РУБИДИЕВАЯ ЯЧЕЙКА ПОГЛОЩЕНИЯ

87
85
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 Rb (или Rb).
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.
87
87
87
-6
40
20
87
87
87
2
Типичный пример рубидиевой ячейки поглощения (Rb-ячейка) и канала оптической накачки представлены в [1, 2]. Rb-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 ℓ и диаметру d. В объеме баллона 1 содержатся рабочий атомный газ рубидия (Rb) с низким давлением ~10 мм рт. ст. и в разных комбинациях инертные газы типа аргон (Ar), неон (Ne), азот (N) при общем давлении до 20 мм рт. ст. Баллон 1 имеет место отпая 2, в зоне которого локализуется рубидий (Rb) 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 Rb в ячейке за счет отрыва (испарения) их от капли 3 при нагревании Rb-ячейки.
87
2
87
87
87
87
87
1/2
0-0
F
F
2,1
2,1
2,1
2,1
2,1
1
0-0
0-0
Квантовым переходом, используемым в атомных стандартах частоты (СЧ) с Rb-ячейкой, является так называемый 0-0 переход в основном состоянии 5S атома Rb на частоте ν между верхним |F=2, m=0> и нижним |F=1, m=0> сверхтонкими подуровнями. Для наблюдения сверхтонкого (эталонного) 0-0 резонанса необходимо, прежде всего, чтобы в ансамбле атомов была создана стабильная разность населенностей Δn между подуровнями. Реализация этой задачи сводится к решению двух основных задач. Первая - решает вопрос создания разности населенностей Δn с помощью оптической накачки фильтрованным светом от спектральной Rb-лампы (или резонансным излучением инжекционного лазера), вторая - решает вопрос удержания значения Δn 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 Δn, которое происходит из-за столкновений атомов Rb со стенкой баллона 1. Таким образом сохраняется разность населенностей Δn на требуемой величине для получения устойчивого сигнала S(0-0) резонанса при подаче на ячейку переменного поля H·cos(ν·t) на частоте ν квантового 0-0 перехода. Одно из положительных свойств Rb-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 Rb, обусловленные изотопами буферных газов. // Вопросы радиоэлектроники, серия ОТ, вып. 10, 1976, с. 87-89.
87
87
87
1
2
1
1
2
2
Независимо от геометрии Rb-ячеек и технологии изготовления качество их оценивается эффективными временами продольной и поперечной релаксаций τ и τ. Амплитуда сигнала 0-0 резонанса S(τ) пропорциональна времени τ, а ширина резонансной линии Δν ~1/πτ обратно пропорциональна времени τ расфазировки (когерентности) Rb-атомов. В частности, в Rb-ячейках с буферными газами и диаметром d ~13÷15 мм ширина контура резонанса в атомных СЧ составляет Δν ~600 Гц, не менее.
87
87
1
Недостатком Rb-ячеек с буферными газами, таким образом, является большая ширина контура линии 0-0 резонанса и отсутствие возможностей для ее существенного снижения вплоть до Δν<100 Гц, а также пониженное отношение сигнала S(τ) к шуму N. Использование таких Rb-ячеек не позволяет повысить точность и долговременную стабильность атомных СЧ.
1
2
n
2n+2
32
66
40
82
1
2
Основой повышения точности и стабильности упомянутых квантовых устройств является увеличение времен релаксации разности населенностей (τ) и когерентности (τ) 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 CH (в частности, CH - дотриаконтан, CH - тетраконтан). Значения τ и τ 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.
87
Недостатком Rb-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.
87
Рубидиевая ячейка поглощения, выбранная в качестве прототипа, выполнена в виде откаченного замкнутого стеклянного баллона, наполненного парами рубидия (Rb), 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.
2
F
1
2
87
87
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(τ1) к шуму N, сужения ширины линии резонанса Δν~1/πτ 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 (Rb) 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 Rb, сталкиваясь с этой оголенной областью |A| стекла, при первом же соударении уходят с рабочего верхнего подуровня |F=2, m=0> и не принимают участие в 0-0 резонансе. Это обстоятельство приводит к уменьшению времен релаксации τ и τ, существенному уменьшению величины сигнала и возрастанию ширины контура 0-0 резонанса, что не позволяет повысить точность, стабильность и уменьшить ТКЧ атомных СЧ.
87
1
2
Технической задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является устранение недостатков ячейки-прототипа путем создания Rb-ячейки, которая обеспечивает высокое отношение сигнала S(τ) к шуму N, уменьшение ширины Δν ~1/πτ контура эталонного 0-0 резонанса и снижение ТКЧ до значения, близкого к нулевому, что приводит к повышению точности и долговременной стабильности атомных СЧ.
87
87
min
min
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 (Rb) - 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 (Rb), причем длина L трубки и наименьший размер ℓ баллона удовлетворяют неравенству L>n·ℓ„ 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:
87
на фиг. 1 - представлены варианты выполнения Rb-ячеек-аналогов с буферными газами (1а - сферической формы, 1б - цилиндрической формы);
87
на фиг. 2 - схематический чертеж Rb-ячейки-прототипа;
87
87
на фиг. 3 - схематический чертеж заявляемой Rb-ячейки (фиг. 3а - Rb-ячейка цилиндрической формы с трубкой, выходящей из края окна баллона; фиг. 3б - то же, с трубкой, выходящей из цилиндрической части баллона).
87
87
87
min
min
Заявляемая Rb-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 (Rb), 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 (Rb), причем длина L трубки 5 и наименьший размер ℓ баллона 1 удовлетворяют неравенству L>n·ℓ, где n>1, а площадь q отверстия трубки 5 и площадь Q поверхности АРС-покрытия 4 баллона 1 удовлетворяют неравенству q<0,01·Q.
min
min
1
2
87
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 ℓ цилиндра в ′n′ раз (в данном варианте наименьшим размером ℓ баллона 1 является длина ℓ 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 ℓ баллона 1 является диаметр d цилиндра). Число ′n′ выбирается, с одной стороны, исходя из получения максимальных времен релаксации τ и τ. 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 Rb-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.
87
87
87
87
пл
F
F
Перед стадией отпайки ячейки, которая содержит составные части, указанные выше, капля 3 металлического рубидия (Rb) 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°≈38°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 Rb 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 Rb в отверстие трубки 5, накаченных светом на верхний сверхтонкий подуровень |F=2, m=0>. Эти атомы сталкиваются с оголенной поверхностью трубки 5 и металлической пленкой рубидия (Rb) в накопителе-резервуаре 6 (см. фиг.3а), теряют ориентацию и преждевременно уходят с рабочего подуровня |F=2, m=0>.
min
min
1
2
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 баллона 1 и соответствовать неравенству L>n·l, 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(τ)/N и наименьшая ширина резонансной линии Δν(τ), что увеличивает долговременную стабильность и точность атомных СЧ.
с
a
0-0
1
0-0
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 δν частоты 0-0 резонанса, при этом АРС-покрытие 4, в частности, с ростом температуры увеличивает частоту 0-0 резонанса (+δν/град), а газ аргон - уменьшает (-δν/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 ν, 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(τ)/N и точность атомных СЧ. В результате, аргон, компенсируя сдвиги δν 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].
87
87
87
F
F
0-0
0-0
0-0
0-0
0-0
1
При облучении ячейки светом от спектральной рубидиевой лампы происходит поглощение (А) света атомами Rb в ячейке. При этом свет “перекачивает” атомы Rb на верхний сверхтонкий подуровень |F=2, m=0>, опустошая нижний |F=1, m=0>. Между подуровнями частота квантового (эталонного) перехода равна ν=6834682610 Гц. Ячейка поглощения устанавливается в резонатор и в него подается гармонический СВЧ сигнал от внутреннего генератора на изменяющейся частоте ν. Как только частота ν совпадет с эталонной частотой ν атома Rb происходит 0-0 резонанс, сопровождающийся дополнительным оптическим поглощением ΔА, которое регистрируется на выходе ячейки фотодиодом в виде сигнала “ошибки”. В центре резонанса ν≅ν сигнал “ошибки” близок к нулю, а поглощение ΔА максимально. Чем большее значение поглощения ΔА в центре резонанса, тем больше величина сигнала резонанса S(τ).
0-0
1
Предложенные в заявляемой полезной модели конструктивные решения и значения давлений инертных газов позволяют достичь больших значений поглощения ΔА и сигналов резонанса S(τ) по сравнению с прототипом, а в сочетании с уменьшением ширины 0-0 резонанса за счет покрытия увеличить точность и долговременную стабильность частоты атомных СЧ.
1
2
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(τ) к шуму N, малую ширину Δν~1/πτ 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.
87
3. B.C. Жолнеров, О.П. Харчев. Температурные коэффициенты частоты сверхтонкого перехода основного состояния атомов 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.