонатор. Такое излучение называется спонтанным и объясняется законом сохранения энергии при взаимодействии квантовых систем с электромагнитным полем (теория излучения, созданная Эйнштейном).

Первоначально возбужденное электромагнитное поле в резонаторе оказьшается слабым, так как спонтанный переход моле-. кул на нижний энергетический уровень носит случайный характер. Однако это поле резонатора в свою очередь воздействует на молекулы аммиака в пучке, вызывая индуцированные переходы молекул, т. е. наблюдается положительная обратная связь. Это приводит к дальнейшему увеличению поля в резонаторе. Процесс нарастания интенсивности колебаний будет продолжаться до момента насьшхения, когда интенсивность поля в резонаторе достигнет уровня, при котором в период прохождения резонатора поле будет вызьшать не только индуцированные, но и обратные переходы, связанные с поглощением электромагнитной энергии. Дальнейшее нарастание амплитуды колебаний прекращается, т. е. устанавливается стационарный режим колебаний. Сигнал СВЧ колебаний от резонатора поступает на волноводный выход 4.

Для предотвращения разрушения молекулярного пучка при соударениях молекул с остаточным газом в генераторе с помощью системы вакуумирования создается необходимое разрежение (1 10 " - МО-* Па).

В качестве источника пучка в квантовых генераторах применяется набор узких параллельно направленных каналов, длина которых много больше их радиуса.

Сортирующая система состоит из четного количества параллельных, расположенных по окружности металлических стержней, на которые подаются потенциалы разных знаков. Внутри системы создается электрическое поле, напряженность которого равна нулю на оси системы и возрастает при отклонении от оси, достигая 150 кВ/см.

Квантовый генератор на пучке атомов водорода (квантовый водородный генератор).

По принципу действия и конструкции квантовый генератор на пучке атомов водорода аналогичен квантовому генератору на пучках молекул аммиака (рис. 7.52).

Основными элементами водородного генератора являются очиститель 1, источник атомарного пучка 2, сортирующая система 3, резонатор 5 с накопительной колбой 4, система вакуумирования 6.

Очиститель предназначен для очистки молекулярного водорода от примесей. В нем использован метод селективной очистки путем пропускания водорода через нагретую стенку трубки из никеля или палладия. При этом можно осуществлять регулировку потока молекулярного водорода, изменяя температуру очистителя.

Очищенный молекулярный водород поступает в стеклянную трубку, где он диссоциирует под воздействием высокочастотного разряда в атомарный водород.

Источник атомарного пучка служит для формирования пучка и представляет собой набор капилляров. Сформированный в пучок атомарный водород поступает в сортирующую систему. Сортировка атомов по энергетическим уровням осуществляется в неоднородном поле сортирующего магнита.

После сортирующей системы пучок атомов водорода поступает в резонатор, представляющий собой цилиндр, в котором размещена кварцевая накопительная колба, имеющая малое входное отверстие, на которое фиксируется пучок атомов водорода.

Механизм установления стационарных колебаний в пучковом генераторе на атомах водорода аналогичен механизму установления колебаний в молекулярном генераторе.

Генератор с оптической накачкой паров рубидия (рубидиевый квантовый генератор). Б основе принципа действия квантового генератора с оптической накачкой лежит так называемый метод оптической накачки.

В качестве рабочих веществ применяют-


Рис. 7.52. Принцип работы атомного водородного генератора



ся атомы группы щелочных элементов (рубидия, натрия, цезия). В большинстве случаев применяется рубидий, позволяющий сравнительно просто получить наибольшую эффективность накачки.

Для функционирования генератора с оптической накачкой необходимо, чтобы частицы рабочего вещества (атомы или молекулы) в рабочей зоне устройства находились в неравновесном состоянии, т. е. населенности энергетических уровней рабочего перехода были различными. Если в водородном ге-нфаторе это достигается сортировкой частиц с помощью неоднородного магнитного поля, то з,цесь для получения неравновесного состояния частиц используется эффект поглощения парами рубидия света спектрального источника. При поглощении света парами рубидия увеличивается населенность верхнего уровня основного состояния ато-MQB рубидия за счет нижнего. В остальном по принципу действия рубидиевый генератор с оптической накачкой ничем не отличается от водородного или аммиачного. Энергия индуцированного излучения атомов, нахо,ця-щихся в резонаторе, настроенном на частоту, может превысить энергию потерь в системе «атомы рубидия + резонатор» и обусловить самовозбуждение.

Пассивные приборы. К пассивным приборам относятся атомно-лучевые трубки (АЛТ) с пучками ато.мов цезия, рубидия, таллия, кальция, магния и газовые ячейки с оптической накачкой на парах щелочных металлов (рубидия, натрия, цезия). Эти приборы используются в качестве резонансных систем частотных дискриминаторов схемы АПЧ. Такие системы характеризуются высокой добротностью (10* - 10*). Рассмотрим принцип действия таких приборов.

АтомноЛучевая трубка. Принцип .действия АЛТ поясняется на рис. 7.53. Атомно-лучевая трубка состоит из источника пучка 1, отклоняющих магнитов Ml и МП, СВЧ резонатора 2, области магнитного поля 3 и детектора 4


Рис. 7.53. Принцип действия атомной лучевой трубки

В источнике пучка находится рабочее вещество, нагреваемое до определенной температуры, при которой образуется атомный пар. С помощью узких щелей, расположенных на выходе из источника, формируется атомный пучок, который проходит области двух отклоняющих магнитов Ml и МП, области слабого однородного магнитного поля 3 и поля сигнала возбуждения резонатора, а затем попадает на детектор 4.

В детекторе нейтральные атомы в результате поверхностной ионизации преобразуются в заряженные частицы, которые можно зафиксировать электрическими приборами. Магнитное поле первого отклоняющего магнита разделяет атомный пучок на две части, движущиеся по разным траекториям. Например, по первой траектории в случае использования атомов рубидия движутся атомы в состоянии F = I, а по второй - атомы в состоянии F = 2.

При отсутствии в резонаторе сигнала возбуждения при прохождении второго отклоняющего магнита, гра,диент поля которого направлен параллельно градиенту поля первого отклоняющего магнита, атомы отклоняются от детектора, который в данном случае зафиксирует минимальный сигнал. Если в резонаторе присутствует электромагнитное поле сигнала возбуждения, то часть атомов пучка совершит переход F = = 2<- ->f=l, и тогда по траектории, соответствующей состоянию F = 2, будут двигаться атомы в состоянии f = 1, а по траектории, соответствующей состоянию F = 1, будут двигаться атомы в состоянии F = 2. Второй отклоняющий магнит сфокусирует атомы, совершившие перехо.д на детектор, который покажет увеличение сигнала. Этот случай соответствует приведению пучка. Если градиенты магнитных полей антипарал-лельны (уведение пучка), то перехо.д соответствует миниму.му сигнала на детекторе. Число атомов, попадающих на детектор, зависит от расстройки частоты СВЧ поля по отношению к частоте атомного перехо.да.

Атомный переход в АЛТ определяется по значению тока детектора, который изменяется в зависимости от изменения частоты СВЧ сигнала. Если СВЧ поле модулировано по частоте, то на выходе детектора имеется сигнал с. частотой модуляции Fj,,, который несет информацию о значении и знаке расстройки частоты СВЧ поля относительно частоты атомного перехода. Этот сигнал можно использовать для управления частотой кварцевого генератора, вхо,дящего в состав квантового стандарта частоты.

Газовая ячейка с оптической накачкой



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 [92] 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168


0.0318