МАГНИТНАЯ ОТКЛОНЯЮЩАЯ СИСТЕМА ЦЕЗИЕВОЙ АТОМНО-ЛУЧЕВОЙ ТРУБКИ
MAGNETIC DEFLECTION SYSTEM FOR CAESIUM ATOMIC-BEAM TUBE

Изобретение относится к технике квантовых стандартов частоты (КСЧ) на основе цезиевых атомно-лучевых трубок (АЛТ), предназначенных для использования в качестве источников сверхстабильных частот в различных навигационных системах, в том числе в российской глобальной навигационной спутниковой системе ГЛОНАСС.
Надежность, экономичность и срок службы КСЧ во многом определяются сроком службы его базового элемента - цезиевой АЛТ.
Актуальной задачей в направлении модернизации цезиевых АЛТ является увеличение их срока службы, в том числе за счет увеличении срока службы источника атомов цезия, повышение эффективности процесса селекции атомов цезия с разными энергетическими состояниями в магнитной отклоняющей системе - селекторе, снижение их массы и габаритов.
3
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению (прототипом) является магнитная отклоняющая система цезиевой АЛТ [1]. Процесс селекции атомов цезия осуществляется в ней с помощью неоднородного магнитного поля, которое создается в рабочем зазоре бронированной магнитной системы на постоянных магнитах. Система содержит два постоянных магнита в виде прямоугольных брусков размером 15×30×3 мм, полюсные наконечники и замкнутый магнитопровод в виде отрезка полого цилиндра квадратного сечения с закругленными углами. Торцевые поверхности полюсных наконечников выполнены по форме эквипотенциальных линий магнитного поля двух параллельных линейных проводников с током [2].
Магнитная отклоняющая система - прототип имеет ряд недостатков.
Высота магнитного зазора меньше диаметра атомного пучка на выходе его из последнего коллиматора атомного источника. Периферийная часть атомного пучка, генерируемого атомным источником, «вырезается» входной торцевой стенкой полюсного наконечника, что приводит к снижению КПД использования запаса цезия в атомном источнике. В результате этого ограничения атомный пучок, поступающий в область индикатора, активирует не всю рабочую часть ленты термического ионизатора. Это приводит к снижению величины ионного тока, отбираемого с поверхности термического ионизатора, величина которого определяет уровень выходного сигнала АЛТ.
В магнитной отклоняющей системе с полюсными наконечниками, выполненными по форме эквипотенциальных линий магнитного поля двух параллельных линейных проводников с током, имеет место значительный разброс градиента магнитного поля по площади поперечного сечения магнитного зазора. Величина градиента определяет силу, с которой внешнее неоднородное магнитное поле действует на движущийся вдоль зазора нейтральный атом цезия и отклоняет траекторию его движения на определенный угол. При увеличении разброса градиента поля увеличивается разброс углов отклонения атомов на выходе их из магнитного зазора. Это ухудшает эффективность селекции атомов цезия с разными энергетическими состояниями, в результате чего снижается интенсивность атомного пучка в области его взаимодействия с высокочастотным полем резонатора и уровень выходного сигнала АЛТ.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание магнитной отклоняющей системы с уменьшенными массой и габаритами, повышенным КПД использования запаса цезия в атомном источнике и улучшенной эффективностью селекции атомов цезия по их энергетическим состояниям для бортовых цезиевых АЛТ с повышенным сроком службы.
Предлагаемая магнитная отклоняющая система цезиевой атомно-лучевой трубки содержит постоянный магнит, магнитопровод и два полюсных наконечника, торец одного имеет выпуклую, а другого - вогнутую цилиндрическую поверхность. Плоскость симметрии постоянного магнита параллельна плоскости симметрии полюсных наконечников. Диаметр цилиндрической поверхности равен длине рабочей части ленты термического ионизатора h. Выпуклая поверхность выполнена в виде полуцилиндра, а вогнутая поверхность выполнена в виде сегмента цилиндрической поверхности, сопряженной с двумя плоскостями, пересекающимися под углом 180°-µ, при условии 130°≤µ≤150°, где µ - центральный угол сегмента. При этом ширина магнитного зазора S на оси полюсных наконечников определяется из условия
S/w=1+h/2w(1-cosµ/2),
где w - ширина ленты термического ионизатора.
Применение одного постоянного брускового магнита, расположенного таким образом, что его плоскость симметрии параллельна плоскости симметрии полюсных наконечников, позволяет вдвое уменьшить массу и габариты предлагаемой магнитной системы по сравнению с прототипом.
Диаметр цилиндрической поверхности каждого полюсного наконечника равен длине рабочей части ленты термического ионизатора, в результате расширяется площадь поперечного сечения магнитного зазора, и следовательно, повышается КПД использования запаса цезия в атомном источнике.
Выполнение вогнутой поверхности полюсного наконечника в виде сегмента цилиндрической поверхности, сопряженной с двумя плоскостями, пересекающимися под углом 180°-µ, при условии 130°≤µ≤150°, где µ - центральный угол сегмента, и условия S/w=1+h/2w(1-cosµ/2), где S ширина магнитного зазора между полюсными наконечниками, w и h - соответственно ширина и длина рабочей части ленты термического ионизатора цезиевой атомно-лучевой трубки, обеспечивает снижение перепада величины градиента отклоняющего магнитного поля по высоте и ширине магнитного зазора, что увеличивает эффективность селекции атомов цезия по их энергетическим состояниям. Это, в свою очередь, приводит к уменьшению разброса углов наклона атомных траекторий на выходе из магнитного зазора, к увеличению количества атомов цезия, поступающих на поверхность рабочей части ленты термического ионизатора в индикаторе атомного пучка и определяющих как интенсивность ионного пучка, так и уровень выходного сигнала АЛТ.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 показаны конструкции (компьютерные модели) магнитной отклоняющей системы-прототипа (а) и предлагаемой магнитной отклоняющей системы (б), где
- полюсный наконечник с выпуклой торцевой поверхностью 1,
- полюсный наконечник с вогнутой торцевой поверхностью 2,
- постоянный магнит 3,
- магнитопровод 4.
На фиг.2 показан профиль поперечного сечения полюсных наконечников для прототипа (а) и для предлагаемой магнитной отклоняющей системы (б), где
- полюсный наконечник с выпуклой торцевой поверхностью 1,
- полюсный наконечник с вогнутой торцевой поверхностью 2.
На фиг.3 приведены расчетные зависимости градиента Нх-компоненты напряженности магнитного поля в направлении ширины зазора в магнитном зазоре магнитной отклоняющей системы - прототипа (а) и предлагаемой магнитной отклоняющей системы (б).
На фиг.4 показаны изолинии Нх-компоненты напряженности магнитного поля в магнитном зазоре, рассчитанные для предлагаемой магнитной отклоняющей системы.
Пример.
3
3
Предлагаемая магнитная отклоняющая система содержит один постоянный магнит 3, выполненный в виде бруска размером 20×20×30 мм из сплава самарий-кобальт, магнитопровод 4, выполненный в виде пластин, каждая размером 5×40×30 мм с выступом со стороны полюсного наконечника из железа «армко». Плоскость симметрии постоянного магнита 3 находится на расстоянии 25 мм от плоскости симметрии полюсных наконечников 1 и 2. Цилиндрическая поверхность полюсных наконечников 1 и 2 имеет диаметр 5,0 мм, равный длине рабочей части ленты термического ионизатора h=5,0 мм промышленной цезиевой АЛТ [3]. Выпуклая поверхность полюсного наконечника имеет форму полуцилиндра. Вогнутая поверхность полюсного наконечника имеет форму сегмента цилиндрической поверхности с центральным углом µ=136°, сопряженной с двумя взаимно пересекающимися плоскостями под углом, равным 180°-µ=44°. Ширина магнитного зазора на оси полюсных наконечников 1 и 2 равна S=3,15 мм и рассчитана в соответствии с условием S/w=1+h/2w(1-cosµ/2), в котором ширина ленты термического ионизатора w и длина рабочей части ленты термического ионизатора h заданы равными w=1,1 мм и h=5,0 мм в соответствии с базовой конструкцией промышленной цезиевой АЛТ [3]. Магнитная отклоняющая система работает следующим образом. Поток атомов цезия, сформированный вырезающей диафрагмой (коллиматором) атомного источника, установленного под углом к продольной оси АЛТ, входит в неоднородное магнитное поле в магнитном зазоре магнитной отклоняющей системы. На каждый нейтральный атом цезия, движущийся с постоянной скоростью в продольном осевом направлении, действует отклоняющая сила магнитного поля, направленная перпендикулярно направлению движения атома и пропорциональная величине градиента Нх-компоненты поля в направлении ширины (координаты X) магнитного зазора. Под ее влиянием происходит пространственное разделение атомов цезия, энергетическое состояние которых соответствует квантовым числам F(4,0) и F=(3,0) магнитной сверхтонкой структуры основного состояния атомов цезия. При этом атомы, находящиеся в состоянии F(4,0), отклоняются магнитным полем от осевого направления АЛТ и рассеиваются на окружающих стенках вакуумной трубки (пролетного канала) АЛТ, а атомы в состоянии F(3,0) - отклоняются магнитным полем в осевом направлении АЛТ и проходят сквозь СВЧ-резонатор, настроенный на частоту эталонного перехода из состояния F(3,0) в состояние F(4,0) и помещенный в слабое однородное поперечное магнитное поле. После прохождения магнитного зазора второй магнитной отклоняющей системы атомы с энергетическим состоянием F(3,0), не совершившие переход в области резонаторной системы, отклоняются магнитным полем и не попадают в индикатор атомного пучка. Атомы, совершившие переход из энергетического состояния F(3,0) в состояние F(4,0), отклоняются в направлении индикатора. В индикаторе они попадают на поверхность ленты термического ионизатора и преобразуются в однозарядные положительные ионы цезия. Ионный ток, отбираемый с поверхности ионизатора на коллектор, усиливается и используется в качестве управляющего сигнала в системе автоматической подстройки частоты КСЧ.
Возможность реализации предлагаемой магнитной отклоняющей системы и ее технические преимущества по сравнению с магнитной отклоняющей системой - прототипом подтверждены методом компьютерного моделирования. В компьютерных моделях отображалась объемная конструкция магнитной отклоняющей системы, а также магнитные свойства материалов в соответствие со справочными ВН-характеристиками материалов для сплава самарий-кобальт и железа «армко». Компьютерные модели построены в декартовой системе координат XYZ, координатная ось Z которой направлена вдоль магнитного зазора (продольной оси АЛТ), а оси Х и Y - соответственно в направлениях ширины и высоты магнитного зазора. Линейные размеры по координатным осям заданы в миллиметрах.
Профиль поперечного сечения полюсных наконечников прототипа, выполненных по классической схеме воспроизведения поля двух линейных проводников с током, показан на фиг.2а [2]. Цилиндрические поверхности выполнены с величинами радиусов r1=1,75 мм и r2=2,2 мм и взаимно пересекаются в двух точках А и В, которые являются точками условно расположенных линейных проводников с током. Ширина магнитного зазора в плоскости симметрии полюсных наконечников Y=0 составляет 2,0 мм. На этой же фигуре точками С, D, Е и F отмечены угловые точки, соответствующие ширине w и длине h рабочей части ленты термического ионизатора промышленной АЛТ [3]. Видно, что в конструкции прототипа высота магнитного зазора, определяемая диаметром выпуклой цилиндрической поверхности первого полюсного наконечника, меньше длины рабочей части ленты термического ионизатора h=5,0 мм. Это приводит к ограничению размера атомного пучка, проходящего сквозь магнитный зазор по его высоте и, следовательно, неполному использованию рабочей части ленты термического ионизатора промышленной АЛТ [3].
Магнитный зазор предлагаемой магнитной отклоняющей системы показан на фиг.2б. Угловые точки С, D, Е и F, определяющие ширину w и длину h рабочей части ленты термического ионизатора промышленной АЛТ [3], находятся в пределах площади магнитного зазора. Диаметр цилиндрических поверхностей полюсных наконечников равен длине рабочей части h ленты термического ионизатора. Вогнутую поверхность образует сегмент цилиндрической поверхности, сопряженной с двумя плоскостями, пересекающимися под углом 180°-µ, где µ - центральный угол цилиндрического сегмента, где µ - центральный угол цилиндрического сегмента. Расстояние на оси Х между вершиной выпуклой цилиндрической поверхности первого полюсного наконечника и плоскостью X=const, проходящей через линию сопряжения указанных поверхностей, выбрано равным ширине w ленты термического ионизатора. При этом примерно в два раза увеличивается площадь поперечного сечения магнитного зазора, что приводит соответственно к повышению КПД использования запаса цезия в атомном источнике. Центральный угол µ сегмента цилиндрической поверхности, сопряженной с двумя плоскостями, пересекающимися под углом 180°-µ влияет на распределение величины градиента отклоняющего магнитного поля по сечению магнитного зазора. Допустимая область изменения центрального угла сегмента цилиндрической поверхности 130°≤µ≤150° определена путем компьютерного моделирования магнитной отклоняющей системы.
y=const
Расчетные функциональные зависимости градиента функции Нх=f(X)| в направлении ширины Х магнитного зазора для магнитной отклоняющей системы - прототипа показаны на фиг.3a. По оси абсцисс отложено расстояние в миллиметрах, а по оси ординат - величина Нх-компоненты напряженности поля в килоэрстедах, деленных на см.…, при значениях безразмерного параметра 2Y/h=0.0, 0.6, 0.8, 1.0 при h=5 мм [3]. Видно, что величина градиента поля резко меняется как по ширине X, так и по высоте Y магнитного зазора. Это увеличивает разброс углов отклонения атомов цезия на выходе из магнитного зазора и снижает эффективность селекции атомов по их энергетическим состояниям.
Результаты расчета градиента Нх-компоненты напряженности поля по ширине (X) и высоте (Y) магнитного зазора предлагаемой магнитной отклоняющей системы в тех же единицах измерения вдоль оси абсцисс и ординат приведены на фиг.3б. Видно, что в предлагаемом варианте магнитной отклоняющей системы качественно улучшается однородность распределения градиента отклоняющего магнитного поля на всей площади магнитного зазора. Это приводит к уменьшению разброса углов отклонения атомных траекторий на выходе магнитного зазора и повышению эффективности селекции атомов цезия по их энергетическим состояниям.
Результаты компьютерного расчета изолиний Нх-компоненты напряженности магнитного поля в междуполюсном зазоре предлагаемой магнитной отклоняющей системы приведены на фиг.4. Величина Нх-составляющей магнитного поля увеличивается (с шагом 330 Э) по мере приближения изолинии к выпуклой поверхности первого полюсного наконечника и достигает своего максимума 13200 Э в угловой точке второго полюсного наконечника, в окрестности которой происходит концентрация изолиний из-за насыщения материала полюсного наконечника. Величина шага изменения Нх-компоненты поля (330 Э), деленная на длину промежутка между изолиниями в направлении оси X, определяет величину градиента Нх-компоненты напряженности магнитного поля в направлении ширины магнитного зазора. В области поперечного сечения атомного пучка (отмеченной прямыми линиями на фиг.4) имеет место плавное изменение поля изолиний, что свидетельствует о плавном и слабом изменении градиента поля. На фиг.4 показана расчетная конечно-разностная сетка, «привязанная» к профилю полюсных наконечников и обеспечивающая высокую точность решения полевой магнитостатической задачи. Линейные размеры по осям Х и Y заданы в миллиметрах.
Таким образом, предлагается конструкция магнитной отклоняющей системы с уменьшенными в два раза массой и габаритами, увеличенным КПД использования запаса цезия в атомном источнике и улучшенной эффективностью селекции атомов по их энергетическим состояниям для цезиевых атомно-лучевых трубок бортового применения с повышенным сроком службы.
Источники информации
[1]. И.И.Самарцев. Атомно-лучевые цезиевые трубки. Сборник лекций в VI томах под общей редакцией д.т.н. А.Н.Королева. ФГУП «НПП «Исток», том.1, часть 2, Атомно-лучевые трубки, 2005 г., с.205-223 (прототип).
[2]. Рамзей Н. Молекулярные пучки, Москва, Издательство иностранной литературы, 1960, стр.343-345.
[3]. Е.Н.Покровский и др. Атомно-лучевые цезиевые трубки. Электронная техника, сер.1, СВЧ-техника, вып.3 (502), 2009, с.4-16.