ГАЗОВАЯ ЯЧЕЙКА КВАНТОВОГО МАГНИТОМЕТРА

Полезная модель относится к малогабаритным газовым ячейкам с парами щелочных металлов и может быть использована при изготовлении малогабаритных прецизионных приборов на основе явления магнитного резонанса, включая квантовый магнитометр.
Газовые ячейки поглощения (далее - газовые ячейки), наполненные парами атомов щелочных металлов (рубидий, цезий, калий), применяют в атомных часах, включая малогабаритные, ядерных магнитных гироскопах и квантовых магнитометрах с оптической накачкой. В указанных приборах в качестве высокостабильного частотного эталона используется квантовый дискриминатор, в общем виде содержащий газовую ячейку, оптическую систему для накачки рабочего вещества и детектирования его состояния и магнитную систему, поддерживающую условия магнитного резонанса. Свет, создаваемый источником света оптической накачки, поглощается парами щелочного металла в газовой ячейке, в результате чего увеличивается населенность верхнего уровня основного состояния атомов щелочного металла за счет атомов нижнего уровня. Под воздействием на эти уровни магнитного поля, возбуждаемого в магнитных катушках или СВЧ резонаторе внешним сигналом, происходит обратный процесс увеличения числа атомов нижнего уровня за счет атомов верхнего уровня. Вероятность перехода атомов из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией (т.е. со второго уровня на первый) под действием магнитного поля зависит от расстройки между частотой возбуждающего 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 газовую ячейку поглощения, можно индицировать атомный резонанс и по нему контролировать частоту внешнего сигнала. Изменение интенсивности света индицируется с помощью фотодетектора, ток которого является функцией частотной расстройки магнитного поля относительно частоты рабочего атомного перехода [1].
Точностные характеристики квантового дискриминатора зависят от характеристик примененной газовой ячейки - временной и температурной стабильности частоты рабочего атомного перехода (частоты атомного резонанса) и ширины (добротности) спектральной линии этого перехода.
Из уровня техники известно изготовление стеклянной ячейки, наполненной парами атомов щелочных металлов, представляющей собой сделанную традиционным стеклодувным способом малогабаритную колбу цилиндрической или сферической формы с приваренным отростком (штенгелем для соединения с откачным постом), через который осуществляется заполнение ячейки парами щелочного металла и буферным газом и последующая герметизация ячейки путем отпайки (заваривания) штенгеля [2].
Известно, что столкновение атомов щелочного металла со стенками газовой ячейки приводит к увеличению ширины спектральной линии атомного перехода и снижению точностных характеристик квантового дискриминатора. Можно выделить два подхода к снижению этого отрицательного эффекта: использование антирелаксационного покрытия и применение буферного газа с относительно высоким давлением.
Из уровня техники известна рубидиевая газовая ячейка, содержащая откаченный замкнутый стеклянный баллон, наполненный парами рубидия 87Rb, внутренняя поверхность которого покрыта антирелаксационным покрытием, отличающаяся тем, что в качестве материала антирелаксационного покрытия используется тетраконтан, при этом во внутреннее пространство 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. Диапазон рабочих температур такой ячейки лежит в пределах от 50 до 60°С. В этом температурном диапазоне обеспечиваются слабая температурная зависимость частоты рабочего атомного перехода, узкая спектральная линия и малый дрейф частоты рабочего атомного перехода во времени [1].
Однако в ряде случаев возникает необходимость сместить диапазон рабочих температур, при этом положительные свойства ячейки теряются, в частности, возрастает температурная зависимость и нестабильность во времени частоты рабочего атомного перехода, что объясняется изменением характеристик антирелаксационного тетраконтанового покрытия с изменением рабочей температуры.
Из уровня техники известна рубидиевая газовая ячейка 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 [3].
87
87
Однако на заключительной стадии изготовления ячейки во время ее отпая от вакуумного поста, сопровождающегося разогревом зоны отпая до температуры плавления стекла ~650°С, в зоне отпая часть антирелаксационного покрытия сгорает (температура плавления покрытия ~81°С), а капля металла (Rb) испаряется в пространство баллона и при охлаждении покрывает тонкой пленкой всю поверхность антирелакационного покрытия. Атомы Rb, сталкиваясь с областью стекла в которой выжжено антирелаксационное покрытие, теряют свою поляризацию, в следствие чего происходит уменьшение времени релаксации и существенное уменьшение величины сигнала, что не позволяет повысить точность, стабильность и уменьшить коэффициент температурной чувствительности квантового дискриминатора.
min
min
Из уровня техники известна рубидиевая газовая ячейка, выполненная в виде вакуумированного стеклянного баллона с антирелаксационным стеночным тетраконтановым покрытием на внутренней поверхности баллона, с рабочим атомным газом - рубидием (87Rb) и двухкомпонентным 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 баллона удовлетворяют неравенству L>n⋅l, 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 [4].
К общим недостаткам ячеек с антирелаксационным покрытием, перечисленным выше, можно отнести: низкую повторяемость характеристик покрытия и их временную нестабильность, технологическую сложность нанесения равномерного покрытия, сниженный диапазон рабочих температур. Временная нестабильность характеристик ячеек с антирелаксационным покрытием делает их малопригодными для построения приборов, имеющих длительный срок эксплуатации. Такие ячейки чаще используют для лабораторных экспериментов.
Также следует отметить, что использование при стеклодувном изготовлении ячеек газовых горелок не позволяет изготовить ячейки с характерными размерами порядка нескольких миллиметров и ячейки с оптически однородными по всему сечению окнами. В частности, при таком способе невозможно уменьшить длину штенгеля при отпайке от откачного поста до миллиметровых размеров, поскольку при этом колба и окна ячейки подвергаются размягчению и деформации, а антирелаксационное покрытие выгорает. Из-за этого ухудшаются оптические свойства и эксплуатационные характеристики ячейки. Чтобы избежать ухудшения оптических свойств и эксплуатационных характеристик ячейки, приходится увеличивать ее габариты, что приводит к ухудшению весогабаритных характеристик и повышению энергопотребления аппаратуры, включающей эти приборы.
2
Перечисленные проблемы решены в стеклянных ячейках, герметизация которых производится СО-лазером, а вместо антирелаксационного покрытия используется буферный газ повышенного давления.
2
2
Из уровня техники известен способ изготовления малогабаритных атомных ячеек с парами атомов щелочных металлов, который включает нагрев окна и торца заготовки ячейки, приварку окна к одному из торцов заготовки и их отжиг излучением СО-лазера, термообработку заготовки, откачку и последующее заполнение парами щелочного металла в вакууме. Затем напыленный металл со стенок заготовки испаряют СО-лазером и герметизируют ячейку путем установки прозрачного окна на втором торце заготовки ячейки и его приварки к торцу лазером [5].
Недостатком данного способа изготовления является большая длина шва и длительное время герметизации, что влечет за собой большое количество примесей в ячейке, и, как следствие, низкую стабильность работы ячеек.
2
Из уровня техники также известен способ изготовления малогабаритных оптических резонансных ячеек с парами атомов щелочных металлов, заключающийся в том, что изготавливают стеклянный корпус ячейки. В одной из нерабочих стенок каждой из ячеек выполняют сквозное асимметричное отверстие с диаметром, увеличивающимся в направлении от внутренней поверхности ячейки к наружной. Располагают ячейки в вакуумной камере в гнездах карусели отверстием кверху и проводят откачку камеры, термообработку и обезгаживание ячеек. После отключения нагрева и охлаждения ячеек до температуры около 0°С вскрывают ампулу со щелочным металлом, подводят дозатор с подогретой до 230-250°С ампулой к ячейке, сопло ампулы дозатора располагают над отверстием ячейки. После загрузки щелочного металла в ячейку поворачивают карусель ячеек, направляя сопло ампулы дозатора в отверстие следующей ячейки. После заполнения всех ячеек щелочным металлом нагрев ампулы отключают и заполняют все ячейки, находящиеся в камере, смесью рабочих газов. Герметизацию ячеек осуществляют путем установки в отверстие каждой стеклянного шарика, диаметр которого больше меньшего диаметра отверстия, но меньше толщины стенки ячейки, и облучают шарик направленным на его центр пучком излучения СО-лазера с диаметром, превышающим диаметр шарика, до оплавления шарика и его сварки со стенкой ячейки [6].
Недостатком данных способов является длительное время герметизации ячеек, что ведет к выделению большого количества примесей в ячейку, вследствие чего работа ячеек обладает низкой стабильностью. Кроме того, использование шарика приводит к образованию плохо контролируемой выпуклости на боковой поверхности ячейки, что увеличивает размеры изделия.
2
Из уровня техники известна ячейка, которая содержит стеклянный корпус цилиндрической формы. Цилиндрическая стенка малогабаритной атомной ячейки содержит отверстие для загрузки щелочного металла, смещенное к одному из рабочих торцов, а для напуска буферных газов малогабаритная атомная ячейка содержит второе отверстие, диаметр которого меньше диаметра первого отверстия. Диаметры отверстий выбраны таким образом, что под воздействием излучения СО-лазера отверстия самозатягиваются [7]. Недостатком такой ячейки является сложность создания зоны конденсации щелочного металла, вследствие чего может происходить оседание паров щелочного металла на оптических окнах ячейки и снижение ее прозрачности.
Общим недостатком способов, описанных в источниках [5-7], является то, что к откачному посту подключается не каждой ячейка, а целая камера, в которой производится герметизация ячеек, что приводит к необходимости заполнения буферным газом большого объема камеры, при этом сложно обеспечить требуемое давление газа в ячейке после ее герметизации.
Известна рубидиевая газовая ячейка, предназначенная для использования в квантовом дискриминаторе, представленная в патенте [8], 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 газовая ячейка 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°С.
Недостатком ячейки-прототипа, как и ячеек с антирелаксационным покрытием, рассмотренных выше, является низкая повторяемость характеристик покрытия и их временную нестабильность и сниженный диапазон рабочих температур.
Решаемая техническая проблема - совершенствование конструкции и технологий изготовления газовых ячеек для повышения качества и воспроизводимости их характеристик, а также расширения диапазона рабочих температур.
Достигаемый технический результат - повышение повторяемости оптических характеристик ячейки.
В заявляемой полезной модели, благодаря использованию процесса герметизации малогабаритной атомной ячейки как в полезной модели-прототипе, использованию корпуса ячейки с высокими требованиями к параллельности граней (допуск параллельности граней - 0,02; допуск плоскостность - 0,01), выточенного из лейкосапфира и отполированного до уровня шероховатости Ra=0,08, отказу от использования антирелаксационного покрытия в пользу применения буферного газа с относительно высоким давлением от 50 до 100 мм рт.ст., получилось увеличить время релаксации атомов щелочного металла, улучшить воспроизводимость оптических характеристик ячеек и расширить диапазон рабочих температур.
Сущность полезной модели заключается в следующем. Корпус газовой ячейки изготавливается из лейкосапфира с использованием методов механообработки без операций соединения сапфир-сапфир. При этом предъявляются высокие требования к параллельности граней корпуса (допуск параллельности граней - 0,02; допуск плоскостность - 0,01) и их шероховатости (Ra=0,08), что улучшает качество и воспроизводимость оптических характеристик ячейки. К корпусу газовой ячейки прикрепляется методом горячей пайки стеклянная трубка (штенгель), с помощью которой ячейка присоединяется к откачному посту. Присоединение через штенгель к откачному посту снижает возможность попадания вредных примесей внутрь газовой ячейки. Откаченный замкнутый сапфировый корпус ячейки наполняется парами цезия Cs133 и буферным газом - азотом, снижающим частоту столкновений паров щелочного металла со стенками ячейки в диапазоне температур от 50 до 120°С, после чего производится герметизация ячейки путем отпайки штенгеля.
Конструктивно заявляемая газовая ячейка представляет собой сборку из двух деталей - цельного корпуса, выполненного из щелочеустойчивого прозрачного материала, допускающего механообработку - лейкосапфира и стеклянной трубки, прикрепленной к корпусу методом горячей пайки, через которую осуществляется заполнение ячейки щелочным металлом и буферным газом. Изготовление корпуса ячейки производится из единой заготовки с использованием методов механообработки и обеспечением требований: допуск параллельности граней - 0,02; допуск плоскостность каждой грани - 0,01. Высокие требования к плоскостности и параллельности стенок газовых ячеек обусловлены тем, что они не приводят к искажению лазерного луча. Значения допусков обусловлены стандартными достижимыми точностями при механической обработке изделий из сапфира. Кроме того, существенный недостаток ячеек из стекла - образование сколов при механообработке, чего не наблюдается при обработке сапфира. Полировка граней ячейки проводится для обеспечения шероховатости Ra=0,08. Такие требования обеспечивают отношение мощности лазерного излучения, прошедшего через газовую ячейку, к начальной мощности лазера на уровне более 0,9 во всем диапазоне угла поворота газовой ячейки вокруг оси, соответствующей направлению распространения лазерного излучения. Для ячеек из стекла данное отношение обычно имеет значение от 0,65 до 0,85.
В ячейке размещается 5 мг жидкого цезия. При эксплуатации ячейки рабочем веществом являются насыщенные пары цезия, концентрация которых определяется температурой ячейки. Избыточное количество цезия размещается в ячейке для компенсации поглощения цезия стенками ячейки и обеспечения возможности возникновения и индицирования атомного резонанса в течение всего срока эксплуатации ячейки. Значительное превышение количества жидкого цезия не желательно, т.к. может привести к снижению прозрачности ячейки из-за осаждения цезия на внутренние стенки ячейки, находящиеся на ее оптической оси. Давление буферного газа (от 50 до 100 мм рт.ст. для азота) выбирается экспериментально из условия минимизации ширины спектральной линии электронного-парамагнитного резонанса в ячейке. Диапазон значений давлений обусловлен следующим. При увеличении давления газа сокращается длина свободного пробега атомов цезия из-за увеличения числа их соударений с атомами буферного газа. Диффузия атомов цезия к стенке замедляется. При давлении свыше 50 мм рт.ст. время диффузии атомов цезия к стенке значительно превышает время жизни его возбужденного состояния. При давлении же свыше 100 мм рт.ст. происходит значительное уширение линии цезия - атомы цезия релаксируют при соударениях с атомами буферного газа. Поэтому оптимальное давление азота находится в диапазоне от 50 до 100 мм рт.ст.
С технологической точки зрения процесс изготовления заявляемой ячейки поглощения состоит из известных стандартных операций. Так, изготовление сапфирового корпуса осуществляется с использованием технологических процессов механической обработки изделий из хрупких неметаллических материалов [9-12], припайка стеклянного штенгеля к сапфировому корпусу производится по методике, описанной в [13], а наполнение газовой ячейки буферным газом может быть осуществлено с использованием откачного поста по технологии, аналогичной описанной в [14]. Заявляемое техническое решение реализовано в эскизной документации и опытном образце ячейки.
Таким образом, рассмотренное показывает, что заявляемое техническое решение осуществимо и обеспечивает достижение заявленного технического результата, заключающегося в повышении повторяемости оптических характеристик ячейки.
Источники информации
1. Патент РФ №112558.
2. Knappe S. et al. Compact atomic vapor cells fabricated by laser-induced heating of hollow-core glass fibers // Review of scientific instruments. - 2003. - T. 74. - №. 6. - C. 3142-3145.
3. Патент РФ №133354.
4. Патент РФ №151192.
5. Патент РФ №2554358.
6. Патент РФ №2578890.
7. Патент РФ №2683455.
8. Патент РФ №2466485.
9. Бахарев В.П. Конструкторско-технологическое сопровождение производства изделий из керамических и композиционных материалов // Конструкции из композиционных материалов. - 2008. - №. 3. - С. 34-47.
10. Ваксер Д.Б. и др. Алмазная обработка технической керамики // Л.: Машиностроение. - 1976. - С. 160.
11. Чукаев В.И. Исследование процесса финишной обработки синтетического корунда: Автореф. дис. … канд. техн. наук. // Л.: - 1974. - С. 38.
12. В.Б. Вовнобой, Л.П. Зайченко, А.А. Абрамзон и др. Изучение механизма обработки синтетического корунда абразивно-алмазным инструментом // Трение и износ. - 1981 - 11 №2. - С. 366-371.
13. Д.Г. Саркисян, А.В. Мелкоян. Т-образная лейкосапфировая кювета для паров атомов щелочных металлов // ПТЭ - 1989 - С. 202-203.
14. 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. 111-119.