19.4. ЭТАЛОНЫ СПЕКТРАЛЬНЫХ ЛИНИЙ

19.4.1. Методы поглощения

Спектральные линии атомов и молекул оказались точными и стабильными эталонами частоты [11, 301]. Спектры твердых тел, как правило, бывают широкими по частоте и поэтому годятся только для более простых измерений. Например, комбинированное использование ядерного и электронного резонанса в твердом теле дает возможность [151, 168] сравнивать частоты. Если гиромагнитный коэффициент ядра, то

Для протонов в воде равняется примерно и поэтому частоты, отличающиеся друг от друга в 650 раз, можно точно сравнивать. Такую методику можно также применить для автоматического регулирования частоты генератора.

Спектральные линии газов обычно очень узкие, и поэтому они явились предметом многих исследований [141, 187, 218, 220] как эталоны частоты. Рабочие условия, как правило, приводят к увеличению свойственной газам ширины линий, но их влияние можно сделать небольшим; с соответствующими схемами и при тщательной работе легко добиться стабильности лучше, чем Такие эталоны можно использовать также для калибровки более низких частот [169]. Среди спектральных линий, рассматриваемых в качестве эталонов сверхвысоких частот, есть линия кислорода [181] на частоте Однако большинство работ проводилось на обращенной линии 3,3 аммиака, соответствующей частоте [33, 157, 195].

Простейший эталон использует [138, 139, 144, 183] поглощающие ячейки, которые могут быть типа объемного резонатора или бегущей волны. Было показано [21], что первые дают более хорошее отношение мощности сигнала к мощности шума в степени, зависящей от добротности. Оптимальным способом [146, 220] сравнения эталонов является наблюдение двух частот, одна из которых выше, а другая ниже центра линии; когда два сигнала равны, средняя величина частот соответствует центру линии; это сравнение может осуществляться вручную или автоматически посредством электронной схемы. На практике синхронизация линии и резонатора не может быть совершенной, что приводит [98, 219] к относительной погрешности в измеренном значении частоты, равной

где разность между частотой резонатора и частотой линии. В одном из устройств 1177, 208] поглощающая ячейка являлась резонансным элементом в стабилизирующей схеме Паунда, скорость изменения фазы с изменением частоты давала при этом эффективную добротность, равную 12 500.

Желательно, чтобы устройство, использующее эталоны на спектральных линиях, включало в себя отдельный генератор, приводящий в действие индикаторные часы и дискриминаторную систему, которая будет сравнивать две частоты и компенсировать любое изменение.

Рис. 19.14. Атомные частоты поглощающего типа, контролируемые следящей системой. Поглощающей ячейкой служит отрезок волновода длиной Часы идут со скоростью, определяемой спектральной частотой. (См. [146].)

Хершбергер и Нортон [107] качали частоту отдельного гетеродина в обе стороны относительно частоты линии аммиака. Одновременно с этим в смеситель подавался сигнал, модулированный по частоте, и сигнал от контролируемого генератора. Низкочастотные биения, возникающие при их взаимодействии, усиливались и их фазы сравнивались. Полученный сигнал коррекции предназначен для измерения биений контролируемого генератора до совпадения с биениями от газового элемента.

Свойственное таким системам разрешение мощности зависит от стабильности контролируемого генератора; Лайонс [145, 146] применял кварцевый генератор, частота которого умножалась. Частота качания относительно линии поглощения поступала в цепь умножителя, при этом поглощение наблюдалось в виде отрицательного референсного импульса от детектора. Эти импульсы, как показано на рис. 19.14, запускали следящие приводы для подачи коррекции на кварцевый генератор. Долгосрочная стабильность была хорошей, составляя за период примерно одной недели.

Хорошая долгосрочная стабильность была получена Такахаси и др. [213] в их атомные часах с модуляцией Штарка. Выходной сигнал цепи умножителя частоты подавался на ячейку с аммиаком,

к электроду которой прикладывалось прямоугольное напряжение стабилизированной частоты калиброванной амплитуды. Частота в точке пересечения двух кривых поглощения при наличии и отсутствии сильного электрического поля служила эталоном. Когда частота мощности на входе газового элемента отличалась от эталонной частоты, выходная мощность сверхвысоких частот оказывалась модулированной по амплитуде с частотой и поэтому выходной сигнал детектора содержал составляющую с частотой модуляции. Это напряжение «ошибки» усиливается и подается к фазовому детектору, выходной сигнал которого после усиления должен приводить в движение следящий привод, управляющий кварцевым генератором; полученная стабильность составляла около