Атомно - лучевые цезиевые часы

Выполнил : Осока Б

Группа :621621

 

 

 

 

 

 

 

 

  
Атомно - лучевые цезиевые часы

История 

 

       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 атомной 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.   

Принцип работы

 

      Последующего 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 показаний 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 в волноводе этих часов молекулы аммиака совершают хаотические движения, в результате которых 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 Доплера. Именно этот эффект 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.

    

       В конце 50-х и начале 60-х годов нашего века 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 применяются 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 Доплера отсутствует или, говоря более строго, почти отсутствует, так как пучок имеет конечную ширину и электромагнитные волны по отношению к нему не строго перпендикулярны. Впрочем, связанные с этим искажения очень малы и создают добавочную нестабильность не более 10-12 — 10-14.

      В приборе использованы атомы цезия, для которого резонансная частота одного из переходов равна 9 192 631 770 периодов в секунду. Соответствующее устройство смонтировано в трубке, в одном конце которой расположена электрическая печь 1, разогревающая металлический цезий вплоть до испарения, а в другом — детектор 5, сосчитывающий число долетевших до него атомов цезия (рис. 23). Между ними находятся: первый магнит 2, волновод 3, подводящий высокочастотные электромагнитные колебания, коллиматор 4 и второй магнит 2'. 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 энергетического состояния в другое, и в то же время почти полностью избежать продольного эффекта Доплера. Если бы исследователи ограничились только этим усовершенствованием, то точность прибора хотя и увеличилась бы, но ненамного. Ведь в пучке атомов, вылетающих из накаленного источника, всегда есть атомы, находящиеся в различных состояниях. Поэтому добавление к атомам, уже находящимся в данном, например возбужденном, состоянии, еще некоторого количества таких же атомов не изменило бы существенно соотношение между числом атомов в том и в другом состоянии. 
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 40-е годы нашего века И. И. Рабби, а затем Н. Ф. 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 был установлен так, что невозбужденные частицы фокусировались на щель коллиматора, а возбужденные выводились из пучка. Второй магнит 2', расположенный 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 атомно-лучевых 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 атомно-лучевых цезиевых часов. 
В первых моделях цезиевых часов (например, цезиевых часах Национальной физической лаборатории Англии) нестабильность составляла лишь 10-9. 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 часы не лишены этого недостатка, так как из-за старения кварца имеет место медленный дрейф их показаний. В атомных цезиевых 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 ООО 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.

                             

 

                                 Зэ Энд

                                  Mathefaaaaakker