Рубидиевая ячейка поглощения для квантового дискриминатора

 

Полезная модель относится к области квантовой электроники и может быть использована в пассивных квантовых мерах частоты на парах рубидия. Технический результат заключается в создании рубидиевой ячейки поглощения с более высоким диапазоном рабочих температур при сохранении слабой температурной зависимости частоты рабочего атомного перехода, узкой спектральной линии и малого дрейфа частоты рабочего атомного перехода во времени. Ячейка поглощения содержит откаченный замкнутый стеклянный баллон с антирелаксационным тетраконтановым покрытием на своей внутренней поверхности, наполненный парами рубидия 87Rb и буферным газом - аргоном при давлении от 0,5 до 4,0 мм.рт.ст., при этом указанный баллон термообработан при температуре на (5÷15)°C ниже температуры плавления тетраконтана.

Полезная модель относится к области квантовой электроники и может быть использована в пассивных квантовых мерах частоты на парах рубидия, например, радиоспектроскопах, магнитометрах, квантовых стандартах частоты, использующих в качестве высокостабильного частотного эталона квантовый дискриминатор с рубидиевой ячейкой поглощения.

В обобщенном виде квантовый дискриминатор с рубидиевой ячейкой поглощения содержит расположенные на одной оптической оси источник света оптической накачки, размещенную в СВЧ резонаторе рубидиевую ячейку поглощения (далее ячейка поглощения) и фотодетектор, см., например, [1] - 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, с.100-101, рис.4.1. Свет, создаваемый источником света оптической накачки, поглощается парами рубидия 87Rb в ячейке поглощения, в результате чего увеличивается населенность верхнего уровня F=2 основного состояния атомов рубидия за счет атомов нижнего уровня F=1. Под воздействием на эти уровни СВЧ поля, возбуждаемого в СВЧ резонаторе внешним СВЧ сигналом, происходит обратный процесс увеличения числа атомов нижнего уровня F=1 за счет атомов верхнего уровня F=2. Вероятность перехода атомов из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией (т.е. со второго уровня на первый) под действием СВЧ поля зависит от расстройки между частотой возбуждающего СВЧ сигнала и частотой рабочего атомного перехода. При совпадении этих частот вероятность перехода атомов со второго уровня на первый максимальна, следовательно, максимально и поглощение света в ячейке. По изменению интенсивности света, прошедшего через ячейку поглощения, можно индицировать атомный резонанс и по нему контролировать частоту внешнего СВЧ сигнала. Изменение интенсивности света индицируется с помощью фотодетектора, ток которого является функцией частотной расстройки СВЧ поля относительно частоты рабочего атомного перехода.

На данном явлении построен, в частности, пассивный рубидиевый квантовый стандарт частоты, представляющий собой систему частотной автоподстройки кварцевого генератора, в которой квантовый дискриминатор выполняет функцию высокоточного, высокостабильного и высокодобротного резонансного контура, формирующего сигнал ошибки, который характеризует отклонение частоты возбуждающего СВЧ сигнала, формируемого из сигнала кварцевого генератора, относительно частоты рабочего атомного перехода рубидия 87Rb, что позволяет использовать сформированный сигнал ошибки для управления частотой кварцевого генератора.

Точностные характеристики такого пассивного рубидиевого квантового стандарта частоты в значительной степени определяются свойствами квантового дискриминатора. В свою очередь, точностные характеристики квантового дискриминатора зависят от характеристик примененной рубидиевой ячейки поглощения - временной и температурной стабильности частоты рабочего атомного перехода и ширины (добротности) спектральной линии этого перехода. В рассматриваемых целях обычно используется спектральная линия 0-0 перехода между подуровнями сверхтонкой структуры основного состояния атомов рубидия 87Rb: F=2, mF1=0F=1, mF2=0, где F - квантовое число полного момента атома, mF1 и mF2 - магнитные квантовые числа.

Конструктивно ячейка поглощения представляет собой стеклянный герметично запаянный баллон с откаченным воздухом (до 10-6 мм.рт.ст.) и наполненный несколькими миллиграммами щелочного металла - рубидием 87Rb, присутствующим во внутреннем пространстве ячейки поглощения в виде паров. Внутренний объем ячейки поглощения имеет величину от одного до нескольких десятков кубических сантиметров. В качестве материала баллона ячейки поглощения используются кварцевые или молибденовые стекла, наиболее устойчивые к взаимодействию с химически активными атомами рубидия.

Ячейка поглощения, наполненная одним рубидием, характеризуется расширенной спектральной линией рабочего атомного перехода (порядка нескольких килогерц), что обусловлено релаксационными процессами, вызванными разного рода столкновениями атомов рубидия, в том числе со стенками баллона ячейки. Это является основным недостатком такой ячейки поглощения, препятствующим ее широкому практическому использованию в квантовых мерах частоты.

Для уменьшения релаксационных процессов и получения в результате более узкой спектральной линии рабочего атомного перехода во внутреннее пространство ячеек поглощения дополнительно вводят буферный газ, обычно это азот (N2), неон (Ne), аргон (Ar), криптон (Kr), ксенон (Xe) или метан (CH4). Примеры использования ячеек поглощения с однокомпонентным буферным газом представлены, в частности, в патентах: [2] - US 5387881, H01S 1/06, Н03 В 17/00, H03L 7/26, 07.02.1995, Fig.1 (используется азот); [3] - US 5657340, H01S 3/09, H01S 1/06, H01S 1/00, 12.08.1997 (используется неон, аргон, криптон или ксенон).

Однако применение буферного газа приводит к увеличению температурной зависимости частоты рабочего атомного перехода в ячейке поглощения, т.е. к увеличению температурного коэффициента частоты (ТКЧ), определяемого как ТКЧ=f0/T, где f0 и T - соответственно приращение частоты рабочего атомного перехода и приращение температуры ячейки поглощения. При этом разные буферные газы дают разные по значению и знаку ТКЧ.

Для минимизации ТКЧ с одновременным сохранением узкой спектральной линии рабочего атомного перехода в ячейках поглощения применяют многокомпонентные буферные газы (смеси буферных газов) с противоположным по знаку влиянием составляющих компонентов на ТКЧ, см., например, работу [4] - B.C. Жолнеров. Буферные смеси для газовой ячейки стандарта частоты с оптической накачкой // Оптика и спектроскопия, том 43, выпуск 5, 1977, с.957-961. Взаимное и противоположное по знаку влияние компонентов смеси на ТКЧ позволяет добиться уменьшения ТКЧ (в определенном диапазоне температур) с одновременным сохранением узкой спектральной линии рабочего атомного перехода. При этом, однако, имеет место увеличение дрейфа частоты рабочего атомного перехода во времени, что обусловлено деградацией и изменением состава смеси во времени, вызванными физико-химическими процессами взаимодействия веществ, заполняющих внутренний объем баллона ячейки поглощения, друг с другом и со стенками баллона.

Уменьшение временного дрейфа частоты рабочего атомного перехода с одновременным сохранением узкой спектральной линии рабочего атомного перехода обеспечивается в ячейках поглощения путем нанесения на внутреннюю поверхность баллона ячейки поглощения антирелаксационного покрытия, преимущественно парафинового, см., например, [5] - В.В. Григорьянц, М.Е. Жаботинский, В.Ф. Золин. Квантовые стандарты частоты // М., Наука, 1968, с.190-193; [6] - А.Н. Литвинов, Г.А. Казаков, Б.Г. Матисов, И.Е. Мазец. Двойной радиооптический резонанс в атомарных парах 87 Rb в ячейке с антирелаксационным стеночным покрытием // Журнал технической физики, 2009, том 79, вып.2, с.104-111. Получаемый эффект уменьшения дрейфа частоты с одновременным сохранением узкой спектральной линии рабочего атомного перехода объясняется стабилизирующим действием антирелаксационного покрытия, исключающего непосредственное взаимодействие рубидия со стенками баллона ячейки поглощения и, соответственно, образование нежелательных продуктов взаимодействия, способных изменять частоту рабочего атомного перехода и ширину спектральной линии.

Примерами применения ячеек поглощения с антирелаксационным покрытием являются рубидиевая ячейка поглощения квантового дискриминатора рубидиевого квантового стандарта частоты, представленная в патенте [7] - US 4405905, H03L 7/26, 20.09.1983, а также рубидиевая ячейка поглощения, описанная в работе [8] - T. Bandi, C. Affolderbach, G. Mileti. Study of 0-0 hyperfine double-resonance transition in a wall-coated cell // EFTF 2010. 24th European Freguency and Time Forum. Programme & abstract book. 13-16 April 2010, p.67. Наличие антирелаксационного покрытия в этих ячейках поглощения позволяет уменьшить дрейф частоты рабочего атомного перехода с одновременным сохранением узкой спектральной линии. При этом, однако, имеет место сильная температурная зависимость частоты рабочего атомного перехода (ТКЧ-2,4 Гц/град), что является недостатком данных ячеек поглощения.

Известна рубидиевая ячейка поглощения, предназначенная для использования в квантовом дискриминаторе, представленная в патенте [9] - RU 2466485 C1, H01S 1/06, 10.11.2012, в которой в определенном температурном диапазоне обеспечивается слабая температурная зависимость частоты рабочего атомного перехода (атомного 0-0 перехода) с одновременным сохранением узкой спектральной линии и малым дрейфом частоты рабочего атомного перехода во времени. Эта рубидиевая ячейка поглощения выбрана в качестве прототипа.

Рубидиевая ячейка поглощения для квантового дискриминатора, выбранная в качестве прототипа, содержит откаченный замкнутый стеклянный баллон с антирелаксационным тетраконтановым покрытием на своей внутренней поверхности, наполненный парами рубидия 87Rb и буферным газом, в качестве которого используется азот при давлении от 3 до 4 мм.рт.ст. или неон при давлении от 12 до 17 мм.рт.ст. Диапазон рабочих температур ячейки-прототипа лежит в пределах от 50 до 60°C. В этом температурном диапазоне обеспечиваются слабая температурная зависимость частоты рабочего атомного перехода, узкая спектральная линия и малый дрейф частоты рабочего атомного перехода во времени.

Механизм обеспечения слабой температурной зависимости частоты рабочего атомного перехода в ячейке-прототипе заключается во взаимной компенсации влияния, оказываемого на ТКЧ ячейки поглощения антирелаксационным тетраконтановым покрытием и буферным газом, где антирелаксационное тетраконтановое покрытие в указанном диапазоне рабочих температур имеет отрицательный температурный коэффициент смещения частоты рабочего атомного перехода, а буферный газ (как азот, так и неон) - положительный.

Эффект получения узкой спектральной линии при малом дрейфе частоты рабочего атомного перехода обусловлен наличием антирелаксационного покрытия, исключающего непосредственное взаимодействие рубидия со стенками баллона ячейки поглощения и, соответственно, образование нежелательных продуктов взаимодействия, способных изменять частоту рабочего атомного перехода и ширину спектральной линии.

Указанные положительные свойства ячейки-прототипа реализуются в диапазоне рабочих температур от 50 до 60°C. Однако, в ряде случаев возникает необходимость сместить диапазон рабочих температур в сторону повышения, например от 65 до 75°C. При этом положительные свойства ячейки-прототипа теряются, в частности, возрастает температурная зависимость частоты рабочего атомного перехода и ее дрейф во времени, что объясняется изменением характеристик антирелаксационного тетраконтанового покрытия с повышением рабочей температуры.

Технической задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является создание рубидиевой ячейки поглощения для квантового дискриминатора с более высоким диапазоном рабочих температур (от 65 до 75°C) при сохранении слабой температурной зависимости частоты рабочего атомного перехода, узкой спектральной линии и малого дрейфа частоты рабочего атомного перехода во времени.

Сущность полезной модели заключается в следующем. В рубидиевой ячейке поглощения для квантового дискриминатора, содержащей откаченный замкнутый стеклянный баллон с антирелаксационным тетраконтановым покрытием на своей внутренней поверхности, наполненный парами рубидия 87Rb и буферным газом, в качестве буферного газа используется аргон при давлении от 0,5 до 4,0 мм.рт.ст., при этом указанный баллон с парами рубидия 87Rb, буферным газом и антирелаксационным тетраконтановым покрытием термически обработан при температуре на (5÷15)°C ниже температуры плавления тетраконтана.

Конструктивно заявляемая рубидиевая ячейка поглощения для квантового дискриминатора представляет собой герметично запаянный баллон с откаченным воздухом, выполненный из щелочеустойчивого стекла, например молибденового стекла марки С51-1. Внутренняя поверхность баллона, образующая внутреннюю поверхность ячейки поглощения, покрыта антирелаксационным покрытием. В качестве материала антирелаксационного покрытия применен, как и в прототипе, тетраконтан (C40H82) - вещество, относящееся к предельным углеводородам длинных цепей, имеющее температуру плавления 81,5°C. Баллон наполнен парами рубидия 87Rb, количество которого выбирается исходя из условий обеспечения возможности возникновения и индицирования атомного резонанса, и буферным газом - аргоном при давлении от 0,5 до 4,0 мм.рт.ст. Герметично запаянный баллон с откаченным воздухом, наполненный парами рубидия 87Rb и буферным газом, с антирелаксационным тетраконтановым покрытием, нанесенным на внутреннюю поверхность баллона, термически обработан при температуре на (5÷15)°C ниже температуры плавления тетраконтана. Продолжительность термической обработки (приработки) выбирается исходя из условий достижения минимального дрейфа частоты рабочего атомного перехода во времени и может составлять, например, от трех до четырех суток.

В результате термической обработки (приработки) состояние антирелаксационного тетраконтанового покрытия стабилизируется, при этом меняется характер его влияния на ТКЧ ячейки поглощения, что потребовало применение нового буферного газа - аргона при давлении от 0,5 до 4,0 мм, при котором обеспечивается взаимная компенсация влияния, оказываемого на ТКЧ ячейки поглощения антирелаксационным тетраконтановым покрытием и буферным газом, в условиях более высокого диапазона рабочих температур от 65 до 75°C. При этом также обеспечивается узкая спектральная линия и малый дрейф частоты рабочего атомного перехода во времени.

С технологической точки зрения процесс изготовления заявляемой ячейки поглощения аналогичен процессу изготовления ячейки-прототипа за исключением применения нового буферного газа и добавления финишной операции термической обработки (приработки).

Таким образом, рассмотренное показывает, что заявляемая полезная модель осуществима и обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в создании рубидиевой ячейки поглощения для квантового дискриминатора с более высоким диапазоном рабочих температур (от 65 до 75°C) при сохранении слабой температурной зависимости частоты рабочего атомного перехода, узкой спектральной линии и малого дрейфа частоты рабочего атомного перехода во времени.

Источники информации

1. 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.

2. US 5387881, H01S 1/06, H03B 17/00, H03L 7/26, опубл. 07.02.1995.

3. US 5657340, H01S 3/09, H01S 1/06, H01S 1/00, опубл. 12.08.1997.

4. B.C. Жолнеров. Буферные смеси для газовой ячейки стандарта частоты с оптической накачкой // Оптика и спектроскопия, том 43, выпуск 5, 1977, с.957 - 961.

5. В.В. Григорьянц, М.Е. Жаботинский, В.Ф. Золин. Квантовые стандарты частоты // М., Наука, 1968, с.190-193.

6. А.Н. Литвинов, Г.А. Казаков, Б.Г. Матисов, И.Е. Мазец. Двойной радиооптический резонанс в атомарных парах 87Rb в ячейке с антирелаксационным стеночным покрытием // Журнал технической физики, 2009, том 79, вып.2, с.104-111.

7. US 4405905, H03L 7/26, опубл. 20.09.1983.

8. T. Bandi, C. Affolderbach, G. Mileti. Study of 0-0 hyperfine double-resonance transition in a wall-coated cell // EFTF 2010. 24th European Frequency and Time Forum. Programme & abstract book. 13-16 April 2010, p.67.

9. RU 2466485 C1, H01S 1/06, опубл. 10.11.2012.

Рубидиевая ячейка поглощения для квантового дискриминатора, содержащая откаченный замкнутый стеклянный баллон с антирелаксационным тетраконтановым покрытием на своей внутренней поверхности, наполненный парами рубидия 87Rb и буферным газом, отличающаяся тем, что в качестве буферного газа используется аргон при давлении от 0,5 до 4,0 мм рт.ст., при этом указанный баллон с парами рубидия 87Rb, буферным газом и антирелаксационным тетраконтановым покрытием термически обработан при температуре на 5-15°С ниже температуры плавления тетраконтана.



 

Похожие патенты:

Полезная модель относится к устройствам уничтожения кровососущих насекомых, комаров на открытых пространствах - на дачных участках, приусадебных хозяйствах, в зонах отдыха

Полезная модель относится к области радиотехники и может быть использована в устройствах тактовой синхронизации систем связи для работы с комплексными отсчетами, которые применяются при приеме сигналов с четырехфазной манипуляцией и квадратурно-амплитудной модуляцией.
Наверх