Эталон единицы времени и частоты

Эталон соответствует определению единицы времени – секунды как интервал времени, в течении которого совершается 9192 631 770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями (F = 4, m_F = 0 и F = 3, m_F = 0) основного состояния атома цезия-133 в соответствии внешних полей.

Воспроизведение секунды обеспечивается атомно-лучевым цезиевым стандартом частоты. Если отсутствует влияние внешних полей, прежде всего электрических и магнитных, частота излучения при переходе атома между двумя энергетическими уровнями E₁ и E₂ в соответствии с выражением очень стабильна и определяется внутренней структурой атома.

Основное состояние атома цезия расщеплено на два сверхтонких уровня (верхний F = 4 и нижний F = 3); при этом верхний уровень расщепляется на 9, а нижний – на 7 магнитных подуровней.

На уровнях F = 4 и F = 3 при подуровне m_F = 0 зависимость изменения частоты от индукции магнитного поля имеет вид

ν = ν₀ + 4,26 × 10⁶B ²,

где ν₀ = 9192,631770 × 10⁶ Гц – частота перехода при отсутствии магнитного поля (m_F = 0);

B – магнитная индукция.

Если магнитная индукция равна примерно 5 × 10^-6 Тл, то разностью между ν и ν₀, т.е. между частотой перехода при наличии и отсутствии магнитного поля, можно пренебречь.

Если B = 5 × 10^-6 Тл, то частота отличается от соответствующего значения при «нулевой» напряженности поля всего на 1,8 × 10⁴ Гц и поэтому не трудно отделить переходы с m_F= 0 от переходов с m_F ± 1. Для этого достаточно на перемещенное магнитное поле наложить слабое однородное магнитное поле. Атомы цезия обладают небольшим магнитным моментом и поэтому взаимодействуют (отклоняются) в неоднородном магнитном поле. Таким образом, пропуская атомы цезия через неоднородное магнитное поле, можно отделить их состояние с уровнем F = 3 от состояния с уровнем F = 4.

Источником радиочастотного сигнала в эталоне является кварцевый генератор. Но его суточная нестабильность частоты составляет около ± 1 × 10^-8, а нестабильность цезиевого пучка атомов на частоте перехода (F = 4, m_F = 0 ↔ F = 3, m_F = 0) достигает 10^-13. Устройство эталона позволяет стабильность высокочастотных электромагнитных колебаний кварцевого генератора довести до стабильности цезиевого пучка.

Атомы цезия испаряются при температуре порядка 100 ^◦C в цезиевой печи, с помощью коллиматора образуется узкий пучок (примерно 5 мм). Затем коллимированный пучок атомов цезия проходит между полюсами первого сортирующего (отклоняющего) магнита, поле которого неоднородно из-за специальной конфигурации полюсов. В поле первого магнита атомы цезия отклоняются и те из них, которые имеют энергетический уровень F = 4, m_F = 0, направляются к центру установки, где находиться диафрагма (знаки магнитного момента для атомов цезия с уровнями F = 4, m_F = 0 и F = 3, m_F = 0 противоположны, и это позволяет пространственно отделить состояние с F = 4 от состояния с F = 3). При этом атомы проходят через первый высокочастотный резонатор, где действует переменное электромагнитное поле с частотой 9192,631770 МГц (высокочастотные колебания кварцевого генератора у умножителе образуются в такие колебания и подаются в оба высокочастотных резонанса. Таким образом, высокочастотное магнитное поле в резонаторе имеет частоту, соответствующую частоте перехода (F = 4, m_F = 0 ↔ F = 3, m_F = 0). В области между резонаторами существует слабое однородное магнитное поле.

Государственный эталон времени и частоты является основным уникальным техническим устройством. Государственной службы времени и частоты, обеспечивающей формирование и хранение шкал времени нашей страны и международной шкалы атомного времени ТА, передачу с заданной точностью эталонных сигналов времени и частоты по радио и телевизионным каналам, сличение с вторичными эталонами с помощью перевозимых квантовых (цезиевых) часов. При этом погрешность сличения за время транспортирования от одних до пяти суток составляет (0,03 – 0,1) мкс.