Время загоняют в колбу
Надо сказать, что водород и раньше пытались использовать в качестве
основы атомных часов, но неудачно. В отличие от аммиака атомы водорода
слишком долго остаются в «красном» состоянии. Время, в течение которого
происходит самопроизвольный выброс кванта, гигантское: 0,25...0,3
секунды. Через резонатор практически все атомы пролетят, не отдав
энергии, так что ни о каком генераторе не может быть и речи. Вернее,
не могло быть до тех пор, пока сотрудники Гарвардского университета
(США) Н. Рэмси, Г. Гольдберг и Д. Клепппер в 1960 г.
не изобрели чрезвычайно остроумный способ продлить время пребывания
атомов в резонаторе.
Они взяли стеклянную колбу и покрыли ее изнутри топким слоем фторопласта.
При ударе об эту пластмассу атомы водорода практически не теряют
энергии. Задерживаясь в колбе примерно 2 секунды, они успевают «посинеть».
В колбе собирается так много атомов, что энергии, которую они выделяют,
хватает и на преодоление потерь в металлических стенках резонатора,
и на то, чтобы вызвать у «красных» атомов излучение.
Очень большое время взаимодействия атомов с резонатором, – залог
точности измерения частоты квантов. Неопределенность уменьшилась
до 0,5...0,3 Гц, а в целом (так как центр полосы неопределенности
находят с точностью около 1 процента) частоту водородного генератора
удалось определить с фантастически малой ошибкой. По данным 1969 г.
она равна 1420405751, 7860±0,0046 герца, а относительная ошибка
3·10–12. Стомиллиардная доля процента! А в 1974 г.
сотрудники ВНИИФТРИ рассказывали мне, что водородные часы государственного
эталона времени и частоты СССР ошибаются в десять раз меньше. Возможно,
и эту ошибку удастся сократить десятикратно, т.е. до 3·10–14.
Почему секунда выбрала себе цезий
Но с водородным генератором повторилась история кварцевого. И его
не признали годным на роль эталона.
Тот самый фторопласт, который поначалу помог решить проблему, оказался
камнем преткновения. Выяснилось, что мириады атакующих атомов постепенно
изменяют его свойства, и из-за этого «ползет» частота квантов. Хотя
на водородный генератор возлагали большие надежды, а некоторые исследователи
и сейчас верят в его будущие успехи, Международная конференция по
мерам и весам выбрала, как вы помните, в качестве эталона кванты,
излучаемые и поглощаемые атомами цезия.
Цезиевый стандарт был разработан в Англии еще в 1953...1955 гг.,
но ему долгое время не везло. Аммиачный, а потом водородный генераторы
считались более сильными конкурентами. И все-таки пришлось вернуться
к исходной точке.
Этот квантовый прибор хорош тем, что в нем нет элементов, которые
могли бы вносить ошибки, не поддающиеся учету. Единственное требование
– скрупулезно воспроизвести условия, при которых работает цезиевая
атомно-лучевая трубка. И точность определения частоты будет такой
же, как в случае водородного генератора, а сам эталон – меньше,
легче и дешевле.
Цезиевая трубка не порождает радиоволн, а поглощает их. Поэтому
она нуждается во внешнем генераторе – обычно он кварцевый, а частота
его умножена в соответствующее число раз, чтобы получить 9192631770,0
герца. Затем эта частота, поглощаемая «синими» атомами паров цезия,
вводится в резонатор, сквозь который они пролетают, и атомы из «синих»
становятся «красными». Естественно, не все, а только некоторые в
соответствии с вероятностью превращения. Сортирующее магнитное поле
отбрасывает их на приемную головку. Чем больше в нее ударяется атомов,
тем больше ток на выходе всей системы. А от чего зависит количество
атомов? Ясно: от того, насколько хорошо частота кварцевого генератора
«привязана» к частоте поглощения. Система автоматической подстройки
частоты заработала...
Тем же путем можно проверить, какова частота любого другого генератора,
в том числе и водородного. Техника этого дела Ничего принципиально
нового не содержит.
В последнее время пары и других металлов, а не только цезия, претендуют
на роль «рабочего тела» атомно-лучевого стандарта. Таллий оказался
раз в пятьдесят менее чувствительным к помехам от магнитных полей,
которых рядом с любой электронной аппаратурой всегда более чем достаточно,
– их порождают силовые кабели, трансформаторы питания, электромоторы.
Рубидий, утверждает теория, позволит еще более поднять точность
измерения частоты.
Идея атомно-лучевой трубки оказалась очень плодотворной. За создание
квантового стандарта на цезии и другие работы Академия наук СССР
наградила изобретателя Л. Эссена Золотой медалью имени А.С. Попова
– высшим отличием академии за труды в области радиотехники.
|
