|
ВВЕДЕНИЕ
Определение частоты стало наиболее точным измерительным процессом. Поэтому все шире проявляется тенденция сведения измерений самых разнообразных физических величин к измерению частоты. Это в свою очередь предъявляет все более жесткие требования к точности, надежности и удобству измерения частоты и превращает этот процесс в одну из наиболее актуальных физических и технических задач. С этой проблемой тесно связаны точные измерения промежутков времени и разности фаз периодических процессов, необходимые для многих областей науки и техники. В качестве примеров областей применения точного измерения частоты можно привести службу времени, навигацию, исследования космоса и многие другие области науки. Основными элементами систем измерения частоты являются опорный стандарт или репер частоты и аппаратура сравнения измеряемой частоты со стандартом или репером. Стандарт или репер частоты являются также основой систем измерения времени и разности фаз.
Естественно, что наиболее строгие требования предъявляются к эталону частоты (времени). Однако во многих практических случаях необходимая точность стала столь высркой, что требования к вторичным эталонам, стандартам и реперам частоты не отличаются от требований, предъявляемых к эталону. Различие между ними в существенной мере относится не к техническим характеристикам, а определяется принятой метрологической иерархией. При этом во многих случаях от задающих генераторов ряда измерительных систем требуются выходные сигналы с более чистым спектром, чем это нужно для эталона частоты (времени). Такое, казалось бы, парадоксальное положение возникает вследствие того, что служба времени допускает применение длительного усреднения, ведущего к существенному очищению спектра сигнала, но неприменимого в других системах.
Создание и усовершенствование квантовых стандартов и реперов частоты привело к тому, что они все шире внедряются в разнообразные службы и системы, начиная от национальных эталонов частоты (времени) и кончая обычными лабораторными системами. В настоящее время имеется целый ряд квантовых систем, могущих служить основой эталонов, стандартов и реперов частоты. Их обычно подразделяют на два класса. К первому относятся активные системы — квантовые генераторы, а именно молекулярный генератор на пучке молекул аммиака или других молекул, атомный генератор на пучке атомов водорода и еще~недостаточно изученный генератор с оптической накачкой паров рубидия. Ко второму классу относятся пассивные системы, в которых спектральная линия используется как дискриминатор при измерении или при подстройке частоты вспомогательного кварцевого генератора. К этому классу принадлежат атомнолучевой стандарт с пучком атомов цезия, стандарт частоты с парами рубидия и оптической накачкой, а также находящийся в стадии разработки атомнолучевой стандарт с пучком атомов таллия.
Технические характеристики этих приборов весьма различны. Существенно различаются также встречающиеся в литературе многочисленные определения точности и стабильности стандартов частоты. Почти при каждой модификации эксперимента вводится новое определение, причем иногда оно дается недостаточно четко, а в некоторых работах определения не поддаются однозначному толкованию. Некоторые из определений, принятых в литературе, отражают действительные различия в свойствах приборов, другие отличаются лишь формой, в сущности повторяя друг друга. В ряде случаев различные авторы вкладывают в один и тот же термин неодинаковое содержание, определяемое методикой эксперимента. Приведем здесь основные определения, которые применяются в книге 1).
1) Эти определения относятся к квантовым эталонам, стандартам и реперам, различающимся между собой не столько характеристиками, сколько назначениеми местом в метрологической иерархии.
Эталон частоты — это мера частоты, хранящая и воспроизводящая единицу частоты — герц с наибольшей достижимой в данное время точностью.
Эталоном частоты (времени) служит совокупность приборов, предназначенная для физического определения избранного значения частоты, для выработки сигналов единицы частоты (герца) и единицы времени (секунды), для сличения их с астрономическими определениями секунды и для сличения с ними сигналов, даваемых вторичными эталонами или стандартами частоты (времени).
Вторичным эталоном частоты (времени) является совокупность приборов, по классу точности и метрологическим возможностям приближающаяся к эталону, но подлежащая калибровке по эталону.
Стандартом частоты называется прибор, по классу точности приближающийся к эталону или обеспечивающий выдачу более или менее широкого набора выходных частот и снабженный устройством для сравнения частот исследуемых для измеряемых сигналов с частотой, даваемой стандартом.
Репером частоты называется совокупность приборов, позволяющая наблюдать избранную спектральную линию, не внося в нее существенных возмущений, и с высокой точ-ностыРтравнивать с фиксируемою ею частотой частоту внешних сигналов.
Из приведенных определений следует, что в основе любого из перечисленных приборов может лежать как активная, так и пассивная система, опирающаяся на надлежащим образом выбранную наблюдаемую спектральную линию.
Приведем теперь важнейшие характеристики, определи ющие качество квантовых эталонов, стандартов и реперов частоты (времени).
Стабильность — это способность сохранять выбранное значение частоты неизменным в течение произвольного времени. Стабильность характеризуется средним квадратичным значением изменения частоты за определенный промежуток времени. Следует учитывать, что количественная оценка стабильности данного устройства может значительно изменяться в зависимости от времени усреднения. При измерении стабильности обычно фиксируют изменения
разности частот двух идентичных или близких по качеству устройств. Поэтому указанную характеристику обычно называют относительной стабильностью частоты.
Иногда удобнее выбирать в качестве характеристики прибора нестабильность частоты, являющуюся обратной мерой стабильности частоты.
Нестабильность частоты характеризует случайные изменения частоты. Численно нестабильность выражается величиной дисперсии частоты за рассматриваемый промежуток времени.
Каждый частотный репер или выходной сигнал стандарта частоты характеризуется действительным значением частоты, определяемым из сравнения с эталоном или прибором более высокого класса точности.
Разность между действительным значением частоты и ее номинальным значением (т. е. значением, указываемым для данного устройства при нормальных условиях работы) называется погрешностью частоты. Во многих случаях удобно вводить относительную погрешность частоты, т. е. отношение погрешности частоты к ее номинальному значению. Величина, обратная погрешности частоты, называется точностью частоты. Она характеризует достоверность номинального значения частоты. Точность воспроизведения, или воспроизводимость, частоты характеризует достоверность действительного значения частоты и является величиной, обратной нестабильности воспроизводимой частоты. Эта величина характеризует повторяемость частоты при многократных включениях устройства.
Как видно из изложенного, приведенные характеристики не дают возможности оценить качество самого эталона частоты (времени). Слова «с наибольшей достижимой в данное время точностью», входящие в определение эталона, не могут заменить такой оценки. Для оценки качества эталона частоты может служить специальный параметр — верность частоты.
Верность частоты — характеристика, определяемая из исследований свойств самого эталона и показывающая точность, с которой система приборов, образующая эталон, определяет избранное значение единицы частоты.
Все существующие квантовые стандарты частоты опираются на спектральные линии атомов и молекул, расположенные в сантиметровом и дециметровом диапазонах волн. Большинство систем, требующих применения высокостабильных частот, работает в более длинноволновых диапазонах. Поэтому в каждом квантовом стандарте частоты можно выделить два основных блока. Один из них служит для наблюдения спектральной линии. Он, по-существу, и является квантовым репером частоты. Второй из них служит для преобразования частоты, определяемой репером, в радиодиапазон или в другой частотный диапазон.
Кк сказано выше, репер частоты может быть активным, т. е. генерировать колебания на частоте, определяемой спектральной линией, или пассивным, когда спектральная линия служит основой дискриминатора в схеме автоматической подстройки частоты. Во втором случае зачастую невозможно четко разделить систему на репер и схему преобразования, ибо из конструктивных соображений радиосхема одновременно служит и для наблюдения спектральной линии и для преобразования частоты. Казалось бы, для преобразования сигналов активных квантовых стандартов частоты проще всего применить систему делителей частоты. Однако для существующих делителей частоты СВЧ-диапазона порог режима деления частоты значительно выше мощности сигналов активных квантовых стандартов частоты. Поэтому практическое применение нашли более сложные схемы преобразования, включающие вспомогательный высокостабильный кварцевый генератор и систему фазовой автоподстройки этого генератора по квантовому стандарту частоты. В пассивных квантовых стандартах частоты тоже применяются вспомогательные высокостабильные кварцевые генераторы, управляемые схемами автоматической подстройки частоты по квантовому реперу.
Первая часть книги посвящена изложению физических основ и теории квантовых стандартов частоты, включая вопросы их стабильности.
Вторая часть посвящена конструкции квантовых стандартов частоты, а также методам расчета основных узлов.
Третья часть посвящена радиосхемам квантовых стандартов частоты и методам их исследования.
KOHEЦ ФPAГMEHTA КНИГИ
|
