6. Национальный эталон единиц: времени – секунда, частоты – герца и шкалы времени: назначение, состав и принцип действия.

Метролог. хар-ки:

- диапазон эталонных частот: 1 Гц, 5;10;100;2048 МГц.

- относит. погр. единицы частоты, выраженное в виде СКО при ежедневных сличениях с гос эталоном России не более 5*10^-13.

- расхождение шкалы времени, хранимой эталоном со шкалой времени России не более 2 мкс.

Основой этого нац. эталона являются квантовые стандарты частоты (КСЧ), которые характеризуются высокой стабильностью в течение длительного времени.

Квантовый стандарт частоты – у-во, для точного измерения частоты колебаний или генирирования колебаний с очень стабильной частотой, в котором используются квантовые переходы атомов, молекул, ионов из одного энергетического состояния в другое.

2 класса КСЧ:

- пассивные – в которых измеряемая частота сравнивается с частотой фиксированной спектральной линии.

- активные – квантовые генераторы.

1) цезиевый стандарт частоты (пассивный)

Основой ялвяется атомно-лучевая цезиевая трубка. Источник паров цезия соединен капилярами с остальной трубкой. Жидкий цезий поддерживается при T=100°C.Давление еще не высоко и атомы, вылетая из источника формируются в слаборасходящийся пучок. Этот пучок попадает в магнитное поле первого магнита, где расщепляется на 16 пучков (подуровней) – эффект Зеемана. 7 пучков отклоняется к одной части магнита, 7 к другой , 2 летит дальше прямо через объемный резонатор. В поле второго магнита постоянного 1 из 2 оставшихся пучков отклоняется.

Резонатор возбуждает ЭМ-колебания с частотой, соотв. переходам между уровнями E1 и E2 (2 пучков).

Оставшийся пучок попадает на раскаленную вольфрамовую проволочку, теряет на ней электрон. Ион летит к коллектору, и между коллектором и проволочкой возникает ток, пропорциональный интенсивности пучка. Число атомов, совершающих вынужденные переходы в единицу времени под действием поля резонатора максимально, если частота ЭМ поля его точно совпадает с частотой перехода.

По мере несовпадения частот число их снижается и будет уменьшаться ток детектора.

Чтобы повысить точность применют П-образный резонатор.

Цезиевые стандарты дополняют у-вами, формирующими определенный набор частот – синтезаторы частоты, стабильность которых равна стабильности стандарта. Относительная погрешность воспроизведения секунды им 10^-13­.­­

2)водородный квантовый генератор (активный)

В источнике под влиянием электрич разряда молекулы водорода расщипляются на атомы и получается узкий слаборасходящийся пучок, который летит через магнитное поле многополюсного магнита. Это поле фокусирует возбужденные атомы к оси, а атомы в основном состоянии разбрасывает в стороны. Возбужденные попадают в кварцевую колбу, где переходят в основное состояние и излучают фотоны. Фотоны остаются в резонаторе, что создает обратную связь, необходимую для самовозбуждения генератора. Чтобы повысить эффективность самовозбуждения колбу кварцевую покрывают тефлоном, что увеличивает кол-во отражений фотонов без значительной потери энергии первоначальной.

3) оптические стандарты частоты.

ОСЧ это КСЧ, в котором частотным репером служит спектральная линия лазера. Исп-ся газовые лазеры в сочетании с у-вом для сравнения с частотой эталона или стандарта частоты радиодиапазона.

В первых ОСЧ лазеры стабилизировались по «провалу Лэмба» (явление резонансного падения выходной мощности газового лазера в центре линии усиления).

Для получения сверхузких линий примеяется обратный провал Лэмба. В резонатор можно поместить кювету с поглощающим газом, насыщение которого приведет к усилению выходной мощности в центре провала Лэмба.

Основу эталона составляет атомный стандарт частоты. В центре генератора находится круглая колба диаметром = 10 см помещенная в экран защищающая ее от внешних эл.маг. полей. Колба изготовлена из кварцевого стекла. Требования к качеству изготовления колбы очень высокие. При работе генератора в колбу поступает пучок атомов водорода бомбардирует стенки колбы, а стенки колбы начинают резанировать. Аппаратура, которая улавливает эти микроколебания регистрирует их частоту. С помощью электронной схемы эту частоту делят на 10^9 и получается единица времени сек.

Чтобы обеспечить точность применяется комплекс аппаратуры в которой работает не один генератор а 3. Проводятся дополнительные сличения точного географического времени через спутниковые системы с эталоном находящимся в Москве. При аварийном отключении электричества немедленно включается источник бесперебойного питания, а через 10 сек. Автоматически запускается небольшая электростанция.

Источники прослеживаемости: Франция, Россия, Украина, Литва, Казахстан