19.4.2. Методы излучения и образования пучка

Ряд газовых эталонов частоты работают вследствие индуцированного излучения [13, 15, 17, 18, 97, 99, 217, 218, 279]. Атомы и молекулы, как показано в разд. 17.4.1, могут быть приведены в возбужденное состояние [47, 55, 149, 176, 236, 239], так что при наличии сигнала на выходе получается усиленное напряжение [6]. В таких мазерах часто используют направленные пучки, в которых частицы имеют примерно одну и ту же скорость. Таким образом, столкновения и явления допплеровского уширения сводятся к ничтожно малым величинам, а постоянный источник новых атомов исключает какое-либо насыщенное уширение. Ширина спектральной линии определяется, главным образом, временем пребывания частиц в высокочастотном поле. Если имеет место взаимодействие (не обязательно непрерывное) в течение времени то ширина характеристики будет ; эта теоретическая разрешающая способность может быть порядка .

Подходящим газом для таких эталонов является аммиак [204, 224, 275, 276, 280], и хотя вращательные переходы обеспечивают работу [175] вблизи существует инверсия на частоте которая обычно и используется. В типичном устройстве [98, 197], показанном на рис. 19.15, пучок молекул аммиака создается благодаря тому, что газ может диффундировать из направленного источника, состоящего из множества тонких трубок. Такую решетку можно получить путем прокатки тонких гофров из полоски никелевой фольги шириной и толщиной Эта полоска помещается рядом с подобной плоской пластиной так, чтобы образовывалась двухмерная решетка каналов с поперечным сечением порядка Решетка имеет диаметр около Такой коллиматор дает в секунду около 1013 молекул. Энергетическое состояние имеет заполнение, содержащее около 6% молекул; при рабочей температуре все уровни инверсии заполнены примерно одинаково.

Избыточное заполнение возбужденными молекулами получается благодаря пропусканию выходящего пучка через область, в которой

очень неоднородное электростатическое поле образует селективную линзу; эта линза фокусирует [231] молекулы, которые находятся на более высоких энергетических уровнях инверсии, и дефокусирует молекулы, находящиеся на более низких уровнях. Типичная линза состоит из четырех электродов, внутренняя поверхность которых имеет гиперболическую форму, что создает квадрупольное цилиндрическое поле с осью, направленной вдоль пучка. Такое поле создает радиальную силу, которая направлена к оси для молекул, находящихся в верхних, более высоких энергетических состояниях, и от оси — для молекул в более низких энергетических состояниях.

Рис. 19.15. Эталон частоты на мазере, использующий пучок аммиака: а — общее устройство; б - коллиматор пучка; в — сечение фокусирующей линзы; напряжение V может доходить до (См. [98].)

Таким образом, по мере распространения пучка в нем остаются только молекулы, находящиеся в верхних энергетических состояниях. Плотность молекул в области линзы должна быть достаточно низкой с тем, чтобы средняя длина свободного пути была большой по сравнению с осевыми размерами. При длине 30 см плотность должна быть меньше, чем , что соответствует давлению около поэтому оборудование должно быть помещено в вакуумную камеру.

Наконец, пучок попадает в объемный резонатор и откликом молекул на любое возбуждающее излучение является излучающий переход в нижние состояния. Типичный резонатор резонирует с колебаниями вида и перестраивается в пределах относительно частоты Для молекул электрическое поле изменяется по амплитуде как В частности, для молекул, имеющих скорость поле изменяется со временем как

Анализ Фурье этого поля для значений от 0 до дает распределение частот с полосой по уровню половинной мощности, равной Поэтому резонатор следует делать, насколько это возможно, длинным, для этого диаметр делается близким к критическому значению. Так как наиболее вероятная скорость молекул аммиака в пучке при комнатной температуре составляет 4-104 см/сек, то получающаяся ширина линии для см должна равняться В мазерах использовались также колебания в цилиндрических резонаторах видов в последнем случае изменение поля, наблюдаемое со стороны молекул, расщепляет линию на две составляющие [36, 99]. Колебания вида дают постоянное электрическое поле вдоль оси и имеют показатель качества [198] примерно в три раза лучший, чем резонатор с колебаниями Затягивание частоты мазера, вызванное изменением настройки резонатора, можно уменьшить, используя инвар или кварц [274], регулировку температуры или два связанных резонатора [31, 109, 193, 234]. Были разработаны методы перестройки резонаторов мазера [230].

Первоначальная теория работы [98, 130, 198], основанная на упрощающем предположении однородной скорости пучка, была распространена [106, 200,201] на случай максвелловского распределения скоростей, расхождение пучка и влияния неразрешаемой сверхтонкой структуры. Последнюю трудность можно преодолеть [38], если работать с линией, для которой на частоте Вероятность спонтанной эмиссии очень тесно связана с шумовыми свойствами [3, 96, 104, 105, 164, 188, 199, 223] мазеров, но на практике она незначительна.

Мазер работает [196, 292, 294] как спектрометр, когда в резонатор вводится мощность изменяющейся частоты. В этом случае молекулярные резонансы наблюдаются в виде резкого увеличения уровня мощности в резонаторе, когда внешняя частота проходит через частоту спектральной линии. Наблюдаемая при этом разрешающая способность порядка согласуется с теоретическими значениями. Если число молекул в пучке превышает критическое значение, мазер начинает генерировать [130]. Обычно выходная мощность равняется а два таких аммиачных мазера, которые настраиваются для получения частоты биений 20 гц, дают изменение фазы с частотой менее 0,1 гц, что соответствует краткосрочной стабильности Долгосрочная стабильность, измеренная за период 6 час, оказалась лучше Описана техника синхронизации [128] и даны [10, 32, 34, 35, 37, 160, 171] подробности использования мазеров на аммиаке в качестве эталонов частоты. В других мазерах используют [263] при этом частота находится около в одной из конструкций [267, 295] основой резонансной структуры являлся интерферометр Фабри-Перо, описанный в разд. 13.4. Взаимодействие в течение длительного времени, которое достигалось благодаря введению в резонатор кварцевой колбы, покрытой парафином, позволило успешно использовать атомарный водород [265].

Дипольные переходы являются основой другого класса эталонов

частоты с пучком [288]. Например, состояние вращения молекул определяет их эффективный электрический дипольный момент, поэтому разделение молекул может осуществляться [298] градиентами электрического поля. Такие эталоны пригодны для использования в области миллиметровых волн; было предложено [112] применять переход на частоте между вращательными состояниями когда

Рис. 19.16. Эталон частоты с пучком цезия. На коллектор попадают те атомы которые претерпевают переход при прохождении как первого, так и второго отклоняющего магнита. Частота около (См. [146].)

Частота перехода сравнительно нечувствительна к внешним электрическим и магнитным полям, но небольшая часть молекул, находящихся в одном данном состоянии, ограничивает эффективную интенсивность пучка.

Магнитно-дипольные переходы наблюдались в сверхтонкой структуре щелочных металлов и использовались во многих эталонах частоты. Хотя ранее использовались рубидий, обладающий [4, 289] переходами на частотах и около и таллий на частоте большинство приборов использует переход 4,3 и 3,0 в цезии, дающий частоту [77, 78, 155]. Устройство, показанное на рис. 19.16, сконструировано для обнаружения изменения магнитного момента атомов при возбуждении точной частотой. Для того чтобы избежать применения длинного резонатора, колебательные поля создавались [179, 293] двумя объемными резонаторами, расположенными в обоих концах центрального однородного поля, при этом осуществлялась тщательная регулировка их фазы. Чистый эффект от этих двух синфазных резонаторов подобен эффекту, получающемуся при использовании длинного резонатора с нулевым фазовым сдвигом между его концами, за исключением того обстоятельства, что на частотах, слабо отличающихся от резонансной, имеет место интерференционная картина, которая показывает, насколько велики амплитудные пульсации в основной кривой поглощения.

Пучок атомов цезия выходит из термостата с температурой около 100° С через сопло, которое придает пучку ленточную форму толщиной около поток цезия составляет Атомы проходят через неоднородное магнитное поле, созданное между магнитными полюсами; атомы с соответствующим дипольным моментом отклоняются по направлению к оси прибора. Затем частицы проходят первый резонатор, в котором высокочастотное магнитное поле может производить нужные изменения энергетического уровня. После дрейфа на расстоянии 100 см атомы проходят второй резонатор и, наконец, проходят второе неоднородное магнитное поле. Те атомы, в которых произошел переход и, следовательно, изменился магнитный момент, теперь отклоняются в противоположном направлении. Эти атомы затем фокусируются на детекторе, который содержит нагреваемый проволочный ионизатор, ускоритель и электронный умножитель вторичной эмиссии, выходной сигнал с которого является, таким образом, мерой числа атомов, в которых произошел переход.

Внешнее магнитное поле воздействует на частоту прецессии валентного электрона цезия только/по квадратичному закону; напряженность поля увеличивает еевеличину на гц. Этот факт используется в другом варианте [79, 81] цезиевого эталона, где однородное поперечное магнитное поле создается для получения расщепления энергетических уровней Зеемана. Частота смещенных линий имеет линейную зависимость от магнитного поля и дает удобный метод ее определения. Когда устройство используется в качестве эталона определенной частоты, магнитное поле регулируется так, чтобы частота ближайшей линии была выше частоты центральной линии точно на

Практические цезиевые эталоны находятся в отпаянном виде [20, 48, 150, 180]; типичные образцы их [80, 153, 154] снабжены частотным синтезирующим устройством с тем, чтобы стандартная частота на выходе находилась бы в декадных соотношениях, например, и т. д. Краткосрочная и долгосрочная стабильности составляют соответственно и . Было проведено сравнение [75, 110] двух цезиевых эталонов, расположенных друг от друга на расстоянии нескольких тысяч миль, при этом стремились устранить погрешности допплеровской частоты, вызванные движением ионосферы. Кроме того, проводилось сравнение цезиевых эталонов, построенных по различным принципам [76], а также цезиевых и аммиачных эталонов [28, 29]. Результаты сравнений показывают, что атомные и молекулярные резонансы воспроизводятся по частоте с точностью

Молекулы, имеющие множество энергетических уровней, можно возбудить и заставить излучать путем оптической накачки [27, 42, 43 , 60,61, 62, 101, 124, 125 , 266]. Например, соответствующим образом поляризованный свет поглощается на частоте перехода, а последующее спонтанное излучение неполяризованного света может

перераспределять заполнение более низких энергетических состояний, так что создаются условия излучения на сверхвысокой частоте. Предположим [224], что атом имеет пять верхних -уровней с М, изменяющимся от —2 до включительно и три более низких -уровней с Поглощение фотона дает и атом с состоянием переходит в состояние

Рис. 19.17 Эталон частоты с оптической накачкой и детектированием: а — энергетические уровни натрия; б - блок-схсма, (См. [7].)

После излучения или ±1, и поэтому атом в конечном счете может находиться в любом из трех состояний с Однако атом, находящийся первоначально в состоянии после цикла поглощение — излучение должен остаться там же. Таким образом, заполнение уровня уменьшается, а заполнение уровня увеличивается. Даже если последний связан с более низким уровнем переходом сверхвысокой частоты, то условие излучения между двумя уровнями может сохраняться.

В предложенных эталонах частоты, основанных на оптической накачке, предпочтительны щелочные металлы [26, 82, 136, 137, 167]. В одном из вариантов [22, 23, 24] использованы пары натрия, помещенные в объемный резонатор. Неполяризованный свет от натриевой лампы, проходя через резонатор, изменяется по интенсивности всякий раз, когда прикладывается соответствующее поле сверхвысокой частоты. Частота перехода из состояния 2.0 в состояние 1.0, показанного на рис. 19.17, а, определяется формулой

где выражается в мегагерцах, а в эрстедах. На рис. 19.17, б показан другой эталон [7,296], использующий пары натрия. В этом

случае возбуждение осуществляется волнами с правосторонней круговой поляризацией от натриевой лампы. Увеличение разности заполнений из-за сверхвысокочастотного перехода увеличивает детектируемый сигнал на 60 дб. Побочным эффектом является уменьшение интенсивности света, выходящего из газового элемента, что используется для контроля частоты. Оптическая накачка применялась [4] также в эталоне, основанном на независящем от поля резонансе на частоте . В другой системе [282] использовано излучение оптически накачиваемого цезиевого элемента, помещенного в объемный резонатор. Были созданы также мазеры в инфракрасной и оптической областях [308—317].