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量子頻率標準

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能產生標準頻率信號用來進行頻率和時間測量的計量裝置。它以原子(或分子、離子等,下同)內部量子躍遷的發射或吸收頻率為參考標準。

1 量子頻率標準 -量子頻率標準

 

2 量子頻率標準 -正文

  能產生標準頻率信號用來進行頻率和時間測量的計量裝置。它以原子(或分子、離子等,下同)內部量子躍遷的發射或吸收頻率為參考標準。根據玻爾頻率條件,原子在兩個能量為EmEn的狀態間發生躍遷時, 發射或吸收頻率為v0的輻射

v0=|EmEn|/h

式中h為普朗克常數。由於原子內部狀態不易受外界干擾,這種躍遷頻率比較穩定。
  發展簡況  量子頻標起源於波譜學研究。20世紀40年代,在氣體波譜學研究中人們發現某些物質的波譜譜線不僅頻率穩定,而且寬度很窄,可用以鑒別信號源頻率的微小變動。於是開始以氨分子的反演吸收線(v0=23870兆赫)來控制無線電振蕩頻率的分子頻率標準(1948年,美國國家標準局)。1954年發明氨分子微波激射器,其振蕩信號具有極高的頻譜純度和頻率穩定性,很快被用作頻率標準(見量子電子學)。此後,用銫原子基態超精細躍遷譜線來自動鎖定石英晶體振蕩器的銫原子頻標出現(1955年,英國國家物理研究所)。1960年激光問世以後,用單色性極好的激光信號作光頻頻率標準有了可能。在高性能穩頻激光器和光頻測量研究的基礎上,人們正在研究新的光頻標準。
  應用  量子頻標作為既準確又精密的頻率、時間測量工具,在現代科學技術中的應用十分廣泛。周期運動的頻率和周期互為倒數,所以,頻率標準也是時間標準。1967年,第13屆國際計量大會決定,以無干擾的量子頻率標準Cs原子基態超精細躍遷的輻射周期的9192631770倍持續時間為國際時間單位的一秒。這個自然秒長由銫束原子頻率標準來實現。連續運轉的量子頻標(原子鐘)已作為主要的守時工具,與天文守時手段互相補充。在物理學的基礎研究中,原子頻標對精確測定物理常數,確定原子分子能級,檢驗量子電動力學和相對論理論都有重要貢獻。在其他科學技術領域,如天文觀察、大地測量、導航、通信、電視、衛星跟蹤、電網調節、精密儀器校準、高速交通管制等方面、量子頻標都發揮了重要作用。
  依靠量子頻標進行的頻率時間測量,所能達到的準確度和精密度是現代一切物理量測量中最高的。因此,人們傾向於把其他各種物理量,如長度、電壓、溫度、電流強度、磁場強度等,通過一定關係轉換為頻率來進行測量。根據光速的確定數值以統一長度和時間的計量基準已經實現。因此,量子頻標在現代計量學中佔有特殊的重要地位。
  種類  按工作方式不同,量子頻標可分為被激型和自激型兩種。
  被激型頻標  原子的躍遷靠外加輻射場激勵。當輻射場頻率接近於量子躍遷頻率時,就能得到一條共振譜線,即可供鑒頻之用。通過伺服電路,能把外加輻射場的頻率穩定在共振譜線的中心頻率上。在微波波段,一般採用頻率為幾兆赫的石英晶體振蕩器,通過倍頻綜合,產生頻率接近於量子躍遷頻率的輻射場。其原理方框圖見圖1。按這類方式工作的典型頻標有銫原子束頻標、銣光抽運氣泡式頻標和被激型氫原子頻標。各種穩頻激光器原則上也是這樣工作的,所不同的是外加輻射場直接由激光器產生(見量子頻率標準器件)。

量子頻率標準量子頻率標準

  自激型頻標  以原子系統產生的受激發射振蕩信號為參考標準。為了產生激射振蕩,必須設法使原子系統處於粒子數反轉狀態,並且在諧振腔中與輻射場相互作用。激射振蕩信號往往很弱,而且原子躍遷頻率不是測量所需的常用值,因此一般還採用鎖相接收技術,靠量子振蕩信號頻率來鎖定作為本機振蕩信號源的石英振蕩器頻率。這類頻標的整體原理方框圖見圖2。氫原子激射器頻標是自激型頻標的典型。此外,還有氨分子激射器和銣光抽運激射器等。

量子頻率標準量子頻率標準

  量子頻標對原子系統有兩個要求:一是量子躍遷信號大,信噪比高,譜線寬度小,頻率適宜;其次是量子躍遷中心頻率穩定,不易受環境變化的干擾。幾種主要實用頻標都選擇單價原子(1H,量子頻率標準Rb,量子頻率標準Cs)的基態超精細能級間的躍遷,其頻率分別為1420405751.768赫,6834682613赫和9192631770赫。
  研究課題  量子頻標研究中有兩個重要課題。
  壓縮譜線的寬度  旨在使原子系統的鑒頻作用非常敏銳。譜線增寬的主要原因有多普勒效應、原子碰撞,以及原子與輻射場相互作用時間有限等。為了克服這些因素造成的譜線增寬,可採用如原子束(銫束頻標)、充緩衝氣體(銣氣泡頻標)、器壁塗敷(氫激射器)等各種技術。在銫束頻標中還使用分離輻射場共振技術,使躍遷信號出現非常尖銳的冉賽(Ramsey)花樣(圖3),中間峰的寬度可做到僅25赫,譜線Ql值(即中心頻率與線寬之比,Qlv0/墹v)達3.5×108。而氫激射器的Ql可達2×109。壓縮譜線寬度的方法還在不斷發展,如離子儲存和激光冷卻等技術。

量子頻率標準量子頻率標準

  減小量子躍遷中心頻率的移動  應用原子束、離子 儲存等技術都有利於達到這一目的。
  性能指標  量子頻標的主要性能指標有頻率穩定度和頻率準確度。
  頻率穩定度  在一定測量取樣時間內,不同取樣間的相對頻率變化。可以區分為短期(取樣時間一天以內)和長期(取樣時間一天以上)穩定度。造成頻率的短期不穩的主要原因是頻標內部的雜訊,它可用雜訊譜密度S(f)來表示,但通常用頻率變化的方差來描述。頻率的長期不穩主要是由環境因素的變化和頻標內部參量的衰變引起的。
  頻率準確度  輸出頻率與標稱頻率的偏離程度,也用相對偏差表示。一級頻率標準(也稱頻率基準)可以根據秒的定義值,通過實驗測量和理論計算,估計出各種已知因素引起的頻率偏差的數值,並給出估算的不確定度,由此定出頻標的準確度。現代多以實驗室銫束頻率標準為基準,最好的準確度為10-14數量級。氫激射器頻標能達到(1~2)×10-12的準確度。一般的頻率標準(二級頻標或工作標準)的頻率值靠頻率基準或高一級標準校準,以及靠它的長期頻率穩定性和重現性來保證準確度。
  參考書目
 P. Kartaschoff,Frequency and Time,Academic Press,New York,London,San Francisco,1978.

 

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