Рубидиевая ячейка поглощения

Полезная модель относится к области квантовой электроники и может быть использована в атомных стандартах частоты и квантовых магнитометрах с оптической накачкой, центральным элементом которых является рубидиевая ячейка поглощения на изотопе ⁸⁷ Rb (или ⁸⁵Rb). Технический результат заключается в создании рубидиевой ячейки поглощения, обеспечивающей снижение температурного коэффициента частоты (ТКЧ) до значения, близкого к нулевому, повышение точности и долговременной стабильности атомных стандартов частоты и квантовых магнитометров. Ячейка поглощения, выполненная в виде вакуумированного стеклянного баллона с анти-релаксационным тетраконтановым покрытием на своей внутренней поверхности, содержит рабочий газ рубидия (⁸⁷Rb) и двухкомпонентный буферный газ - аргон при давлении не менее 4 мм. рт.ст. и азот при давлении не более 3 мм. рт.ст. Указанный баллон снабжен стеклянной трубкой с накопителем-резервуаром на конце для формирования в нем металлического рубидия (⁸⁷ Rb), причем длина трубки L и наименьший размер l_min баллона удовлетворяют неравенству L>n·l_min где n>1, а площадь q отверстия трубки и площадь Q поверхности анти-релаксационного покрытия баллона удовлетворяют неравенству q<0,01·Q. 3 ил.

Полезная модель относится к области квантовой электроники и может быть использована в атомных стандартах частоты и квантовых магнитометрах с оптической накачкой, центральным элементом которых является рубидиевая ячейка поглощения на изотопе ⁸⁷ Rb (или ⁸⁵Rb).

Указанные квантовые устройства с рубидиевой ячейкой поглощения по функционированию обратной связи могут быть пассивного типа, реализующие режим автоподстройки частоты (квантовые дискриминаторы), или активного типа, реализующие автоколебательный режим, см. например [1] - В.В. Григорьянц, М.Е. Жаботинский, В.Ф. Золин. Квантовые стандарты частоты. // М., Наука, 1968, с. 171-174; 190-194; [2] - Ф. Риле. Стандарты частоты. (§ 8.2. Стандарты на рубидиевой ячейке.) // М., Физматлит, 2009, с. 243-249.

Типичный пример рубидиевой ячейки поглощения (⁸⁷Rb-ячейка) и канала оптической накачки представлены в [1, 2]. ⁸⁷Rb-ячейка выполняется в виде вакуумированного стеклянного баллона 1 разной геометрической формы: в виде сферы (фиг. 1а) или в форме цилиндра (фиг. 1б) разных размеров по длине и диаметру d. В объеме баллона 1 содержатся рабочий атомный газ рубидия (⁸⁷Rb) с низким давлением ~10^-6 мм рт. ст. и в разных комбинациях инертные газы типа аргон ( ⁴⁰Ar), неон (²⁰Ne), азот (N₂) при общем давлении до 20 мм рт. ст. Баллон 1 имеет место отпая 2, в зоне которого локализуется рубидий (⁸⁷Rb) в виде металлической капли 3 (или пленки) весом не более 1÷2 мг. Для баллона 1 цилиндрической формы (фиг. 1б) место отпая 2 с каплей 3 конструктивно может находиться на краю окна баллона 1. Капля 3 является источником атомов ⁸⁷Rb в ячейке за счет отрыва (испарения) их от капли 3 при нагревании ⁸⁷Rb-ячейки.

Квантовым переходом, используемым в атомных стандартах частоты (СЧ) с ⁸⁷Rb-ячейкой, является так называемый 0-0 переход в основном состоянии 5 ²S_1/2 атома ⁸⁷Rb на частоте _0-0 между верхним |F=2, m_F=0> и нижним |F=1, m_F=0> сверхтонкими подуровнями. Для наблюдения сверхтонкого (эталонного) 0-0 резонанса необходимо, прежде всего, чтобы в ансамбле атомов была создана стабильная разность населенностей n_2,1 между подуровнями. Реализация этой задачи сводится к решению двух основных задач. Первая - решает вопрос создания разности населенностей n_2,1 с помощью оптической накачки фильтрованным светом от спектральной ⁸⁷Rb-лампы (или резонансным излучением инжекционного лазера), вторая - решает вопрос удержания значения n_2,1 на максимально возможном уровне. Решение второй задачи в известных аналогах [1, 2] обеспечивается за счет наполнения баллона 1 ячейки упомянутыми инертными (буферными) газами. Буферные газы, замедляя движение атомов рубидия к стенке баллона 1 ячейки, препятствуют уменьшению n_2,1, которое происходит из-за столкновений атомов ⁸⁷Rb со стенкой баллона 1. Таким образом сохраняется разность населенностей n_2,1 на требуемой величине для получения устойчивого сигнала S(0-0) резонанса при подаче на ячейку переменного поля H₁·cos(_0-0·t) на частоте _0-0 квантового 0-0 перехода. Одно из положительных свойств ⁸⁷Rb-ячеек малых размеров, наполненных буферными газами, например, сферических диаметром d ~13÷15 мм с отпаем 2 и каплей 3 металлического рубидия (фиг. 1а), состоит в том, что они работоспособны в атомных СЧ при высоких температурах t° ~75÷85°C. Другое положительное свойство ячеек с буферными газами заключается в том, что при наполнении их двумя газами с определенным давлением каждого (в частности, аргона и неона) достигается малый температурный коэффициент частоты (ТКЧ, Гц/град), см., например, [3] - B.C. Жолнеров, О.П. Харчев. Температурные коэффициенты частоты сверхтонкого перехода основного состояния атомов ⁸⁷Rb, обусловленные изотопами буферных газов. // Вопросы радиоэлектроники, серия ОТ, вып. 10, 1976, с. 87-89.

Независимо от геометрии ⁸⁷ Rb-ячеек и технологии изготовления качество их оценивается эффективными временами продольной и поперечной релаксаций ₁ и ₂. Амплитуда сигнала 0-0 резонанса S(₁) пропорциональна времени ₁, а ширина резонансной линии ~1/₂ обратно пропорциональна времени ₂ расфазировки (когерентности) ⁸⁷ Rb-атомов. В частности, в ⁸⁷Rb-ячейках с буферными газами и диаметром d ~13÷15 мм ширина контура резонанса в атомных СЧ составляет ~600 Гц, не менее.

Недостатком ⁸⁷ Rb-ячеек с буферными газами, таким образом, является большая ширина контура линии 0-0 резонанса и отсутствие возможностей для ее существенного снижения вплоть до <100 Гц, а также пониженное отношение сигнала S(₁) к шуму N. Использование таких ⁸⁷ Rb-ячеек не позволяет повысить точность и долговременную стабильность атомных СЧ.

Основой повышения точности и стабильности упомянутых квантовых устройств является увеличение времен релаксации разности населенностей (₁) и когерентности (₂) атомов. Оно достигается нанесением на внутреннюю поверхность баллона 1 ячейки в условиях вакуума тонкослойного анти-релаксационного стеночного (АРС) покрытия из газообразной фазы тяжелых фракций парафина, имеющих химическую формулу C _nH_2n+2 (в частности, C₃₂H₆₆ - дотриаконтан, C₄₀H₈₂ - тетраконтан). Значения ₁ и ₂ таких ячеек с покрытием в 5÷10 раз превышают аналогичные значения ячеек с буферными газами, см. работу [4] - E.N. Pestov. Stability of Relaxation Processes in Quantum System as a Main Factor for Achieving the High Long-Term Frequency Stability of a Standards. // Proc. Joint Conference of the IFCS-EFTF, San Fransisco, USA, 2011, pp. 623-627.

Недостатком ⁸⁷Rb-ячеек с APC-покрытием является повышенное значение ТКЧ: +(1÷2) Гц/град - для атомных СЧ при возрастании температуры ячейки. На практике для снижения ТКЧ жестко стабилизируют температуру баллона 1 ячейки, используя несколько автономных ступеней термостатирования.

Наиболее близким техническим решением из предшествующего уровня техники к предлагаемому является рубидиевая ячейка поглощения, описанная в патенте [5] - RU 2466485 C1, H01S 1/06, опубл. 10.11.2012. Эта ячейка выбрана в качестве прототипа.

Рубидиевая ячейка поглощения, выбранная в качестве прототипа, выполнена в виде откаченного замкнутого стеклянного баллона, наполненного парами рубидия (⁸⁷Rb), внутренняя поверхность которого покрыта АРС-тетраконтановым покрытием, при этом в объем ячейки введен дополнительно буферный газ - азот или неон, причем давление азота составляет от 3 до 4 мм. рт. ст., а давление неона - от 12 до 17 мм рт. ст.

Пример возможной практической реализации ячейки-прототипа представлен на фиг. 2, где изображена цилиндрическая ячейка с баллоном 1, местом отпая 2 на цилиндрической части, каплей 3 металла рубидия и АРС-покрытием 4 площадью Q. Рубидиевая ячейка-прототип работоспособна, но получение повышенного отношения сигнала S(1) к шуму N, сужения ширины линии резонанса ~1/₂ и уменьшения ТКЧ не представляется возможным. Это обусловлено, прежде всего, технологической особенностью изготовления ячейки, материалом баллона 1 которой является щелочно-стойкое специальное высокотемпературное стекло. На заключительной стадии изготовления, когда капля 3 металла рубидия и покрытие 4 введены в объем баллона 1, происходит процесс отпая баллона 1 от вакуумного поста, сопровождающийся разогревом зоны отпая 2 до температуры плавления стекла ~650°C. В результате в зоне отпая 2 покрытие 4 сгорает (температура плавления покрытия ~81°C), захватывая большую область |A| внутри баллона 1 (см. фиг. 2), а капля 3 металла (⁸⁷Rb) испаряется в пространство баллона 1 и при охлаждении покрывает тонкой пленкой всю поверхность АРС-покрытия 4. Следующей стадией изготовления можно вновь "собрать" рубидий в каплю 3 в зоне отпая 2, однако область |A| стекла сохранится с выжженным в ней АРС-покрытием 4. Атомы ⁸⁷Rb, сталкиваясь с этой оголенной областью |A| стекла, при первом же соударении уходят с рабочего верхнего подуровня |F=2, m_F=0> и не принимают участие в 0-0 резонансе. Это обстоятельство приводит к уменьшению времен релаксации ₁ и ₂, существенному уменьшению величины сигнала и возрастанию ширины контура 0-0 резонанса, что не позволяет повысить точность, стабильность и уменьшить ТКЧ атомных СЧ.

Технической задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является устранение недостатков ячейки-прототипа путем создания ⁸⁷Rb-ячейки, которая обеспечивает высокое отношение сигнала S(₁) к шуму N, уменьшение ширины ~1/₂ контура эталонного 0-0 резонанса и снижение ТКЧ до значения, близкого к нулевому, что приводит к повышению точности и долговременной стабильности атомных СЧ.

Сущность полезной модели заключается в следующем. Рубидиевая ячейка поглощения выполнена в виде вакуумированного стеклянного баллона с антирелаксационным стеночным тетраконтановым покрытием на внутренней поверхности баллона, с рабочим атомным газом - рубидием (⁸⁷Rb) - и буферным газом, содержащим азот. В отличие от прототипа указанный баллон дополнительно снабжен стеклянной трубкой с накопителем-резервуаром на конце для формирования в нем металлического рубидия (⁸⁷Rb), причем длина L трубки и наименьший размер _min баллона удовлетворяют неравенству L>n·_min где n>1, а площадь q отверстия трубки и площадь Q поверхности анти-релаксационного покрытия баллона удовлетворяют неравенству q<0,01·Q, при этом в состав буферного газа введен второй компонент - аргон - при давлении не менее 4 мм. рт. ст., а первый компонент - азот - находится при давлении не более 3 мм. рт. ст.

Сущность полезной модели и ее реализуемость поясняются схематическими чертежами, представленными на фиг. 1, 2, 3, где:

на фиг. 1 - представлены варианты выполнения ⁸⁷Rb-ячеек-аналогов с буферными газами (1а - сферической формы, 1б - цилиндрической формы);

на фиг. 2 - схематический чертеж ⁸⁷Rb-ячейки-прототипа;

на фиг. 3 - схематический чертеж заявляемой ⁸⁷Rb-ячейки (фиг. 3а - ⁸⁷Rb-ячейка цилиндрической формы с трубкой, выходящей из края окна баллона; фиг. 3б - то же, с трубкой, выходящей из цилиндрической части баллона).

Заявляемая ⁸⁷Rb-ячейка выполнена (см. фиг. 3а, 3б) в виде вакуумированного стеклянного баллона 1, содержит зону отпая 2, каплю 3 металлического рубидия, АРС-тетраконтановое покрытие 4 на внутренней поверхности баллона 1, рабочий атомный газ - рубидий (⁸⁷Rb), буферные газы - аргон при давлении не менее 4 мм. рт. ст. и азот при давлении не более 3 мм. рт. ст. Баллон 1 дополнительно снабжен стеклянной трубкой 5 с накопителем-резервуаром 6 на конце для формирования в нем металлического рубидия ( ⁸⁷Rb), причем длина L трубки 5 и наименьший размер _min баллона 1 удовлетворяют неравенству L>n·_min, где n>1, а площадь q отверстия трубки 5 и площадь Q поверхности АРС-покрытия 4 баллона 1 удовлетворяют неравенству q<0,01·Q.

Представленные на фиг. 3а и 3б варианты выполнения заявляемой ячейки отличаются расположением трубки 5. В первом случае (фиг. 3а) трубка 5 выходит из края окна баллона 1, причем длина L трубки 5 больше длины цилиндра в n раз (в данном варианте наименьшим размером _min баллона 1 является длина цилиндра). Во втором случае (фиг. 3б) трубка 5 выходит из цилиндрической части баллона 1, причем длина L трубки 5 больше диаметра d цилиндра в n раз (в этом варианте наименьшим размером _min баллона 1 является диаметр d цилиндра). Число n выбирается, с одной стороны, исходя из получения максимальных времен релаксации ₁ и ₂. Это означает, что трубка 5 должна быть как можно длиннее и тогда число n принимает значение, например, два и более. С другой стороны, требование компактности конструкции, в которой должна быть размещена ⁸⁷Rb-ячейка в конкретном квантовом дискриминаторе, диктует ограничение длины L трубки. Это означает, что предельно малым значением является n ~1, не менее. С учетом вышеизложенного на практике в большинстве случаев число n лежит в пределах от единицы до двух. Накопитель-резервуар 6 в обоих случаях (фиг. 3а и 3б) выполняется в виде небольшой сферы или эллипсоида. Трубка 5 и накопитель-резервуар 6 на конце для ячейки с АРС-покрытием 4 являются неотъемлемыми функциональными элементами, без которых ячейка малоэффективна. Поэтому необходимо изложить некоторые особенности работы заявляемой ячейки и технологии ее изготовления.

Перед стадией отпайки ячейки, которая содержит составные части, указанные выше, капля 3 металлического рубидия (⁸⁷Rb) находится в стеклянной трубке 5. Во время отпая ячейки от вакуумного поста происходит разогрев стеклянной трубки 5 и часть металла капли 3 испаряется в объем цилиндра, покрывая поверхность АРС-покрытия 4 тонкой пленкой, при этом само покрытие 4 не выжигается (сохраняется) благодаря достаточной длине L трубки 5. После отпая ячейки баллон 1 цилиндра нагревают до температуры 60°C и выше, которая превышает температуру плавления рубидия (t°_пл38°C), а накопитель-резервуар 6 одновременно охлаждают ниже 10°С. Эта технологическая операция длится в течение нескольких суток. В результате, АРС-покрытие 4 освобождается от тонкой металлической пленки в объеме баллона 1. Испарившиеся атомы ⁸⁷Rb с поверхности АРС-покрытия 4 под действием градиента температур диффундируют в трубку 5 и постепенно конденсируются в накопителе-резервуаре 6 в виде пленки металла, что исключает в дальнейшем попадание в рабочий объем баллона 1 микрокапель металла, являющихся центрами релаксации и уменьшающих амплитуду сигнала S(0-0) резонанса. Снижение сигнала 0-0 резонанса может происходить и вследствие диффузии малой доли рабочих атомов рубидия ⁸⁷Rb в отверстие трубки 5, накаченных светом на верхний сверхтонкий подуровень |F=2, m_F=0>. Эти атомы сталкиваются с оголенной поверхностью трубки 5 и металлической пленкой рубидия (⁸⁷Rb) в накопителе-резервуаре 6 (см. фиг.3а), теряют ориентацию и преждевременно уходят с рабочего подуровня |F=2, m_F=0>.

Проведенные нами исследования показали, что для достижения минимальной потери сигнала 0-0 резонанса из-за оттока рабочих атомов в отверстие с площадью q (см. сечение 7 трубки 5 на фиг.3а) необходимо ввести ограничения на параметры трубки 5. Они состоят в следующем. Длина L трубки 5 должна быть больше наименьшего размера l_min баллона 1 и соответствовать неравенству L>n·l_min, где n>1, а площадь q отверстия трубки 5 - много меньше площади Q поверхности АРС-покрытия 4 баллона 1 и соответствовать неравенству q<0,01·Q. При выполнении этих соотношений реализуются наибольшее значение отношения сигнала к шуму S(₁)/N и наименьшая ширина резонансной линии (₂), что увеличивает долговременную стабильность и точность атомных СЧ.

При этом достижение указанного результата в сочетании с минимизацией значения ТКЧ до предельного уровня, близкого к нулю, обеспечивается, когда ячейка наполнена буферными газами - аргоном при давлении не менее 4 мм рт.ст. и азотом при давлении не более 3 мм рт.ст. Положительный эффект от указанного двухкомпонентного буферного газа состоит в следующем. Известно, что при изменении температуры ячейки возникают сдвиги частоты 0-0 резонанса, при этом АРС-покрытие 4, в частности, с ростом температуры увеличивает частоту 0-0 резонанса (+_с/град), а газ аргон - уменьшает (-_a/град). В результате в окрестности некоторого значения температуры возникает компенсация сдвигов частоты и ТКЧ становится предельно малым, приближаясь к нулю. Очевидно, что это, с одной стороны, приводит к увеличению долговременной стабильности частоты, а с другой - уменьшает требования к системе термостатирования. Дополнительный второй буферный газ - азот - с малым давлением также сдвигает резонансную частоту _0-0, но этот сдвиг компенсируется подбором давления аргона. При этом наличие азота уменьшает нежелательное переизлучение атомов рубидия в процессе оптической накачки (эффект тушения люминесценции), что также увеличивает отношение S(₁)/N и точность атомных СЧ. В результате, аргон, компенсируя сдвиги _0-0 резонансной частоты, осуществляет минимизацию ТКЧ до предельного уровня, близкого к нулю, а азот - тушение люминесценции.

Работа рубидиевой ячейки поглощения в атомном СЧ хорошо известна [1, 2].

При облучении ячейки светом от спектральной рубидиевой лампы происходит поглощение (А) света атомами ⁸⁷Rb в ячейке. При этом свет перекачивает атомы ⁸⁷Rb на верхний сверхтонкий подуровень |F=2, m_F=0>, опустошая нижний |F=1, m_F =0>. Между подуровнями частота квантового (эталонного) перехода равна _0-0=6834682610 Гц. Ячейка поглощения устанавливается в резонатор и в него подается гармонический СВЧ сигнал от внутреннего генератора на изменяющейся частоте . Как только частота совпадет с эталонной частотой _0-0 атома ⁸⁷Rb происходит 0-0 резонанс, сопровождающийся дополнительным оптическим поглощением А, которое регистрируется на выходе ячейки фотодиодом в виде сигнала ошибки. В центре резонанса _0-0 сигнал ошибки близок к нулю, а поглощение А_0-0 максимально. Чем большее значение поглощения А_0-0 в центре резонанса, тем больше величина сигнала резонанса S(₁).

Предложенные в заявляемой полезной модели конструктивные решения и значения давлений инертных газов позволяют достичь больших значений поглощения А_0-0 и сигналов резонанса S(₁) по сравнению с прототипом, а в сочетании с уменьшением ширины 0-0 резонанса за счет покрытия увеличить точность и долговременную стабильность частоты атомных СЧ.

Таким образом, рассмотренное выше показывает, что заявляемая полезная модель осуществима и обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в создании рубидиевой ячейки поглощения для атомных СЧ, которая обеспечивает высокое отношение сигнала S(₁) к шуму N, малую ширину ~1/₂ эталонного 0-0 резонанса и снижение ТКЧ до значения, близкого к нулевому. Все эти факторы приводят к повышению точности и долговременной стабильности частоты атомных стандартов частоты и квантовых магнитометров при использовании в них данной ячейки.

Источники информации

1. В.В. Григорьянц, М.Е. Жаботинский, В.Ф. Золин. Квантовые стандарты частоты. // М., Наука, 1968, с.171-174, с.190-194.

2. Ф. Риле. Стандарты частоты. (§ 8.2. Стандарты на рубидиевой ячейке.) // М., Физ-матлит, 2009, с.243-249.

3. B.C. Жолнеров, О.П. Харчев. Температурные коэффициенты частоты сверхтонкого перехода основного состояния атомов ⁸⁷ Rb, обусловленные изотопами буферных газов. // Вопросы радиоэлектроники, серия ОТ, вып.10, 1976, с.87-89.

4. E.N. Pestov. Stability of Relaxation Processes in Quantum System as a Main Factor for Achieving the High Long-Term Frequency Stability of Standards. // Proc. Joint Conference of the IFCS-EFTF, San Fransisco, USA, 2011, pp.623-627.

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

Рубидиевая ячейка поглощения, выполненная в виде вакуумированного стеклянного баллона с антирелаксационным стеночным тетраконтановым покрытием на внутренней поверхности баллона, с рабочим атомным газом - рубидием (⁸⁷Rb) и буферным газом, содержащим азот, отличающаяся тем, что указанный баллон дополнительно снабжен стеклянной трубкой с накопителем-резервуаром на конце для формирования в нем металлического рубидия (⁸⁷Rb), причем длина трубки L и наименьший размер l_min баллона удовлетворяют неравенству L>n·l_min, где n>1, а площадь q отверстия трубки и площадь Q поверхности антирелаксационного покрытия баллона удовлетворяют неравенству q<0,01·Q, при этом в состав буферного газа введен второй компонент - аргон - при давлении не менее 4 мм рт.ст., а первый компонент - азот - находится при давлении не более 3 мм рт.ст.