Квантовый стандарт частоты
QUANTUM FREQUENCY STANDARD

Предлагаемое техническое решение относится к технике стабилизации частоты и может быть использована в квантовых стандартах частоты (КСЧ) бортовой аппаратуры подвижных носителей.
К аналогам предлагаемого технического решения относятся КСЧ на пучке атомов водорода, содержащий помещенные на одно оси источник пучка, сортирующий магнит, накопительную камеру поглощения, помещенную в резонатор, причем резонатор размещен в центре соленоида, помещенного в многослойный магнитный экран [Стандарты частоты и времени на основе квантовых генераторов и дискриминаторов. - А.И. Пихтелев, А.А. Ульянов, Б.П. Фатеев и др. Под рад. Б.П. Фатеева. - М.: Сов. радио, 1978, 304 с.] Недостатком аналога является вариации частоты устройства при изменении ориентации внешнего магнитного поля за счет сдвигов частоты резонанса, вызванных ее квадратичной по полю зависимостью.
К аналогам предлагаемого технического решения относятся КСЧ на пучке атомов цезия-133, содержащий, систему отклоняющих магнитов, П-образный резонатор, причем резонатор размещен в магнитном экране в однородном магнитном поле [Ф. Риле Стандарты частоты. Принципы и приложения, стр 245 // Пер. с англ. - М.: ФИЗМАТЛИТ. 2009. - 512 С. \Fritz Riehle - Frequency Standards: Basics and ApplicationsWiley-VCH | 2005 Недостатком аналога является вариации частоты устройства при изменении ориентации внешнего магнитного поля за счет сдвигов частоты резонанса, вызванных ее квадратичной по полю зависимостью.
1
В качестве прототипа заявляемого изобретения выбран рубидиевый стандарт частоты, содержащий магнитный экран, в центре которого размещены на оптической оси лампа накачки, фильтрующая ячейка, камера поглощения с резонатором и фотодетектор, подключенный к усилителю низкой частоты, причем резонатор с камерой поглощения помещен в центр соленоида, выход усилителя подключен к входу фазового детектора, второй вход которого подключен к выходу генератора низкой частоты, выход фазового детектора подключен к первому входу кварцевого генератора, второй вход которого присоединен к второму выходу генератора низкой частоты ω, выход кварцевого генератора подключен к входу умножителя частоты, выход которого соединен с резонатором. [В.В. Григорьянц, М.Е. Жаботинский, В.Ф. Золин, Квантовые стандарты частоты. - Из-во Наука. 1967, стр 172].
Работа КСЧ, принятого в качестве прототипа, осуществляется следующим образом. Источником накачки в прототипе является спектральная лампа, излучение которой проходит через фильтрующую ячейку с изотопом рубидий-85. Это излучение осуществляет оптическую накачку атомов рубидия-87, находящихся в камере поглощения, которая размещена в объемном резонаторе. Для ослабления влияния внешнего магнитного поля и его градиентов на резонансную частоту устройства осуществляется магнитное экранирование его элементов с помощью магнитного экрана. При возбуждении объемного резонатора на частоте микроволнового резонанса в камере поглощения имеет место уменьшение интенсивности проходящего света, которое фиксируется приемным фотодетектором. Сигнал с фотодетектора усиливается в усилителе низкой частоты, настроенном на звуковую частоту генератора низкой частоты и поступает на сигнальный вход фазового детектора, опорный вход которого питается с одного из выходов генератора низкой частоты. Резонатор возбуждается СВЧ излучением от умножителя частоты на вход которого поступает сигнал кварцевого генератора. Частота последнего регулируется управляющим напряжением с выхода фазового детектора (с помощью реактивной лампы или сервомотора) таким образом, чтобы осуществлялась автоматическая подстройка резонатора под частоту атомного 0-0 перехода атомов рубидия.
Недостатком прототипа является вариации частоты устройства при изменении ориентации внешнего магнитного поля за счет сдвигов частоты резонанса, вызванных ее квадратичной по полю зависимостью в виде
ν = ν
+ β Н
0
2
(1)
0
0
-
Н
, β -
ν
β,
2
2
2
где νчастота атомного перехода,- напряженность рабочего магнитного поля в зоне размещения камеры поглощениямасштабный коэффициент.Применительно к атомам водорода, цезия-133 и рубидия-87 величины  и соответственно равны: 1420 МГц и 2773Гц/Э, 6835 МГц и 570 Гц/Э, 9192 МГц и и 430 Гц/Э.
Технической задачей, решаемой предлагаемым техническим решением, является разработка схемы квантового стандарта частоты, в котором по сравнению с аналогами и прототипом уменьшено влияние вариаций величины и направления внешнего магнитного поля на резонансную частоту устройства.
1
1,
1
2
2,
2
Решение указанной технической проблемы достигается тем, что в известном КСЧ, содержащим первый магнитный экран, в центре которого размещены на первой оптической оси первая лампа накачки, первая фильтрующая ячейка, первая камера поглощения с первым резонатором и первый фотодетектор, подключенный к первому усилителю низкой частоты ω, причем первый резонатор с первой камерой поглощения помещен в центр первого соленоида, выход первого усилителя подключен к первому входу первого фазового детектора, второй вход которого подключен к первому выходу генератора низкой частоты ω выход первого фазового детектора подключен к первому входу кварцевого генератора, второй вход которого присоединен к второму выходу первого генератора низкой частоты ω, выход кварцевого генератора подключен к входу умножителя частоты, выход которого соединен с первым резонатором, вблизи первого магнитного экрана помещен второй магнитный экран, в центре которого размещены на второй оптической оси вторая лампа накачки, вторая фильтрующая ячейка, вторая камера поглощения с вторым резонатором и второй фотодетектор, подключенный к второму усилителю низкой частоты ω, причем второй резонатор с второй камерой поглощения помещен в центр второго соленоида, выход второго усилителя подключен к первому входу второго фазового детектора, второй вход которого подключен к первому выходу второго генератора низкой частоты ω выход второго фазового детектора подключен к третьему входу кварцевого генератора, четвертый вход которого присоединен к второму выходу второго генератора низкой частоты ω, а второй резонатор подключен к выходу умножителя частоты.
0
1
2
⋅
⋅
-10
-11
-11
ν
ν
Технический положительный результат предлагаемого изобретения КСЧ состоит в уменьшении влияния изменения направления внешнего магнитного поля на его резонансную частоту путем компенсации сдвигов частоты резонанса, вызванных ее квадратичной по полю зависимостью (1). Влияние этой поправки на резонансную частоту ν в аналоге и прототипе при использовании в составе бортовой аппаратуры (когда внешнее магнитное поле произвольно изменяет свое направление относительно оси прибора в процессе движения) связано, как правило, с низким коэффициентом экранирования используемых магнитных экранов из-за неидеальности их конструкции и наличия технологических отверстий. Так, например, относительный сдвиг частоты при коэффициенте экранирования ~ 1000 при изменении ориентации геомагнитного поля на 180° и рабочем магнитном поле 0,1 Э КСЧ приводит к относительному сдвигу его частоты для указанных выше рабочих веществ соответственно ~ 4 10, 10 и 2 10. Для подавления этого сдвига в схеме предлагаемого изобретения осуществляется одновременное детектирование двух сигналов, резонансная частота которых на выходе схемы управления СВЧ генератором равна средневзвешенному значению частоти  равных:
1
0
=
+ β (Н+Δ)
2
νν(2)
2
0
=
+ β (Н-Δ)
2
νν(3)
-
где Δ приращение магнитного поля, вызванное присутствием внешнего магнитного поля, которое экранируется первым и вторым магнитными экранами. Знак минус в выражении (3) обусловлен противоположной ориентацией рабочих магнитных полей, создаваемых первым и вторым соленоидами. При этом их последовательное подключение существенно уменьшает погрешности, связанные с вариациями питающего напряжения блока питания.
Н
k
Н
k
Нk
Н
.
0
ЭК
0
ЭК
ЭК
0
В выражениях (2) и (3) приращение магнитного поля можно оценить отношением δ/, где δ - амплитуда вариации внешнего магнитного поля,  - коэффициент экранирования магнитного экрана в предположении, что параметры первого и второго магнитных экранов идентичны. Как следует из (2) и (3) функциональная зависимость вариаций частоты от амплитуды вариаций внешнего поля содержит линейный и квадратичный члены, отношение которых равно 2/δРеальные численные значения величин, входящих в эту дробь позволяет сделать вывод о том, что квадратичным членом можно пренебречь.
k
k
Н
ЭК1
ЭК2
0
На практике величина коэффициентов экранирования для первого и второго магнитных экранов(и) могут различаться. В этом случае вариации измеряемой средневзвешенной частоты КСЧ Δν в функции δ в соответствии с (2) и (3) имеют следующий вид:
Δ
= β δН
Н[(k
)
- (k
] +0,5 β δН
[(k
)
+ (k
]
0
ЭК1
ЭК2
0
ЭК1
ЭК2
-1
-1
2
-2
-2
ν))(4)
k
≈ k
k
Н
ЭК1
ЭК2
0
Из выражения (4) следует, что при близких параметрах первого и второго магнитных экранов, то есть когда ( ≡ ), основной вклад в вариации частоты вносит квадратичный по полю член. При этом коэффициент подавления магнитных вариаций η в заявляемом изобретении КСЧ по сравнению с аналогами будет определяться приведенным выше отношением линейного и квадратичного по вариации δ члена, то есть:
Нk
Н
.
ЭК
0
η = 2/δ(5)
В геомагнитном магнитном поле(~ 0,5 Э) при факторе экранирования 1000 и напряженности рабочего магнитного поля внутри экрана ~ 0,1 Э этот коэффициент примерно равен 200. Обратная величина коэффициента η определяет относительную погрешность подавления магнитных флуктуаций, обусловленных не только вариациями внешнего магнитного поля, но и нестабильностью постоянного тока в первом и втором соленоидах. В рассматриваемом случае эта погрешность не превышает 0,5%.
k
k
Н
k
k
ЭК1
ЭК2
0
ЭК1
ЭК2
При существенном различии коэффициентов и необходим учет линейного по вариации δ члена в выражении (4). В этом случае при = ϒ⋅ и пренебрежении квадратичной поправки коэффициент подавления вариаций будет равен
-1
η = 2(1 - ϒ)(6)
0,99,
Предельное значение коэффициента ϒ в выражении (6) в рассматриваемом варианте не может быть большее так как в противном случае следует учитывать квадратичный по полю член в функциональной зависимости частоты КСЧ, определяющий приведенный выше коэффициент η, равный 200 для идентичных параметров магнитных экранов.
k
k
Н
δН
ЭК1
ЭК2
0
Зависимость коэффициента η от параметра ϒ в выражении (6) показывает, как влияет идентичность магнитных экранов на степень достижения положительного эффекта в заявляемом изобретении КСЧ. Так например, 10% расхождение в коэффициентах экранирования  и при указанных выше величинах и на порядок снижают коэффициент η в сравнении вариантом идентичных магнитных экранов (с 200 до 20).
-5
Высокая однородность геомагнитного поля (по данным работы [Ю.И.Кудрявцев.- Автоматическая съемка с синхронизацией измерений модуля геомагнитного поля полевым и вариационным магнитометрами Вопросы геофизики. Вып. 46. СПб., 2013 - Ученые записки СПбГУ; № 446, 113] градиент напряженности геомагнитного не превышает 4 10 Э на сантиметр) практически исключает измерительные погрешности заявляемого изобретения, связанные с влиянием градиента внешнего магнитного поля: при указанных выше факторах экранирования и величине рабочего магнитного поля внутри первого и второго магнитных экранов относительная погрешность подавления магнитных вариаций в заявляемой модели при расстоянии между центрами первой и второй камер поглощения 10 см не превышает 0,001%.
1
2
Конструкция заявляемого изобретения предусматривает автоподстройку частоты объемных резонаторов под средневзвешенное значение ν и ν, что позволяет реализовать достижение положительного эффекта подавления магнитных вариаций частоты КСЧ.
Сущность изобретения поясняется графическим материалом (фиг.1), (фиг.2), (фиг.3), (фиг.4) и (фиг.5).
На Фиг.1. представлена схема прототипа изобретения.
На фиг.2 изображена схема предлагаемого изобретения КСЧ с двумя магнитными экранами
На Фиг.3. представлен экспериментальный график временной зависимости девиации Алана рубидиевого коммерческого стандарта частоты в условиях вариаций внешнего магнитного поля.
На фиг.4 представлен экспериментальный график временной зависимости девиации Алана для вариаций суммарной частоты двух рубидиевых стандартов в условиях вариаций внешнего магнитного поля при совпадающих направлениях векторов рабочего магнитного поля внутри экранов.
На Фиг.5. представлен экспериментальный график временной зависимости девиации Алана для вариаций суммарной частоты двух рубидиевых стандартов в условиях вариаций внешнего магнитного поля при противоположных направлениях векторов рабочего магнитного поля внутри экранов.
На фиг.1 использованы следующие обозначения элементов:
1 - магнитный экран, 2 - источник накачки, 3 - фильтрующая ячейка, 4 - камера поглощения, 5 - резонатор, 6 - фотодетектор, 7 - усилитель низкой частоты, 8 - соленоид, 9 - блок питания, 10 - фазовый детектор, 11 - генератор низкой частоты, 12 - кварцевый генератор, 13 - умножитель частоты
На фиг.2 использованы следующие обозначения элементов:
1 - первый магнитный экран, 2 - первый источник накачки, 3 - первая фильтрующая ячейка, 4 - первая камера поглощения, 5 - первый резонатор, 6 - первый фотодетектор, 7 - первый усилитель низкой частоты, 8 - первый соленоид, 9 - блок питания, 10 - первый фазовый детектор, 11 - первый генератор низкой частоты, 12 - кварцевый генератор, 13 - умножитель частоты, 14 - второй магнитный экран, 15 - второй источник накачки, 16 - вторая фильтрующая ячейка, 17 - вторая камера поглощения, 18 - второй резонатор, 19 - второй фотодетектор, 20 - второй усилитель низкой частоты, 21 - второй соленоид, 22 - второй фазовый детектор, 23 - второй генератор низкой частоты.
Работа предлагаемого технического решения происходит следующим образом.
Излучение источников накачки 2 и 15 соответственно проходит через первую и вторую фильтрующие ячейки 3 и 16 с изотопом рубидий-85. Это излучение осуществляет оптическую накачку атомов рубидия-87, находящихся в первой и второй камерах поглощения 4 и 17, которые размещены соответственно в первом и втором резонаторах 8 и 18.
Для ослабления влияния внешнего магнитного поля и его градиентов осуществляется магнитное экранирование первой и второй камер поглощения 4 и 17 соответственно с помощью магнитных экранов 1 и 14. В зоне размещения камер поглощения 4 и 17 соответственно с помощью первого и второго соленоидов 8 и 21 создаются равные по модулю рабочие магнитные поля, векторы напряженностей которых ориентированы противоположно друг другу. Последнее достигается встречным последовательным включением первого и второго соленоидов 8 и 21, питаемых от одного и того же блока питания 9.
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
одновременно
Излучение первого и второго источника накачки проходит соответственно через первую и вторую фильтрующие ячейки 3 и 16 с изотопом рубидий-85 и осуществляет оптическую накачку атомов рубидия-87, находящихся в первой и второй камере поглощения 4 и 17, размещенных соответственно в первом и втором резонаторах 5 и 18. Для ослабления влияния внешнего магнитного поля и его градиентов на резонансную частоту устройства осуществляется магнитное экранирование его элементов с помощью первого и второго магнитных экранов 1 и 14. При возбуждении первого и второго резонаторов 5 и 18 на частоте микроволнового резонанса в первой и второй камерах поглощения 4 и 17 имеет место уменьшение интенсивности проходящего света, которое фиксируется приемным первым и вторым фотодетекторами 6 и 19. Эти сигналы используются далее для автоматической подстройки частоты первого и второго резонаторов 5 и 18 под средневзвешенное значение частот ν и ν, определяемых выражениями (2) и (3). Реализация такой автоподстройки достигается, тем, что автоподстройка частоты кварцевого генератора 12 осуществляется  двумя автономными каналами, настроенными на различные звуковые частоты ω и ω с помощью первого и второго селективных усилителей низкой частоты 7 и 20. С выхода первого и второго усилителей низкой частоты 7 и 20 сигналы соответственно поступают на сигнальные входы первого и второго фазовых детекторов, опорные входы которых подключены к выходам первого и второго генераторов низкой частоты (ω) 11 и (ω) 23. Вследствие селективности усилителей низкой частоты 7 и 20, настроенных на разные частоты ω и ω управляющее напряжение с выхода первого и второго фазовых детекторов осуществляет независимую корректировку частоты кварцевого генератора 12 до значений, соответствующего средневзвешенной величине ν и ν СВЧ поля на выходе умножителя частоты 13. При этом в варианте близких параметров первого и второго магнитных экранов 1 и 14 вариации частоты КСЧ в сравнении с аналогами и прототипом уменьшаются в меру коэффициента η, определяемого выражением (5).
В заявляемом изобретении КСЧ в качестве источника накачки могут быть использованы полупроводниковые лазеры, настроенные на соответствующую спектральную линию атомов рабочего вещества.
Экспериментальное подтверждение положительного эффекта в заявляемой модели (подавление магнитных вариаций частоты устройства) было реализовано авторами заявки в эксперименте с двумя коммерческих малогабаритных КСЧ на рубидии с цилиндрическими магнитными экранами длиной 6 см и диаметром 5 см, которые размещались в центре системы катушек Гельмгольца, предназначенных для компенсации компонент лабораторного магнитного поля. Искусственное переменное магнитное поле с амплитудой 0,45 Э на частоте 0,01 Гц создавалось в зоне размещения КСЧ с помощью дополнительных магнитных катушек диаметром 1 м. Оси магнитных экранов ориентировались параллельно друг другу и лежали в плоскости искусственного переменного магнитного поля, направление которого периодически изменялось с частотой 0,01 Гц. При этом измерялись вариации частоты одного из стандартов относительно эталонного значения, соответствующего частоте 0-0 перехода атомов рубидия. Измерения проводились с помощью компаратора Ч308-А, на один вход которого подался СВЧ сигнал с выхода одного из стандартов, на другой - сигнал от эталонного СВЧ генератора. Измеренные значения вариаций обрабатывались компьютером, программное обеспечение которого позволяло установить временную зависимость девиации Алана, являющуюся основной характеристикой стабильности квантового стандарта частоты. Результаты обработки данных представлены на фиг.3 в условиях вращающегося вектора внешнего магнитного поля в плоскости оси магнитного экрана испытуемого устройства.
Аналогичный эксперимент был выполнен с двумя коммерческими стандартами при тех же параметрах внешнего магнитного поля. При этом на компараторе фиксировалась разность частот первого и второго стандарта, эквивалентная вариациям суммарной частоты двух стандартов относительно удвоенного эталонного значения. Также как и в предыдущем эксперименте, измеренные значения вариаций обрабатывались компьютером и строилась временная зависимость девиации Алана. Результаты обработки данных в этом эксперименте представлены на фиг.4 и фиг. 5 для двух вариантов относительной ориентации рабочих магнитных полей (порядка 0,1 Э) внутри магнитных экранов испытуемых стандартов частоты. Зависимость на фиг. 4 соответствует совпадающим направлениям векторов полей квантовых стандартов, фиг. 5 соответствует случаю, когда эти вектора различаются знаком.
Сравнение зависимостей на фиг. 3 и фиг. 5 показывает, что схемное построение квантового стандарта частоты в соответствии с формулой изобретения позволяет примерно на порядок улучшить стабильность частоты устройства в условиях вариаций внешнего магнитного поля, то есть обеспечивает реализацию положительного эффекта в заявляемой модели.