Превращения гиперболоида инженера Гарина
Шрифт:
Для магнитометра, напротив, нужны спектральные линии, частота которых сильно изменяется под влиянием магнитного поля. Такие линии соответствуют очень длинным радиоволнам. Поэтому колбочка магнитометра помещается не внутри объемного резонатора, а в катушке, напоминающей катушку радиоприемника.
Так же как в стандарте частоты, момент резонанса радиоволны и атомов рубидия определяется по увеличению поглощения света в парах рубидия. Но измерение частоты резонанса тут не самоцель. Ведь для наблюдаемых здесь спектральных линий частота резонанса однозначно связана с внешним магнитным полем. Примерно так же, как положение стрелки весов с весом груза. Можно сказать, что частота играет в магнитометре роль стрелки. Но показание весов зависит от того, как они установлены на столе, и может меняться в пределах нескольких процентов. Отсчет квантового магнитометра в десятки тысяч раз точнее. Это обеспечивается выдающимися свойствами примененной в
Но вернемся к квантовому магнитометру. Исследования показали, что он действительно способен с огромной точностью измерить магнитное поле Земли и его изменения. Это открывает ему путь и в лаборатории геофизиков, изучающих свойства Земли, и в экспедиции разведчиков нефти, руд и других полезных ископаемых. Ему открыт путь в космос для исследования магнитных свойств Луны и планет, для изучения магнитных полей, связанных с потоками заряженных частиц, выбрасываемых Солнцем.
На этом могла бы окончиться главка, посвященная вторжению квантовой электроники в мирное царство геофизики. Могла бы… Но мы не узнали бы самого интересного. В целях удобства, надежности и простоты измерений ученые хотели превратить пассивный прибор, получающий высокочастотную энергию от внешнего источника, в активный квантовый генератор, частота которого строго определяется окружающим магнитным полем. Однако расчеты показали, что, даже создав инверсию энергетических уровней атомов рубидия, служащих для измерения магнитного поля, не удастся преодолеть всех потерь энергии, неизбежных при работе на низких частотах.
Это все же не остановило ученых. Они решили задачу совсем не так, как это сделано в квантовых генераторах стандартов частоты. В этих генераторах атомы и молекулы служат не только в качестве резонансных элементов, определяющих частоту колебаний, но и в роли поставщиков энергии, необходимой для генерации. Лишь третье звено генератора — система обратной связи осуществляется при помощи внешнего объемного резонатора. Это возможно потому, что потери энергии в объемном резонаторе могут быть сделаны очень малыми. При этом относительно большая энергия квантов электромагнитного поля сверхвысокой частоты, на которой работают эти стандарты, достаточна для преодоления неизбежных потерь и для обеспечения генерации.
Энергия квантов низкочастотного поля, которое используется в магнитометрах, в сотни тысяч раз меньше, чем в случае поля сверхвысокой частоты (применяемого в стандартах частоты), а потери энергии в катушках и конденсаторах в сотни раз больше, чем в объемных резонаторах. Поэтому добиться генерации за счет энергии, излучаемой атомами на низкой частоте, невозможно. Кажется, что столь привлекательная идея создания генерирующего квантового магнитометра попала в тупик. Атомы явно не справлялись с поставленной перед ними задачей. Учитывая это, надо было помочь им и вводить недостающую энергию в прибор извне при помощи специального усилителя, работающего на полупроводниковых триодах. Атомы рубидия, находящиеся в колбочке магнитометра, теперь должны были играть не только роль резонансного контура, определяющего частоту колебаний, но одновременно через них должна осуществляться обратная связь между выходными клеммами усилителя и его входом. Таким образом, в новом приборе обратная связь происходит только на частоте, определяемой величиной измеряемого магнитного поля, действующего на атомы рубидия. Поэтому частота генерации в нем однозначно связана с величиной магнитного поля и для измерения магнитного поля достаточно измерить частоту.
Генерирующие магнитометры такого типа разработаны во многих странах. В Советском Союзе эту работу выполнили два недавно окончивших институт физика Е. И. Дашевская и А. Н. Козлов. Козлов занимался главным образом радиотехнической частью прибора, Дашевская проводила физические исследования. (Теперь они уже кандидаты наук.) Моряки любят рассказывать о трагедиях, вызванных ошибкой компаса, вблизи которого случайно оказался кусок железа. Магнитометр — это своего рода сверхчувствительный компас. Можно представить себе, как он реагировал бы в подобных случаях! Исследовать и налаживать такой прибор в обычных условиях невозможно. Поэтому решающую часть своей работы Дашевская и Козлов проводили в «немагнитном» магнитном павильоне, в условиях, при которых век нейлона переплетается
Для создания генерирующего магнитометра Козлову пришлось создать специальные усилители. Они должны были усиливать сигнал, поступавший к их входу, но ни в коей мере не влиять ни на какие другие его свойства. Только при этом частота колебаний, возникающих в магнитометре, будет определяться величиной магнитного поля, действующего на атомы рубидия.
Бесконечными часами в тиши магнитного павильона молодые ученые испытывали прибор при всех значениях магнитного поля, для измерения которого он предназначался. И их труды увенчались успехом. Но это было лишь началом.
Теперь Козлов должен был создать схему, которая, измеряя частоту, генерируемую прибором, выдавала результат измерения прямо в единицах магнитного поля. Он добился и того, что этот результат получался в форме наиболее удобной для передачи по радио, и снова начались тщательные исследования, усовершенствования и проверки.
А наряду с этим приходилось решать и сложные физические проблемы. И в нашей стране и за рубежом велись исследования тонких особенностей спектральных линий, применяемых для измерения магнитного поля. Ученые обнаружили, что форма этих линий изменяется в зависимости от направления света накачки относительно магнитного поля. При повороте прибора спектральная линия теряет симметричный вид, перекашиваясь в ту или другую сторону. Внимательное теоретическое исследование и кропотливые опыты показали, что это не дефект прибора. Формулы говорили, что в атомах рубидия существует несколько очень близких энергетических уровней. Каждый из них порождает самостоятельную спектральную линию, но они так близки, что прибор не способен разделить их и изображает в виде одной немного расширенной линии. Но в действительности их несколько, хотя они и замаскированы. Как выяснилось, эффективность взаимодействия света с каждой из них зависит от направления лучей света относительно магнитного поля. В результате простой поворот прибора приводил к тому, что относительная величина отдельных неразличимых спектральных линий изменялась. При этом деформировался и контур, охватывающий эти линии-невидимки, смещалась его вершина. Так при движении пальцев меняется форма рукавицы. Но так как отсчет частоты производится по общему контуру линии, то при поворотах прибора его показания оказывались немного различными. Конечно, ошибка не очень велика, но при измерениях самых слабых магнитных полей она недопустима. В лабораторных условиях можно было бы избежать этой ошибки, произведя два отсчета при противоположных направлениях прибора и усредняя оба отсчета. Но во многих случаях это неудобно, а иногда и невыполнимо — как с этим справиться при автоматических измерениях в космосе?
Об этих тонкостях можно было бы не упоминать, если бы они были лишь придиркой взыскательных исследований. Но именно такая трудность и возникнет в самых реальных условиях и в самом близком будущем при исследовании магнитных полей Луны, Марса и Венеры. Ведь уже известно, что они очень малы. А Луна, возможно, совсем не имеет магнитного поля. И это надо проверить!
Американские ученые избрали простейший путь. Они, по существу, объединили два прибора в одном. Для этого им пришлось поставить с обеих сторон газосветной лампы две одинаковые колбочки с парами рубидия, два фотоприемника, два усилителя и заставить радиосхему автоматически выдавать усредненное значение величины магнитного поля, фиксируемого в каждой половине прибора. Задача была решена, но вес прибора, его размеры и потребляемая им энергия стали больше. Это было слишком грубое решение задачи.
Лена и Александр рискнули пойти другим путем. Они установили, что основную роль в искажении результирующей формы спектральной линии играют столкновения атомов рубидия с инертным газом, вводимым в колбочку магнитометра так же, как в колбочку стандартов частоты с оптической накачкой. Оказывается, именно эти столкновения приводят к различию во взаимодействии света с отдельными спектральными линиями, совокупное действие которых дает сигнал измерения магнитного поля.
В стандартах частоты используется только спектральная линия, не зависящая от магнитного поля. Те линии, которые от него зависят, сдвигаются в стороны вспомогательным магнитным полем и не участвуют в работе. Поэтому в стандартах частоты инертный газ не искажает формы рабочей линии. Здесь же искажения формы были неизбежны.
Выход был один. Нужно убрать из колбы инертный газ. Вредным на этот раз оказалось как раз то, что недавно было необходимым!
Получалось вроде сказки про белого бычка. То инертный газ напускался специально, и это был шаг вперед. Теперь это оказалось тормозом. Но ведь опыт работы со стандартами частоты показал, что обойтись без инертного газа в рабочей колбе нельзя. В колбочках разумных размеров это привело бы к сильному расширению спектральной линии рубидия из-за эффекта Допплера и к потере стабильности частоты. Может быть, поэтому никто не решался на такой шаг и при разработке магнитометра.