Устройство поджига разряда в источнике атомарного водорода для атомного мазера

Полезная модель относится к атомным стандартам частоты и может быть использована в качестве устройства поджига разряда в источнике атомарного водорода при создании активных и пассивных квантовых водородных стандартов частоты (водородных мазеров) для получения высокостабильных колебаний.
Одними из основных элементов водородного мазера являются источник атомов водорода с ВЧ-генератором [1] и расположенные последовательно вдоль траектории пучка атомов водорода вакуумный насос с сортирующим магнитом и термостатированный, экранированный от магнитных полей СВЧ-резонатор, внутри которого располагается накопительная разрядная колба, которая подключена к системе напуска и откачки атомов водорода [2].
В водородном мазере атомарный водород образуется в источнике атомарного водорода путем диссоциации молекулярного водорода в разрядной колбе при возбуждении в ней при низком давлении высокочастотного (ВЧ) электрического разряда источником ВЧ-поля (ВЧ-генератором).
Как показали исследования, напряжение зажигания ВЧ-разряда в разрядной колбе увеличивается со временем из-за старения стенок колбы, накапливания посторонних примесей в объеме и на внутренней поверхности разрядной колбы, а также иных слабо изученных факторов, что является общим недостатком (технической проблемой) известных конструкций водородных мазеров. В связи с этим напряжение ВЧ-поля, создаваемого ВЧ-генератором, в некоторые моменты времени оказывается ниже напряжения зажигания разряда (но выше напряжения горения), поэтому разряд в колбе не зажигается и диссоциация молекулярного водорода не происходит, что и является технической проблемой известных аналогов, решение которой осуществляется заявляемой конструкцией предлагаемого устройства.
Наиболее близким к заявляемому устройству является конструкция устройства поджига ВЧ-разряда в источнике атомов водорода водородного мазера, описанная в [1], с помощью ВЧ разряда, создаваемого ВЧ генератором.
Техническим результатом, обеспечиваемым полезной моделью, является повышение надежности поджига ВЧ-разряда в разрядной колбе источника атомарного водорода мазера и, соответственно, эффективности эксплуатации квантовых водородных стандартов частоты, созданных на их основе.
Решение указанной задачи достигается тем, что в устройство поджига разряда в источнике атомарного водорода для атомного мазера, включающее расположенный в корпусе ВЧ-генератор (основной) для поджига ВЧ-разряда в разрядной колбе, подключаемой к системе напуска и откачки атомов водорода, введен источник ультрафиолетового излучения (УФИ), установленный так, что его излучение понижает напряжение зажигания ВЧ-разряда в водороде, в результате напряженности ВЧ-поля, создаваемой основным ВЧ-генератором, оказывается достаточно для зажигания разряда в разрядной колбе.
Источник УФИ выполнен в виде безэлектродной ртутной лампы с отключаемым источником ее горения, установленной перед и соосно с отверстием, выполненным в основании корпуса под ВЧ-генератором и соосно с разрядной колбой.
Для осуществления экранирования внешних приборов от излучения источника УФИ область расположения ртутной лампы с источником ее горения закрыто экранирующей крышкой.
В вариантах выполнения устройства для экранирования ВЧ-излучения и исключения наводок одного (основного) генератора ВЧ на источник УФИ отверстие закрыто металлической сеткой, а для фокусирования УФИ за его источником (ртутной лампой) установлен рефлектор.
На рисунке схематично изображен общий вид (продольный разрез) заявляемого устройства.
Устройство поджига разряда в источнике атомарного водорода содержит расположенные в корпусе 1 ВЧ-генератор 2 (источник ВЧ-излучения) для зажигания ВЧ-разряда в разрядной колбе 3, подключаемой к системе напуска и откачки атомов водорода (на рисунке не показано), ультрафиолетовый источник излучения в виде ртутной лампы 4 с переключаемым источником ее горения 5 (дополнительным ВЧ-генератором). Для гашения ртутной лампы используется реле времени (на рисунке не показано), отключающее источник ВЧ-поля 5, поддерживающий горение ртутной лампы 4, автоматически через некоторое время. Ртутная лампа 4 установлена перед и соосно с отверстием 6, выполненным в основании 7 корпуса 1 под ВЧ-генератором 2 (который соосно установлен разрядной колбе 3). Само отверстие 6 закрыто металлической сеткой 8.
Область расположения ртутной лампы 4 с источником ее горения 5 закрыта экранирующей крышкой 9.
В варианте выполнения устройства поджига за ртутной лампой может быть установлен рефлектор (на чертеже не показано).
Работа водородного мазера напрямую зависит от начального процесса диссоциации молекулярного водорода при возбуждении в разрядной колбе ВЧ-разряда. Введение источника ультрафиолетового излучения в виде ртутной лампы 4 в область ВЧ-генератора 2, снижая напряжение зажигания разряда и образования плазмы, позволяет повысить устойчивость начального процесса диссоциации молекулярного водорода. Это обусловлено тем, что у ртути широкий (линейный) спектр излучения и одна из его линий излучения совпадает по частоте с линией излучения водорода. На этой спектральной линии и происходит передача дополнительной энергии от ртутной лампы к молекулам водорода, что приводит к понижению напряжения зажигания плазменного разряда и диссоциации молекул.
После поджига и образования плазмы излучение ртутной лампа гасится. Поскольку в это время необходимость в ее излучении отпадает, так как напряжение горения ВЧ-разряда ниже, чем напряжение зажигания и напряженности поля, создаваемой генератором ВЧ, которой было недостаточно для первичного зажигания разряда, оказывается достаточно для поддержания горения.
Таким образом, появляется возможность повысить надежность поджига ВЧ-разряда в разрядной колбе источника атомарного водорода мазера и, соответственно, надежности работы источника атомарного водорода, а в конечном итоге, водородного стандарта частоты, в состав которого он входит. Особенно это важно в условиях работы стандартов частоты в составе аппаратуры космической системы навигации ГЛОНАСС.
Литература
1. «Стандарты частоты и времени на основе квантовых генераторов и дискриминаторов» под редакцией Б.П. Фатеева, М., «Сов. радио», 1978 г. с. 59, рис. 2.10.
2 Полезная модель RU патент №87836.