Квантовые часы, устройство для точного измерения времени, основной частью которого является квантовый стандарт частоты. Роль «маятника» в К. ч. играют атомы. Частота, излучаемая или поглощаемая атомами при их квантовых переходах из одного энергетического состояния в другое, регулирует ход К. ч. Эта частота настолько стабильна, что К. ч. позволяют измерять время точнее, чем астрономические методы (см. Время). К. ч. часто называют атомными часами.
К. ч. применяются в системах радионавигации, в астрономических обсерваториях, в исследовательских и контрольно-измерительных лабораториях и т.п., заменяя собой менее совершенные кварцевые часы.
Сигналы квантовых стандартов частоты сами по себе не могут быть использованы для вращения часового механизма, т.к. мощность этих сигналов ничтожно мала, а частота колебаний, как правило, весьма высока и имеет нецелочисленное значение (например мощность атомного водородного генератора составляет 10–11—10–12 вт, а частота равна 1420,406 Мгц). Это затрудняет непосредственное использование квантовых стандартов частоты в службе времени, в различных навигационных системах, а также в лабораторной практике. В этих случаях более удобно иметь набор (сетку) стандартных высокостабильных частот: 1 кгц, 10 кгц, 100 кгц, 1 Мгц и т.д. при высокой мощности выходного сигнала. Поэтому К. ч., помимо квантового стандарта частоты, содержат специальные радиотехнические устройства, формирующие такую сетку частот и обеспечивающие вращение стрелок часов (или смену цифр на их циферблате) и выдачу сигналов точного времени.
Большинство К. ч. содержит вспомогательный кварцевый генератор. Из-за изменения частоты кварцевого генератора во времени (старения) точность базирующихся на нём кварцевых часов была бы сама по себе недостаточно высока. В К. ч. частота кварцевого генератора контролируется с помощью квантового стандарта частоты, благодаря чему точность часов повышается до уровня точности самого квантового стандарта. Однако введение периодических поправок оператором не всегда удобно. Для некоторых устройств, в частности навигационных, более рационально повышение стабильности частоты кварцевого генератора с помощью автоматической подстройки его частоты к частоте квантового стандарта.
В одном из вариантов такой подстройки (фазовая автоподстройка частоты, рис. 1) частота nкв кварцевого генератора (обычно ~ 10—20 Мгц) умножается радиотехническими средствами в нужное число (n) раз и в смесителе вычитается из частоты квантового стандарта nст. Подбором конкретных значений nкв и n разностную частоту D = (nст — пnкв) можно сделать приблизительно равной частоте кварцевого генератора: nкв = (nст — nnkв).
После усиления сигнал разностной частоты (nст — nnkв) подаётся на один вход фазового детектора, а на другой его вход подаются колебания кварцевого генератора. Фазовый детектор вырабатывает напряжение, величина и знак которого зависят от отклонения разностной частоты D и частоты кварцевого генератора nкв друг от друга. Это напряжение подаётся затем на блок управления частотой кварцевого генератора и вызывает сдвиг частоты генератора, который компенсирует отклонение nкв от разностной частоты D. Т. о., любое изменение частоты кварцевого генератора вызывает появление на выходе блока управления напряжения соответствующей величины и знака, сдвигающего частоту в обратном направлении. Поэтому частота кварцевого генератора автоматически поддерживается неизменной. В результате стабильность его частоты становится практически равной стабильности частоты квантового стандарта. Синтезатор частот формирует из сигнала кварцевого генератора сетки столь же точных стандартных частот. Одна из них служит для питания электрических часов, а остальные используются для метрологических и др. целей.
Погрешность хода лучших К. ч. такого типа при тщательном изготовлении и настройке составляет не более 1 сек за несколько тыс. лет. Первые К. ч. были созданы в 1957. Стандартом частоты в них служил молекулярный генератор на пучке молекул аммиака. Созданные позднее К. ч., в которых используется квантовый стандарт частоты с пучком атомов цезия, не нуждаются в калибровке по эталону, т.к. номинальное значение опорной частоты может быть установлено на основе манипуляций в самом приборе. Недостатки этих К. ч. — большой вес и чувствительность к вибрациям. В К. ч. другого типа (наиболее распространённых) применяется рубидиевый стандарт частоты с оптической накачкой. Они легче, компактнее, не боятся вибраций, но нуждаются в калибровке, после чего они поддерживают установленное значение частоты с погрешностью порядка 10–11 в течение года.
Основной частью рубидиевых К. ч. является специальный радиоспектроскоп с оптической накачкой и оптической индикацией, фиксирующий спектральную линию изотопа 87Rb, лежащую в диапазоне СВЧ. Спектроскоп содержит объёмный резонатор 3, в котором находится колба 2 с парами изотопа 87Rb (рис. 2) при давлении 10–6 мм рт. ст. Резонатор настроен на частоту спектральной линии 87Rb, равную 6835 Мгц. Чувствительность обычного радиоспектроскопа недостаточна для того, чтобы зафиксировать радиочастотную линию 87Rb. Для увеличения чувствительности используются оптическая накачка паров 87Rb и оптическая индикация спектральной линии. На атомы 87Rb направляется свет, частота которого совпадает с частотой др. спектральной линии 87Rb, лежащей в оптическом диапазоне. Газоразрядная лампа 1 низкого давления с парами 87Rb освещает колбу. Свет, прошедший сквозь колбу, попадает на фотоприёмник (например, фотоэлектронный умножитель). Под действием света рубидиевой лампы (накачка) атомы 87Rb возбуждаются, т. е. переходят из состояния с энергией E2 в состояние с энергией E3 (рис. 3). Если интенсивность света достаточно высока, то наступает насыщение — число атомов, находящихся в состояниях E2 и E3, становится одинаковым. При этом поглощение света в парах уменьшается (т.к. число невозбуждённых частиц на уровне E2, способных поглощать кванты света, уменьшается) и пары 87Rb становятся прозрачнее, чем они были бы при воздействии на них накачки. Если одновременно с накачкой пары 87Rb облучить радиоволной, частота которой равна частоте спектральной линии, лежащей в диапазоне СВЧ и соответствующей переходам атомов 87Rb между уровнями E1 и E2, то, поглощаясь, она переводит атомы 87Rb с уровня E1 на уровень E2 (рис. 3). Такая радиоволна будет препятствовать насыщающему действию световой волны, в результате чего поглощение света в парах 87Rb увеличится. Т. о., измеряя при помощи фотоприёмника интенсивность света, прошедшего через колбу с парами 87Rb, можно точно определить, действуют ли одновременно на эти пары свет с частотой, соответствующей переходу E2 ® E3, и радиоволна с частотой перехода E1 ® E2. Источником радиоволны служит кварцевый генератор, возбуждающий в резонаторе электромагнитное поле резонансной частоты. Если плавно изменять частоту генератора, то в момент её совпадения с частотой радиоспектральной линии 87Rb интенсивность света, попадающего на фотоприёмник, резко уменьшится.
Зависимость интенсивности света, прошедшего через пары 87Rb, от частоты радиоволны используется для автоматической подстройки частоты колебаний кварцевого генератора по частоте радиоспектральной линии. Колебания кварцевого генератора модулируются по фазе при помощи вспомогательного генератора низкой частоты (см. Модуляция колебаний, Фазовая модуляция). Поэтому свет, проходящий через колбу, оказывается модулированным по интенсивности той же низкой частотой. Модуляция света тем сильнее, чем точнее совпадает частота электромагнитного поля в резонаторе с частотой радиоспектральной линии 87Rb. Электрический сигнал фотоприёмника после усиления подаётся на фазовый детектор, на который поступает также сигнал непосредственно от низкочастотного генератора. Амплитуда выходного сигнала фазового детектора тем больше, чем меньше разность частот (расстройка) частоты спектральной линии и поля резонатора. Этот сигнал подаётся на элемент, изменяющий частоту кварцевого генератора, и поддерживает её значение таким, чтобы оно точно совпадало с вершиной спектральной линии 87Rb.
Точность рубидиевых К. ч. определяется главным образом шириной радиоспектральной линии 87Rb. Основной причиной, приводящей к уширению спектральных линий газов (паров) при низких давлениях, является Доплера эффект. Для уменьшения его влияния в колбу с парами 87Rb добавляется буферный газ (при давлении несколько мм рт. ст.). Атомы 87Rb, сталкиваясь с атомами буферного газа, оказываются как бы зажатыми между ними и совершают быстрые хаотические движения, оставаясь в среднем почти на одном месте, лишь медленно диффундируя внутри колбы. В результате спектральная линия приобретает вид узкого пика на широком низком пьедестале. Ширина и положение этого пика зависят от состава буферного газа. Например, смесь из 50% неона и 50% аргона позволяет свести ширину спектрального пика Примерно до 100 гц, причём его положение смещается лишь на 0,02 гц при изменении температуры на 1°С или давления на 1 мм рт. см.
Точность рубидиевых К. ч. обусловлена также постоянством интенсивности света лампы накачки, поэтому применяются системы автоматического регулирования интенсивности. Возможно создание рубидиевых К. ч., в которых вместо описанной системы оптической индикации используется квантовый генератор с парами рубидия. В этих К. ч. применяются настолько интенсивная оптическая накачка и резонатор со столь высокой добротностью, что в нём выполняются условия самовозбуждения. При этом пары 87Rb, наполняющие колбу внутри резонатора, излучают электромагнитные волны на частоте 6835 Мгц. Радиосхема таких К. ч. также содержит кварцевый генератор и синтезатор, но в отличие от предыдущего частота кварцевого генератора управляется системой фазовой автоподстройки, в которой опорной является частота сигнала рубидиевого генератора.
Лит.: Квантовая электроника. Маленькая энциклопедия, М., 1969, с. 35, 241; Григорьянц В. В., Жаботинский М. Е., Золин В. Ф., Квантовые стандарты частоты, М., 1968, с. 171.
М. Е. Жаботинский.
Рис. 1. Блок-схема квантовых часов с фазовой автоматической подстройкой частоты.
Рис. 3. Схема рубидиевого стандарта частоты с оптической накачкой: 1 — лампа, освещающая колбу 2, наполненную парами 87Rb; 3 — объёмный резонатор; 4 — фотодетектор; 5 — усилитель низкой частоты; 6 — фазовый детектор; 7 — генератор низкой частоты; 8 — кварцевый генератор; 9 — умножитель частоты.
Рис. 4. Уровни энергии атомов 87Rb, используемые в рубидиевых часах.
Рис. 2. Первые квантовые часы, построенные в Национальном бюро стандартов США, с молекулярным аммиачным генератором в качестве квантового стандарта частоты.