КВАНТОВЫЙ ГЕНЕРАТОР
генератор электромагнитных волн, в к-ром
используется явление вынужденного излучения (см.Квантовая электроника).
К.г.
радиодиапазона сверхвысоких частот (СВЧ), так же как и квантовый усилитель
этого
диапазона, часто наз. мазером. Первый К. г. был создан в диапазоне
СВЧ в 1955 одновременно в СССР (H. Г. Басов и A. M.
Прохоров)
и
в США (Ч. Таунс). В качестве активной среды в нём использовался
пучок молекул аммиака. Поэтому он получил назв. молекулярного генератора.
В
дальнейшем был построен К. г. СВЧ на пучке атомов водорода. Важная особенность
этих К. г.- высокая стабильность частоты генерации, достигающая 10-13,
в силу чего они используются как квантовые стандарты частоты.
К. г. оптич. диапазона - лазеры (оптические квантовые генераторы,
ОКГ) появились в 1960. Лазеры работают в широком диапазоне длин волн от
ультрафиолетовой до субмиллиметровой областей спектра, в импульсном и непрерывном
режимах. Существуют лазеры на кристаллах и стёклах, газовые, жидкостные
и полупроводниковые. В отличие от др. источников света, лазеры излучают
высококогерентные монохроматические световые волны, вся энергия к-рых концентрируется
в очень узком телесном угле.
Лит. см. при ст. Квантовая электроника.
<КВАНТОВЫЙ ГИРОСКОП, прибор, позволяющий обнаруживать вращение
тела и определять его угловую скорость, основанный на гироскопич. свойствах
электронов, атомных ядер или фотонов.
Лазерный (оптический) г и р о с к о п. Датчиком оптич. гироскопа служит
кольцевой лазер, генерирующий две бегущие навстречу друг другу световые
волны, к-рые распространяются по общему световому каналу в виде узких монохроматич.
световых пучков. Резонатор кольцевого лазера (рис. 1) состоит из трёх (или
больше) зеркал
1,2,3, смонтированных на жёстком основании
и образующих замкнутую систему. Часть света проходит через полупрозрачное
зеркало 3 и попадает на фотодетектор 5. Длина волны, генерируемая
кольцевым лазером (в пределах ширины спектральной линии рабочего вещества),
определяется условием, согласно к-рому бегущая волна, обойдя контур резонатора,
должна прийти в исходную точку с той же фазой, к-рую имела вначале.
Рис. 1. Схема лазерного гироскопа: /, 2,4 - непрозрачные зеркала;
3
- полупрозрачное зеркало; 5 - фотодетектор.
Если прибор неподвижен, то это имеет место, когда в периметре P контура
(с - скорость света).
Если же весь прибор вращается с угловой скоростью Здесь S -площадь, охватываемая контуром резонатора. Фотодетектор, чувствительный
где
Напр., для квадратного гелий-неонового К. г. (см. Газовый лазер)
Земли известной, можно с точностью до долей град определить широту Интегрирование угловой скорости вращающегося тела по времени (к-рое
Ядерные и электронные гироскопы. В ядерных К. г. используются вещества
T. к. величина момента M будет постепенно убывать благодаря релаксации,
В К. г., работающем по методу ядерной индукции, вращение с угловой скоростью В динамическом ядерном гироскопе суммарный ядерный магнитный момент
Электронные К. г. аналогичны ядерным, но в них применяются вещества,
Несмотря на то что К. г., особенно оптические, непрерывно совершенствуются,
Лит.: Привалов В. E., Фридрихов С. А., Кольцевой газовый лазер,
А
Б
В
Г
Д
Е
Ё
Ж
З
И
Й
К
Л
М
Н
О
П
Р
С
Т
У
Ф
Х
Ц
Ч
Ш
Щ
Ъ
Ы
Ь
Э
Ю
Я
укладывается целое число n длин волн
o,
т. е. P = n
вокруг направления, составляющего угол
с перпендикуляром к его плоскости (рис. 2), то за время обхода волной контура
последний успеет повернуться на не-к-рый угол. В зависимости от направления
распространения волны путь, проходимый ею до совмещения фазы, будет больше
или меньше P (см. Доплера эффект). В результате этого частоты встречных
волн становятся неодинаковыми. Можно показать, что эти частоты
-
и v+ не зависят от формы контура и связаны с частотой
вращения прибора соотношением:
к интенсивности света, в этом случае зарегистрирует биения с разностной
частотой:
со
стороной 25 см
этом суточное вращение Земли, происходящее с угловой скоростью
= 15 град/ч, на широте € = 60° должно приводить к частоте биений
= 15 гц. Если ось К. г. направить на Солнце, то, измеряя частоту
биений и считая угловую скорость
вращения
места, на к-рой расположен К. г.
может выполняться автоматически) позволяет определить угол поворота, как
функцию времени. Предел чувствительности оптич. К. г. теоретически определяется
спонтанным
излучением атомов активной среды лазера. Если частоте биений
= 1 гц соответствует угол поворота в 1 град/ч, то предел
точности К. г. равен 10-3 град/ч. В существующих оптич.
К. г. этот предел ещё далеко не достигнут.
с ядерным парамагнетизмом (вода, органич. жидкости, газообразный
гелий, пары ртути). Атомы или молекулы таких веществ в основном (невозбуждённом)
состоянии обладают моментами количества движения, обусловленными только
спинами
ядер
(электронные же спиновые моменты у них скомпенсированы, т. е. все электроны
спарены). Со спинами ядер связаны их магнитные моменты. Если ориентировать
магнитные моменты ядер, напр, при помощи внешнего магнитного поля, а затем
ориентирующее поле выключить, то в отсутствие др; магнитных полей (напр.,
земного) возникший суммарный магнитный момент M будет нек-рое время
сохранять своё направление в пространстве, независимо от изменения ориентации
датчика. Такой статический К. г. позволяет определить изменение положения
тела, связанного с датчиком гироскопа.
то
для К. г. выбирают вещества с большими временами релаксации, напр, некоторые
органич. жидкости, для к-рых время релаксации
составляет неск. мин, жидкий 3He (ок. 1 ч) или
раствор жидкого 3He (10-3% ) в 4He (около года).
датчика К. г., к-рый содержит ядра с ориентированными магнитными моментами,
эквивалентно действию на ядра магнитного поля с напряжённостью H =/
поля H приводит к появлению переменной эдс в катушке L, охватывающей
рабочее вещество К. г. (рис. 3). Определение частоты
вращения тела, связанного с датчиком К. г., сводится к измерению частоты
электрич. сигнала, к-рая пропорциональна
(см. Ядерный магнитный резонанс).
M
датчика
прецессиру-ет вокруг постоянного магнитного поля H,
жёстко связанного
с устройством. Вращение датчика вместе с полем H
с угловой скоростью
приводит к изменению частоты прецессии магнитного момента M, приблизительно
равному проекции вектора на
Н. Это изменение регистрируется в виде электрич. сигнала. Для получения
высокой чувствительности и точности в этих приборах требуется высокая стабильность
и однородность магнитного поля H. Напр., для обнаружения изменения
частоты прецессии, вызванного суточным вращением Земли, необходимо, чтобыН/Н<=I0-9.
Для экранировки прибора от действия внешних магнитных полей применяются
сверхпроводники (см. Сверхпроводимость). Напр., если поворот датчика
обусловлен суточным вращением Земли, то остаточное поле в экране не должно
превышать 3· 10-9 э.
атомы или молекулы к-рых содержат неспаренные электроны (напр., устойчивые
свободные радикалы, атомы щелочных металлов). Хотя времена релаксации электронных
спинов малы, электронные К. г. перспективны, т. к. гиромагнитное отношение
частота прецессии, что важно для многих применений.
их точность и чувствительность ещё уступают лучшим образцам механич. гироскопов.
Однако
К. г. обладают рядом существенных преимуществ перед механич. гироскопами:
они не содержат движущихся частей (безынерционны), не требуют арретирования,
обладают высокой надёжностью и стабильностью, приводятся в действие в течение
короткого промежутка времени, могут выдержать значит, ускорения и работать
при низких темп-pax. Нек-рые типы К. г. уже применяются не только как высокочувствительные
индикаторы вращения, ориентаторы и гирометры, но и как гирокомпасы,
гиробуссоли
и секстанты.
"Успехи физических наук", 1969, т. 97, в. 3, с. 377; Померанцев H. M.,
Скрой-к ни Г. В., физические основы квантовой гироскошга, там же, 1970,
т. 100. в. 3, с. 361. Г. В. Скроцкий.