Радиоспектроскоп

Полезная модель относится к технике квантовых устройств и может быть использована в квантовых стандартах частоты на газовой ячейке с оптической накачкой. Технический результат заключается в повышении стабильности квантового стандарта частоты путем обеспечения режима нулевого ориентационного сдвига частоты радиооптического резонанса в радиоспектроскопе. Радиоспектроскоп на газовой ячейке содержит магнитный экран, катушку для создания однородного магнитного поля, теплоизолируюшую камеру, внутри которой размешены спектральная лампа, наполненная рубидием 87, ячейка-фильтр, наполненная рубидием 85 и буферным газом, и резонатор с нагревателем, датчиком температуры, фотодетектором и газовой ячейкой, наполненной рубидием 87 и смесью буферных газов. Ячейка-фильтр снабжена нагревателем с датчиком температуры. Между спектральной лампой и ячейкой-фильтром помещен интерференционный фильтр для выделения линии накачки D₂ в пропорции по отношению к линии накачки D₁ не менее 10 к 1.

Полезная модель относится к технике квантовых устройств и может быть использована в квантовых стандартах частоты на газовой ячейке с оптической накачкой. Подобные устройства широко применяются в дальней космической связи, службе точного времени, а также при уточнении фундаментальных констант и проверке положений теории относительности.

К аналогам полезной модели относят рубидиевые радиоспектроскопы с изотопической фильтрацией света накачки, составляющие основу пассивных стандартов частоты на газовой ячейке. Принцип paботы таких устройств основан на стабилизации частоты подстраиваемого кварцевого генератора относительно частоты спектральной линии, соответствующей квантовому переходу в сверхтонкой структуре основного состояния атомов рубидия, см. например [В.В.Григорьянц, М.Е.Жаботинский, В.Ф.Золин. Квантовые стандарты частоты. Наука, 1967, 288 c], [А.И.Пихтелев, А.Л.Ульянов, Б.П.Фатеев и др. стандарты частоты и времени на основе квантовых генераторов и дискриминаторов // М., Сов. радио, 1978, 304 с |, [Ф.Риле стандарты частоты. Принципы и приложения // Пер. с англ. - М.: ФИЗМЛТЛИТ. 2009. - 512 С.|.

Известен квантовый стандарт частоты [RU 2220499, H03L 7/16, H01S 3/10, опубл. 27.12.2003], содержащий последовательно соединенные в замкнутое кольцо автоматической подстройки частоты (АПЧ) подстраиваемый кварцевый генератор, умножитель частоты, преобразователь частоты, квантовый дискриминатор и формирователь управляющего напряжения, выход которого подключен к управляющему входу подстраиваемого кварцевого генератора, а также синтезатор частоты, первый и второй выходы которого соединены соответственно с вторым входом преобразователя частоты и вторым входом формирователя управляющего напряжения, а вход соединен с выходом подстраиваемого кварцевого генератора. Дополнительно введен делитель частоты, вход которого подключен к выходу умножителя частоты, при этом выход делителя частоты образует выход квантового стандарта частоты.

Недостатком известного устройства является зависимость его резонансной частоты рабочего магнитного поля, вариации которого по величине и направлению приводят к уменьшению от постельной стабильности частоты подстраиваемого кварцевого генератора.

Ближайшим аналогом заявляемой полезной модели является радиоспектроскоп на газовой ячейке [SU, 1671103, H01S 1/06, опубл. 10.05.1995]. Радиоспектроскоп содержит магнитный экран, катушку для создания однородного магнитного поля, теплоизолирующую камеру, внутри которой размещены спектральная лампа, наполненная рубидием 87 (⁸⁷Rb.), ячейка-фильтр, наполненная рубидием 85 (⁸⁵Rb) и буферным газом, и резонатор с нагревателем, датчиком температуры, фотодетектором и газовой ячейкой, наполненной рубидием 87 и смесью буферных газов,

Недостатком известного устройства, принятого за прототип, являются погрешности измерений резонансной частоты, вызванные ее ориентационной зависимостью от угла света между направлением магнитного поля и лучом света накачки. Изменение этого угла может быть обусловлено различными причинами, например, изменением ориентации датчика в пространстве, изменением коэффициента экранирования магнитных экранов, наличием внешних магнитных наводок и т.п. С другой стороны, отсутствие в прототипе схемы термостатирования ячейки-фильтра приводит к дрейфу температуры нагрева этого элемента, что непосредственно влияет на величину долговременной стабильности резонансной частоты радиоспектроскопа.

Задачей полезной модели является разработка радиоспектроскопа с повышенной стабильностью за счет уменьшения ориентационной погрешности измерений частоты в составе квантового стандарта частоты путем обеспечения режима нулевого ориентационного сдвига частоты радиооптического резонанса.

Поставленная задача достигается тем, что в радиоспектроскопе, содержащим магнитный экран, катушку для создания однородного магнитного поля, теплоизолирующую камеру, внутри которой размещены спектральная лампа, наполненная ⁸⁷Rb, ячейка-фильтр, наполненная ⁸⁵Rb и буферным газом, и резонатор с нагревателем, датчиком температуры, фотодетектором и газовой ячейкой, наполненной ⁸⁷Rb и смесью буферных газов, ячейка-фильтр снабжена нагревателем с датчиком температуры, а между спектральной лампой и ячейкой-фильтром помещен интерференционный фильтр для выделения линии накачки D₁ в пропорции по отношению к линии накачки D₂ не менее 1 к 10. Нагреватели резонатора и ячейки-фильтра могут быть объединены в один блок.

Происхождение ориентационной погрешности измерений частоты связано с так называемым световым сдвигом частоты радиооптического СВЧ резонанса, который применительно к парам щелочных металлов с оптической накачкой неполяризованным светом содержит две составляющих [W.Happer, B.S.Mathur, Phys. Rev. - 1967. - v163. - 1, Р.12-25]:

1) Скалярный сдвиг ₀, одинаковый для всех магнитных подуровней сверхтонкой структуры F либо F*.

2) Тензорный сдвиг _T, связанный с эффектом выстраивания атомов основного состояния и зависящий от магнитного квантового числа m_F.

Действие световых сдвигов является главным дестабилизирующим фактором в квантовых стандартах частоты с оптической накачкой, при этом погрешности подобных устройств определяются главным образом действием скалярной компоненты светового сдвига в условиях классической схемы оптической накачки с изотопической фильтрацией спектральных линий головного дублета.

В случае оптической накачки паров ⁸⁷Rb нерезонансным светом второго изотопа вклад тензорной компоненты в результирующий световой сдвиг 0-0 перехода не превышает 15 и 2% соответственно для линий накачки D₁ и В₂ [B.S.Mathur, H.Tang, W.Happer, Phys. Rev. - 1968. - v171. - 1, P.11]. Как показывает расчет, выполненный в работе [В.В.Семенов, Известия ВУЗов, Физика. - 1999. - 2 с.86-90], ситуация радикально меняется, если оптическая накачка паров ⁸⁷Rb осуществляется от спектральной лампы с использованием изотопической фильтрации резонансного света в ячейке с парами ⁸⁷Rb. Так например, в случае использования линии накачки D₁ значения _T для магнитонезависимых СВЧ переходов могут значительно (в несколько раз) превышать величину скалярного сдвига частоты ₀. При этом характерной особенностью тензорной компоненты светового сдвига является ее ориентационная зависимость от угла между направлением внешнего магнитного поля и лучом света накачки, пропорциональная множителю (1-3 cos²) [Е.Б.Александров, Г.И.Хвостенко, Чайка М.П. Интерференция атомных состояний. - М.: Наука, с.256, 1991]. Присутствие этого множителя налагает жесткие требования по поддержанию постоянства угла особенно при использовании рубидиевых стандартов на движущихся и вращающихся носителях. Достаточно сказать, что в условиях оптической накачки паров рубидия естественной смесью линий накачки D ₁ и D2 головного дублета, вариация угла всего лишь в один градус дает такое же относительное смещение резонансной частоты (10^-12) что и 30% изменение величины рабочего магнитного поля напряженностью 0,8 А/м. Как показано в работе [В.В.Семенов, ЖПС - 1998. -, v.65, 6 с.832-838) при соизмеримых интенсивностях линий накачки D₁ и D₂ значение тензорной компоненты светового сдвига _T для линии накачки D₁ (ответственной за ориентационный сдвиг частоты радиооптического резонанса на 0-0 переходе) более чем на порядок больше в сравнении с тензорной компонентой линии накачки D₂ в диапазоне температур ячейки фильтра 30-80°С. При этом значения _T для линий накачки D₁ и D₂ имеют противоположные знаки. Введение интерференционного фильтра изменяет соотношение интенсивностей линий накачки D₂ и D₁ в пропорции 10 к 1, при этом значения тензорных компонент для этих линий становятся одного порядка, что позволяет осуществить режим работы радиоспектроскопа с уменьшенной ориентационной погрешностью за счет взаимной компенсации тензорных компонент при определенной температуре ячейки-фильтра.

Сущность полезной модели поясняется графическими материалами, на которых изображены:

фиг.1 - схема предлагаемой полезной модели рубидиевого радиоспектроскопа на газовой ячейке с оптической накачкой.

фиг.2 - расчетные (кривые а, b, с, d) и экспериментальная (кривая е) зависимости ориентационного сдвига частоты 0-0 перехода в парах ⁸⁷Rb от температуры ячейки-фильтра при изменении угла на 90° для случая использования линий накачки D ₁ и D₂. В правом верхнем углу фиг.2 указаны соотношения интенсивностей линий накачки D₁ и D ₂ при интегральной интенсивности света накачки 50 мкВт/см ².

Радиоспектроскоп содержит (фиг.1) магнитный экран 1, катушку для создания магнитного поля 2, теплоизолирующую камеру 3, внутри которой размещены спектральная лампа 4, наполненная ⁸⁷Rb, ячейка-фильтр 5, наполненная ⁸⁵Rb и буферным газом, и резонатор 6 с нагревателем 7, датчиком температуры 8, фотодетектором 9 и газовой ячейкой 10, наполненной ⁸⁷ Rb и смесью буферных газов. Ячейка-фильтр 5 снабжена нагревателем 11 с датчиком температуры 12. Между спектральной лампой 4 и ячейкой-фильтром 5 помещен интерференционный фильтр 13 для выделения линии накачки D₂ в пропорции по отношению к линии накачки D ₁ не менее 10 к 1.

Конструктивно интерференционный фильтр 13 может быть выполнен из нескольких последовательно расположенных тончайших непоглощающих слоев из диэлектрических материалов - окислов Аl2O3, SiO2, TiO2; фторидов MgF2, CaF2, LiF; сульфидов ZnS, CdS и других соединений. Эти слои могут быть образованы на массивной подложке из стекла, кварца методом вакуумного напыления. Два внешних слоя могут изготавливаться из металлов и служат полупрозрачными зеркалами. При прохождении света через подобную систему с многочисленными границами раздела свет многократно переотражается. В результате интерференции отраженных лучей с проходящими лучами (отраженные и проходящие лучи когерентны) на выходе фильтра выделяется часть светового потока с соответствующей длиной волны спектрального диапазона. При этом полоса пропускания такого фильтра в зависимости от числа слоев варьируется в диапазоне от длин волн от 1 нм до 10 нм. От полосы пропускания фильтра зависит и соотношение интенсивностей линий накачки D₁ и D₂ головного дублета в спектре накачки спектральной лампы 4.

Для определения пропорций соотношения линий накачки D₁ и D₂ была проведена экспериментальная апробация модели радиоспектроскопа с двумя идентичными катушками, ось первой из которых направлена вдоль оптической оси радиоспектроскопа, а ось второй - перпендикулярно этой оси. Для этого случая были получены экспериментальные данные (фиг.2) и выполнены численные оценки изменения резонансной частоты радиоспектроскопа при различных соотношениях линий накачки D ₁ и D₂. Как видно из фиг.2 (экспериментальная кривая е) естественная смесь линий накачки D₁ и D ₂ (в соотношении 1 к 1,5) не позволяет реализовать режим нулевого ориентационного сдвига частоты радиоспектроскопа ни при какой температуре ячейки-фильтра. Если же с помощью интерференционного фильтра соотношение линий накачки D₂ и D₁ довести до пропорции 10 к 1 при той же интегральной интенсивности света накачки, то, как показывает кривая (а) фиг.2, в окрестности температуры ячейки-фильтра 50-55°С достигается нулевой ориентационный сдвиг частоты радиоспектроскопа.

Радиоспектроскоп в составе квантового стандарта частоты работает следующим образом.

При включении поджигается разряд в спектральной лампе 4, излучение которой проходит через интерференционный фильтр 13, и преобразуется в излучение с измененным соотношением линий накачки D₂ и D₁ в пропорции 10 к 1. Далее это излучение проходит через ячейку-фильтр 5 и обеспечивает накачку атомов рубидия в газовой ячейке 10. Температура ячейки-фильтра 5, нагретой с помощью нагревателя 11, контролируется датчиком температуры 12 и устанавливается в окрестности значения, при котором тензорные значения _T для линий накачки D₁ и D₂ имеют разные по знаку, но одинаковую по модулю величину, что приводит к их взаимной компенсации. Температура газовой ячейки 10 (в общем случае не равная температуре ячейки-фильтра 5), нагретой с помощью нагревателя 7, контролируется датчиком температуры 9 и устанавливается в окрестности значения, при котором достигается максимальное отношение сигнал - шум радиооптического резонанса на входе приемного фотодетектора 9. Фотодетектор 9 регистрирует сигнал, характеризующий взаимодействие накаченных атомов с СВЧ-полем, возбуждаемым в резонаторе 6. При совпадении частоты перехода F=2, m_F=0F=1, m_F=0 основного состояния атомов ⁸⁷ Rb с частотой СВЧ-поля интенсивность излучения, попадающего на фотодетектор, минимальна. Это объясняется тем, что приложение резонансного СВЧ поля на частоте рабочего перехода выравнивает населенности на магнитных подуровнях сверхтонкой структуры, что приводит к увеличению поглощения света накачки и к уменьшению интенсивности света, прошедшего через газовую ячейку 10. При этом сигнал резонанса невелик и для изотопа ⁸⁷Rb обычно составляет 0,1-1% от уровня засветки, определяемого фоновыми линиями излучения лампы 4 и нерезонансными линиями рабочего вещества. Для увеличения отношения сигнал-шум используется модуляция СВЧ поля, благодаря которой оптический сигнал на выходе газовой ячейки 10 регистрируется фотодетектором 9 на частоте модуляции и содержит информацию не только о величине, но и о знаке расстройки СВЧ поля относительно частоты рабочего перехода. Этот сигнал (сигнал ошибки) используется при работе радиоспектроскопа в составе квантового стандарта частоты в кольце АПЧ перестраиваемого кварцевого генератора аналогично тому, как это выполняется в указанном выше аналоге [RU 2220499, H03L 7/16, HOIS 3/10, опубл. 27.12.20031. В таком устройстве, включающем радиоспектроскоп в качестве репера частоты, стабильность кварцевого генератора будет определяться стабильностью линии атомного 0-0 перехода. Поскольку, как это следует из фиг.2, при определенной температуре ячейки-фильтра 5 резонансная частота рабочего перехода не зависит от угла , то и значение частоты перестраиваемого кварцевого генератора, определяемое промышленными измерителями частоты, также не будет зависеть от этого угла, то есть ориентационная погрешность измерений частоты кварцевого генератора будет сведена к минимуму, уровень которого определяется погрешностью установки рабочей температуры ячейки-фильтра 5 нагревателем 11 с датчиком 12. Магнитный экран 1 и постоянное магнитное поле катушки 2 служат для выделения магнито независимого рабочего перехода F=2, m_F=0F=1, m_F=0 основного состояния атомов ⁸⁷ Rb.

Как указывалось выше, при соотношении интенсивностей линий накачки D₂ и D₁ в пропорции 10 к 1 (что обеспечивает интерференционный фильтр 13, селектируюший в результате эффекта интерференции одну из спектральных составляющих головного дублета) происходит взаимная компенсация тензорных компонент светового сдвига, которая не зависит от ориентации магнитного поля относительно оптической оси радиоспектроскопа и обеспечивает уменьшение его ориентационной погрешности.

В качестве примера приведем численные оценки положительного эффекта, достигаемого в заявляемой полезной модели, на основании экспериментальных и расчетных данных фиг.2. При изменении ориентации рабочего магнитного поля от сосной к ортогональной по отношению к оптической оси устройства, ориентационная погрешность в прототипе достигает значений 20 Гц при температуре ячейки-фильтра, соответствующей нулевому ориентационному сдвигу, установленной с погрешностью 10%. В заявленной модели при той же погрешности установки температуры ячейки-фильтра ориентационный сдвиг не превышает значения 0,2 Гц. При использовании прототипа в составе квантовой меры частоты случайные вариации угла на уровне ±3°, вызванные влиянием остаточной компоненты магнитного поля, ограничивают относительную стабильность устройства на уровне 10^-12. В заявляемой модели при указанной выше погрешности установки температуры ячейки-фильтра, относительная нестабильность частоты устройства не превышает значение 10^-15, что демонстрирует несомненный положительный эффект использования заявляемой полезной модели в технике квантовых стандартов частоты.

1. Радиоспектроскоп, содержащий магнитный экран, катушку для создания однородного магнитного поля, теплоизолирующую камеру, внутри которой размещены спектральная лампа, наполненная рубидием 87, ячейка-фильтр, наполненная рубидием 85 и буферным газом, и резонатор с нагревателем, датчиком температуры, фотодетектором и газовой ячейкой, наполненной рубидием 87 и смесью буферных газов, отличающийся тем, что ячейка-фильтр снабжена нагревателем с датчиком температуры, а между спектральной лампой и ячейкой-фильтром помещен интерференционный фильтр для выделения линии накачки D₂ в пропорции по отношению к линии накачки D ₁ не менее 10 к 1.

2. Радиоспектроскоп по п.1, отличающийся тем, что нагреватели резонатора и ячейки-фильтра объединены в один блок.