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 частоты квантового стандарта с оптической накачкой в условиях вариаций направления остаточного магнитного поля путем уменьшения ориептационной зависимости резонансной частоты радиоспектроскопа. Радиоспектроскоп содержит 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 расположенные вдоль оси катушки резонатор с нагревателем, фотодетектор и газовая ячейка, наполненная рубидием 87 и смесью буферных газов. Теплоизолируюшая камера дополнительно содержит вторые резонатор с нагревателем, фотодетектором и газовой ячейкой, наполненной рубидием 87 и смесью буферных газов, расположенные вдоль оси, ортогонально ориентированной по отношению к оси катушки, с возможностью обеспечения равенства световых интенсивностей на входе газовых ячеек. Теплоизолируюшая камера дополнительно может содержать третьи резонатор с нагревателем, фотодетектором и газовой ячейкой, наполненной рубидием 87 и смесью буферных газов, расположенные вдоль оси, ортогонально ориентированной по отношению к оси катушки и к оси, вдоль которой расположены вторые резонатор с нагревателем, фотодетектором и газовой ячейкой.

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 относятся рубидиевые радиоспектроскопы с изотопической фильтрацией света накачки, составляющие основу пассивных стандартов частоты на газовой ячейке. Принцип работы 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 с.], [А.И.Пихтелев, А.А.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.: ФИЗМАТЛИТ. 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, квантовой дискриминатор и формирователь управляющего напряжения, выход которого подключен к управляющему входу перестраиваемого 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 перестраиваемого 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 от рабочего магнитного поля, вариации которого по величине и направлению приводят к уменьшению относительной стабильности частоты перестраиваемого 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 расположенные вдоль оси катушки резонатор с нагревателем, датчиком температуры, фотодетектором и газовой ячейкой, наполненной рубидием 87 и смесью буферных газов.

Недостатком известного устройства, принятого за прототип, является ориентационная зависимость резонансной частоты от угла между направлением магнитного поля и лучом света накачки, что приводит к ухудшению стабильности квантового стандарта частоты. 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.

Задачей полезной модели является разработка радиоспектроскопа, обеспечивающего повышенную стабильность частоты квантового стандарта с оптической накачкой в условиях вариаций направления остаточного магнитного поля путем уменьшения ориентационной зависимости резонансной частоты радиоспектроскопа.

Поставленная задача достигается тем, что в радиоспектроскопе, содержащим 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 расположенные вдоль оси катушки резонатор с нагревателем, фотодетектор и газовая ячейка, наполненная рубидием 87 и смесью буферных газов, теплоизолирующая камера дополнительно содержит вторые резонатор с нагревателем, фотодетектором и газовой ячейкой, наполненной рубидием 87 и смесью буферных газов, расположенные вдоль оси, ортогонально ориентированной по отношению к оси катушки, с возможностью обеспечения равенства световых интенсивностей на входе газовых ячеек.

В теплоизолирующую камеру может быть дополнительно введена вторая ячейка-фильтр, наполненная рубидием 85 и буферным газом. расположенная на оси, ортогональной оси магнитной катушки.

Теплоизолирующая камера может дополнительно содержать третьи резонатор с нагревателем, фотодетектором и газовой ячейкой, наполненной рубидием 87 и смесью буферных газов, расположенные вдоль оси, ортогонально ориентированной по отношению к оси катушки и к оси, вдоль которой расположены вторые резонатор с нагревателем, фотодетектором и газовой ячейкой.

При таком выполнении радиоспектроскопа сумма частот сигналов радиооптического резонанса, фиксируемых фотодетекторами не будет содержать ориентационных поправок к частоте вследствие их взаимной компенсации. Таким образом, сумма частот радиооптического резонанса будет иметь фиксированную величину, не зависящую от направления магнитного поля, что обуславливает повышенную стабильность частоты квантового стандарта с оптической накачкой в условиях вариаций направления остаточного магнитного поля.

Сущность полезной модели поясняется графическими материалами, на которых изображены:

фиг.1. Векторы магнитного поля катушек (H₀) и остаточного магнитного поля (Н) в декартовой системе координат ZX

фиг.2. Векторы магнитного поля катушек (H₀) и остаточного магнитного поля (Н) в декартовой системе координат ZXY

фиг.3 - схема предлагаемой полезной модели рубидиевого радиоспектроскопа на газовой ячейке с оптической накачкой

Происхождение ориентационной погрешности измерений частоты связано с действием Штарк эффекта, вызывающего так называемый световой сдвиг 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. - v 163. - 1, P.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 D₂ [B.S.Mathur, H.Tang, W.Happer, Phys. Rev. - 1968. - v 171. - 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 ⁸⁵Rb. 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 (1-3cos²) [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.

В заявленной полезной модели наличие в теплоизолирующей камере дополнительных резонаторов с нагревателями, фотодетекторов и газовых ячеек, дает возможность исключить ориентационную зависимость из показаний радиоспектроскопа, работающего в составе квантового стандарта частоты. Действительно, в варианте радиоспектроскопа, содержащего дополнительно размещенные на оси перпендикулярно оси магнитной катушки резонатор с нагревателем, фотодетектор и газовую ячейку, ориентационные зависимости частоты радиооптического резонанса, детектируемого фотодетекторами, будут в системе координат ZX (фиг.1) иметь вид соответственно (1-3cos ²) - для оси Z и (1-3sin²) - для оси X. Таким образом, сумма частот радиооптического резонанса будет содержать регулярную поправку к номинальному значению частоты, не зависящую от угла .

Обеспечить равенство световых интенсивностей на входе газовых ячеек, необходимое для соблюдения одинаковых условий действия Штарк эффекта на положение магнитных подуровней основного состояния атомов рабочего вещества, возможно, например, разместив резонаторы на одинаковых расстояниях от ячейки фильтра либо введя дополнительные оптические элементы.

В частном случае выполнения радиоспектроскопа, содержащего в теплоизолирующей камере вдоль трех взаимно ортогонально ориентированных осей резонаторы с нагревателями, фотодетекторы и газовые ячейки, в системе координат ZXY (фиг.2) ориентационные зависимости частоты радиооптического резонанса, детектируемого фотодетекторами будут иметь вид соответственно (1-3cos²) - для оси Z, (1-3sin²) - для оси Х и (1-3sin²) для оси Y. Из фиг.2 следует, что косинусы углов , и связаны между собой соотношениями: Cos=sincos и Cos=sinsin

Подстановка этих соотношений в соответствующие ориентационные зависимости частоты радиооптического резонанса показывает, что, как и в предыдущем случае, сумма частот радиооптического резонанса будет содержать регулярную поправку к номинальному значению частоты, не зависящую от углов , , , то есть средневзвешенная частота радиоспектроскопа, включенного в состав квантового стандарта частоты не будет зависеть от ориентации вектора магнитного поля относительно оптических осей радиоспектроскопа.

Заявляемая полезная модель радиоспектроскопа содержит в частном случае выполнения (фиг.3) магнитный экран 1, катушку 2 для создания однородного магнитного поля, теплоизолирующую камеру 3, внутри которой размещены спектральная лампа 4, наполненная рубидием 87, ячейка-фильтр 5, наполненная рубидием 85 и буферным газом, и расположенные вдоль оси катушки резонатор 6 с нагревателем 8, фотодетектор 10 и газовая ячейка 12, наполненная рубидием 87 и смесью буферных газов. Теплоизолирующая камера 3 дополнительно содержит вторые резонатор 7 с нагревателем 9, фотодетектор 11 и газовую ячейку 13, наполненную рубидием 87 и смесью буферных газов, расположенные вдоль оси, ортогонально ориентированной по отношению к оси катушки. Резонаторы 6 и 7 размещены между ячейкой-фильтром 5 и соответствующими фотодетекторами 10 и 11 на равных расстояниях от ячейки-фильтра 5 для обеспечения равенства световых интенсивностей на входе газовых ячеек 12, 13.

Радиоспектроскоп в составе квантового стандарта частоты работает следующим образом.

При включении поджигается разряд в спектральной лампе 4, излучение которой, проходя через ячейку-фильтр 5, обеспечивает накачку атомов рубидия в газовых ячейках 12 и 13 (фиг.3). Равенство световых интенсивностей на входе газовых ячеек 12 и 13 обеспечивается, например, равенством расстояний между ячейкой-фильтром 5 и резонаторами 6 и 7. В результате этого ячейки 12 и 13 имеют одинаковую степень поляризации и одинаковые условия действия Штарк эффекта. Далее производят нагрев газовой ячейки 12 нагревателем 8, а газовой ячейки 13 - нагревателем 9 до температуры, обеспечивающей достижение максимального отношения сигнал - шум радиооптического резонанса на входе соответствующих приемных фотодетекторов 10 и 11. При совпадении частоты перехода F=2, m_F=0F=1, m_F=0 основного состояния атомов ⁸⁷ Rb с частотой СВЧ-поля, интенсивности излучений, попадающих на фотодетекторы 10 и 11, минимальны. Это объясняется тем, что приложение резонансных полей на частотах рабочих переходов выравнивает населенности на магнитных подуровнях сверхтонкой структуры, что приводит к увеличению поглощения света накачки и к уменьшению интенсивности света, прошедшего через газовые ячейки 12 и 13. 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. Сигналы радиооптического резонанса, индуцируемые с помощью СВЧ поля резонатора 6 в газовой ячейке 12 регистрируется фотодетектором 10, а с помощью резонатора 7 в ячейке 13 - фотодетектором 11. Для увеличения отношения сигнал-шум используется модуляция частоты приложенных СВЧ полей, благодаря которой сигнал радиооптического резонанса регистрируется фотодетекторами 10 и 11 на частоте модуляции и содержит информацию не только о величине, но и о знаке расстройки электромагнитного поля относительно частоты рабочего перехода.

В квантовом стандарте частоты должны быть предусмотрены две схемы обработки сигнала радиооптического резонанса (на фиг. не показан), содержащие селективный усилитель, фазовый детектор, низкочастотный генератор, перестраиваемый кварцевый генератор, умножитель частоты и синтезатор. Если сигналы, поступающие в резонаторы 6, 7 теплоизолирующей камеры 3 радиоспектроскопа, совпадают по частоте с СВЧ переходом в атоме рубидия, то происходит изменение интенсивности света, вызванное одновременным воздействием на атомы СВЧ излучения и света накачки. При этом на входе фотодетекторов 10, 11 (фиг.3) формируются сигналы на частоте низкочастотных генераторов, которые после усиления и фазового детектирования используются для автоподстройки перестраиваемых кварцевых генераторов на частоту резонансного перехода в рубидии с помощью цепи АПЧ. При этом на выходе умножителей частоты формируется частотно модулированный высокочастотный сигнал на несущей частоте, равной частоте 0-0 перехода в парах рубидия-87, помещенных в газовые ячейки 12 и 13. Выходы умножителей частоты подключены к резонаторам 6 и 7, высокочастотное поле которых индуцирует 0-0 резонансные переходы в основном состоянии рабочего вещества, что приводит к изменению прозрачности газовых ячеек 12 и 13 с частотой низкочастотных генераторов. С этой же частотой модулируется свет накачки, проходящий через газовые ячейки 12 и 13, что приводит к соответствующему изменению фототока на входе фотодетекторов 10 и 11 (фиг.3). Сигналы с выхода приемных фотодетекторов поступают на входы селективных усилителей, выходы которых соединены с сигнальным входом фазовых детекторов, на опорные входы которых поступают сигналы со вторых выходов низкочастотных генераторов. При этом на выходе фазовых детекторов формируется сигнал ошибки, осуществляющий перестройку частоты кварцевых генераторов до значений, при которых достигается равенство частот СВЧ поля в объемных резонаторах 6 и 7 и атомного 0-0 перехода. Такая перестройка выполняется с помощью варикапов, емкость которых регулируется формируемым на выходе фазовых детекторов сигналом ошибки.

К перестраиваемым кварцевым генераторам схем обработки предъявляются жесткие требования по обеспечению высокой кратковременной стабильности и низкого уровня фазовых шумов. Последнее связано с тем, что стабильность квантового стандарта частоты за период от 1 до 10 с фактически определяется стабильностью кварцевых генераторов, а вариации его частоты за более длительные времена наблюдения компенсируются схемой автоподстройки.

Использование умножителя частоты в схеме обработки обусловлено тем, что номинальная частота кварцевых генераторов (5-10 МГц) существенно отличается от частоты атомного перехода (6834 МГц). И, таким образом, необходимо выполнить соответствующее преобразование частоты кварцевых генераторов до значений, близких к частоте атомного 0-0 перехода.. Такая операция реализуется с помощью нелинейного элемента (выполненного, например в виде генератора гармоник), на один из входов которого поступает сигнал от кварцевого генератора, а на второй - сигнал от синтезатора частоты (на фиг. не показан).

В квантовом стандарте частоты долговременная стабильность перестраиваемых кварцевых генераторов будет определяться стабильностью линии атомного 0-0 перехода. При произвольной ориентации рабочего магнитного поля частоты сигналов радиооптического резонанса, фиксируемые фотодетекторами 10 и 11 радиоспектроскопа, будут содержать поправки, вызванные указанными выше ориентационными зависимостями. При суммировании этих частот соответствующие ориентационные поправки взаимно компенсируются и, таким образом, средневзвешенная частота квантового стандарта не зависит от ориентации вектора магнитного поля. Суммирование частот кварцевых генераторов может быть выполнено с помощью промышленного частотомера (например Ч3-38), в котором предусмотрена обработка двух сигналов, подаваемых на входы измерительного устройства.

Точность компенсации ориентационной зависимости в заявляемой полезной модели определяется минимальным изменением значений углов , и , при котором может быть зафиксировано изменение резонансной частоты сигнала радиооптического резонанса, фиксируемого фото детекторам и 10, 11. В качестве примера проведена оценка минимального приращения угла мин для случая ориентации остаточного магнитного поля в системе координат ZX (фиг.1) Согласно данным работы [А.А.Баранов, С.В.Ермак, В.В.Семенов Ориентационная зависимость светового сдвига частоты радиооптического СВЧ резонанса в парах рубидия НТВ СПбГПУ 3(104)2010, стр.95-98 Раздел Физическая оптика] изменение ориентации рабочего магнитного поля по отношению к направлению оптической оси на 90° приводит к ориентационному сдвигу частоты радиооптического резонанса на 15 Гц. При этом ориентационная поправка к частоте радиооптического резонанса будет иметь вид (1-3cos²), где =5 Гц. Для среднестатистического стандарта частоты на парах рубидия при относительной стабильности 10^-12 эта стабильность соответствует абсолютной девиации частоты радиооптического резонанса 0,007 Гц. Приравнивая эту девиацию первой производной по углу выражения (1-3cos²) находим, что минимальный угол _МИН примерно равен 1°. В пределах постоянства этого угла относительные стабильности прототипа и заявляемой полезной модели будут одинаковы. Однако, если вариации угла будут превышать указанное минимальное значение, в этом случае относительная стабильность частоты прототипа заметно ухудшится. Например, при величине остаточного магнитного поля в пять раз меньше рабочего магнитного поля, создаваемого магнитной системой прототипа, изменение угла в пределах 0-90° вызовет относительное изменение частоты радиооптического резонанса до значения 10^-10 , то есть будет на два порядка хуже, чем это достигается в заявляемом устройстве.

Таким образом, сравнение относительных стабильностей заявленной полезной модели и прототипа показывает, что предложенное схемное решение радиоспектроскопа позволяет в условиях вариации направления остаточного магнитного поля на два порядка улучшить относительную стабильность квантового стандарта 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 расположенные вдоль оси катушки резонатор с нагревателем, фотодетектор и газовая ячейка, наполненная рубидием 87 и смесью буферных газов, отличающийся тем, что теплоизолирующая камера дополнительно содержит вторые резонатор с нагревателем, фотодетектором и газовой ячейкой, наполненной рубидием 87 и смесью буферных газов, расположенные вдоль оси, ортогонально ориентированной по отношению к оси катушки, с возможностью обеспечения равенства световых интенсивностей на входе газовых ячеек.

2. Радиоспектроскоп по п.1, отличающийся тем, что теплоизолирующая камера дополнительно содержит третьи резонатор с нагревателем, фотодетектором и газовой ячейкой, наполненной рубидием 87 и смесью буферных газов, расположенные вдоль оси, ортогонально ориентированной по отношению к оси катушки и к оси, вдоль которой расположены вторые резонатор с нагревателем, фотодетектором и газовой ячейкой.

3. Радиоспектроскоп по п.1, отличающийся тем, что в теплоизолирующую камеру дополнительно установлена вторая ячейка-фильтр, наполненная рубидием 85 и буферным газом.

4. Радиоспектроскоп по п.2, отличающийся тем, что в теплоизолирующую камеру дополнительно установлены две ячейки-фильтр, наполненные рубидием 85 и буферным газом.