РАДИОСПЕКТРОСКОП

Полезная модель относится к технике квантовых устройств и может быть использована в квантовых стандартах частоты на газовой ячейке с оптической накачкой. Подобные устройства широко применяются в дальней космической связи, службе точного времени, а также при уточнении фундаментальных констант и проверке положений теории относительности.
К аналогам полезной модели относят рубидиевые радиоспектроскопы с изотопической фильтрацией света накачки, составляющие основу пассивных стандартов частоты на газовой ячейке. Принцип paботы таких устройств основан на стабилизации частоты подстраиваемого кварцевого генератора относительно частоты спектральной линии, соответствующей квантовому переходу в сверхтонкой структуре основного состояния атомов рубидия, см. например [В.В.Григорьянц, М.Е.Жаботинский, В.Ф.Золин. Квантовые стандарты частоты. Наука, 1967, 288 c], [А.И.Пихтелев, А.Л.Ульянов, Б.П.Фатеев и др. стандарты частоты и времени на основе квантовых генераторов и дискриминаторов // М., Сов. радио, 1978, 304 с |, [Ф.Риле стандарты частоты. Принципы и приложения // Пер. с англ. - М.: ФИЗМЛТЛИТ. 2009. - 512 С.|.
Известен квантовый стандарт частоты [RU 2220499, H03L 7/16, H01S 3/10, опубл. 27.12.2003], содержащий последовательно соединенные в замкнутое кольцо автоматической подстройки частоты (АПЧ) подстраиваемый кварцевый генератор, умножитель частоты, преобразователь частоты, квантовый дискриминатор и формирователь управляющего напряжения, выход которого подключен к управляющему входу подстраиваемого кварцевого генератора, а также синтезатор частоты, первый и второй выходы которого соединены соответственно с вторым входом преобразователя частоты и вторым входом формирователя управляющего напряжения, а вход соединен с выходом подстраиваемого кварцевого генератора. Дополнительно введен делитель частоты, вход которого подключен к выходу умножителя частоты, при этом выход делителя частоты образует выход квантового стандарта частоты.
Недостатком известного устройства является зависимость его резонансной частоты рабочего магнитного поля, вариации которого по величине и направлению приводят к уменьшению от постельной стабильности частоты подстраиваемого кварцевого генератора.
87
85
Ближайшим аналогом заявляемой полезной модели является радиоспектроскоп на газовой ячейке [SU, №1671103, H01S 1/06, опубл. 10.05.1995]. Радиоспектроскоп содержит магнитный экран, катушку для создания однородного магнитного поля, теплоизолирующую камеру, внутри которой размещены спектральная лампа, наполненная рубидием 87 (Rb.), ячейка-фильтр, наполненная рубидием 85 (Rb) и буферным газом, и резонатор с нагревателем, датчиком температуры, фотодетектором и газовой ячейкой, наполненной рубидием 87 и смесью буферных газов,
Недостатком известного устройства, принятого за прототип, являются погрешности измерений резонансной частоты, вызванные ее ориентационной зависимостью от угла света между направлением магнитного поля и лучом света накачки. Изменение этого угла может быть обусловлено различными причинами, например, изменением ориентации датчика в пространстве, изменением коэффициента экранирования магнитных экранов, наличием внешних магнитных наводок и т.п. С другой стороны, отсутствие в прототипе схемы термостатирования ячейки-фильтра приводит к дрейфу температуры нагрева этого элемента, что непосредственно влияет на величину долговременной стабильности резонансной частоты радиоспектроскопа.
Задачей полезной модели является разработка радиоспектроскопа с повышенной стабильностью за счет уменьшения ориентационной погрешности измерений частоты в составе квантового стандарта частоты путем обеспечения режима нулевого ориентационного сдвига частоты радиооптического резонанса.
87
85
87
1
2
Поставленная задача достигается тем, что в радиоспектроскопе, содержащим магнитный экран, катушку для создания однородного магнитного поля, теплоизолирующую камеру, внутри которой размещены спектральная лампа, наполненная Rb, ячейка-фильтр, наполненная Rb и буферным газом, и резонатор с нагревателем, датчиком температуры, фотодетектором и газовой ячейкой, наполненной Rb и смесью буферных газов, ячейка-фильтр снабжена нагревателем с датчиком температуры, а между спектральной лампой и ячейкой-фильтром помещен интерференционный фильтр для выделения линии накачки D в пропорции по отношению к линии накачки D не менее 1 к 10. Нагреватели резонатора и ячейки-фильтра могут быть объединены в один блок.
Происхождение ориентационной погрешности измерений частоты связано с так называемым световым сдвигом частоты радиооптического СВЧ резонанса, который применительно к парам щелочных металлов с оптической накачкой неполяризованным светом содержит две составляющих [W.Happer, B.S.Mathur, Phys. Rev. - 1967. - v163. - №1, Р.12-25]:
0
1) Скалярный сдвиг Δν, одинаковый для всех магнитных подуровней сверхтонкой структуры F либо F*.
T
F
2) Тензорный сдвиг Δν, связанный с эффектом выстраивания атомов основного состояния и зависящий от магнитного квантового числа m.
Действие световых сдвигов является главным дестабилизирующим фактором в квантовых стандартах частоты с оптической накачкой, при этом погрешности подобных устройств определяются главным образом действием скалярной компоненты светового сдвига в условиях классической схемы оптической накачки с изотопической фильтрацией спектральных линий головного дублета.
87
87
87
2
-12
1
2
1
T
0
1
1
2
T
1
2
T
1
2
2
1
В случае оптической накачки паров Rb нерезонансным светом второго изотопа вклад тензорной компоненты в результирующий световой сдвиг 0-0 перехода не превышает 15 и 2% соответственно для линий накачки D и В [B.S.Mathur, H.Tang, W.Happer, Phys. Rev. - 1968. - v171. - №1, P.11]. Как показывает расчет, выполненный в работе [В.В.Семенов, Известия ВУЗов, Физика. - 1999. - №2 с.86-90], ситуация радикально меняется, если оптическая накачка паров Rb осуществляется от спектральной лампы с использованием изотопической фильтрации резонансного света в ячейке с парами Rb. Так например, в случае использования линии накачки D значения Δν для магнитонезависимых СВЧ переходов могут значительно (в несколько раз) превышать величину скалярного сдвига частоты Δν. При этом характерной особенностью тензорной компоненты светового сдвига является ее ориентационная зависимость от угла θ между направлением внешнего магнитного поля и лучом света накачки, пропорциональная множителю (1-3 cosθ) [Е.Б.Александров, Г.И.Хвостенко, Чайка М.П. Интерференция атомных состояний. - М.: Наука, с.256, 1991]. Присутствие этого множителя налагает жесткие требования по поддержанию постоянства угла θ особенно при использовании рубидиевых стандартов на движущихся и вращающихся носителях. Достаточно сказать, что в условиях оптической накачки паров рубидия естественной смесью линий накачки D и D2 головного дублета, вариация угла θ всего лишь в один градус дает такое же относительное смещение резонансной частоты (10) что и 30% изменение величины рабочего магнитного поля напряженностью 0,8 А/м. Как показано в работе [В.В.Семенов, ЖПС - 1998. -, v.65, №6 с.832-838) при соизмеримых интенсивностях линий накачки D и D значение тензорной компоненты светового сдвига Δν для линии накачки D (ответственной за ориентационный сдвиг частоты радиооптического резонанса на 0-0 переходе) более чем на порядок больше в сравнении с тензорной компонентой линии накачки D в диапазоне температур ячейки фильтра 30-80°С. При этом значения Δν для линий накачки D и D имеют противоположные знаки. Введение интерференционного фильтра изменяет соотношение интенсивностей линий накачки D и D в пропорции 10 к 1, при этом значения тензорных компонент для этих линий становятся одного порядка, что позволяет осуществить режим работы радиоспектроскопа с уменьшенной ориентационной погрешностью за счет взаимной компенсации тензорных компонент при определенной температуре ячейки-фильтра.
Сущность полезной модели поясняется графическими материалами, на которых изображены:
фиг.1 - схема предлагаемой полезной модели рубидиевого радиоспектроскопа на газовой ячейке с оптической накачкой.
87
2
1
2
1
2
фиг.2 - расчетные (кривые а, b, с, d) и экспериментальная (кривая е) зависимости ориентационного сдвига частоты 0-0 перехода в парах Rb от температуры ячейки-фильтра при изменении угла θ на 90° для случая использования линий накачки D и D. В правом верхнем углу фиг.2 указаны соотношения интенсивностей линий накачки D и D при интегральной интенсивности света накачки 50 мкВт/см.
87
85
87
2
1
Радиоспектроскоп содержит (фиг.1) магнитный экран 1, катушку для создания магнитного поля 2, теплоизолирующую камеру 3, внутри которой размещены спектральная лампа 4, наполненная Rb, ячейка-фильтр 5, наполненная Rb и буферным газом, и резонатор 6 с нагревателем 7, датчиком температуры 8, фотодетектором 9 и газовой ячейкой 10, наполненной Rb и смесью буферных газов. Ячейка-фильтр 5 снабжена нагревателем 11 с датчиком температуры 12. Между спектральной лампой 4 и ячейкой-фильтром 5 помещен интерференционный фильтр 13 для выделения линии накачки D в пропорции по отношению к линии накачки D не менее 10 к 1.
1
2
Конструктивно интерференционный фильтр 13 может быть выполнен из нескольких последовательно расположенных тончайших непоглощающих слоев из диэлектрических материалов - окислов Аl2O3, SiO2, TiO2; фторидов MgF2, CaF2, LiF; сульфидов ZnS, CdS и других соединений. Эти слои могут быть образованы на массивной подложке из стекла, кварца методом вакуумного напыления. Два внешних слоя могут изготавливаться из металлов и служат полупрозрачными зеркалами. При прохождении света через подобную систему с многочисленными границами раздела свет многократно переотражается. В результате интерференции отраженных лучей с проходящими лучами (отраженные и проходящие лучи когерентны) на выходе фильтра выделяется часть светового потока с соответствующей длиной волны спектрального диапазона. При этом полоса пропускания такого фильтра в зависимости от числа слоев варьируется в диапазоне от длин волн от 1 нм до 10 нм. От полосы пропускания фильтра зависит и соотношение интенсивностей линий накачки D и D головного дублета в спектре накачки спектральной лампы 4.
1
2
1
2
1
2
2
1
Для определения пропорций соотношения линий накачки D и D была проведена экспериментальная апробация модели радиоспектроскопа с двумя идентичными катушками, ось первой из которых направлена вдоль оптической оси радиоспектроскопа, а ось второй - перпендикулярно этой оси. Для этого случая были получены экспериментальные данные (фиг.2) и выполнены численные оценки изменения резонансной частоты радиоспектроскопа при различных соотношениях линий накачки D и D. Как видно из фиг.2 (экспериментальная кривая е) естественная смесь линий накачки D и D (в соотношении 1 к 1,5) не позволяет реализовать режим нулевого ориентационного сдвига частоты радиоспектроскопа ни при какой температуре ячейки-фильтра. Если же с помощью интерференционного фильтра соотношение линий накачки D и D довести до пропорции 10 к 1 при той же интегральной интенсивности света накачки, то, как показывает кривая (а) фиг.2, в окрестности температуры ячейки-фильтра 50-55°С достигается нулевой ориентационный сдвиг частоты радиоспектроскопа.
Радиоспектроскоп в составе квантового стандарта частоты работает следующим образом.
2
1
T
1
2
F
F
F
F
87
87
87
При включении поджигается разряд в спектральной лампе 4, излучение которой проходит через интерференционный фильтр 13, и преобразуется в излучение с измененным соотношением линий накачки D и D в пропорции 10 к 1. Далее это излучение проходит через ячейку-фильтр 5 и обеспечивает накачку атомов рубидия в газовой ячейке 10. Температура ячейки-фильтра 5, нагретой с помощью нагревателя 11, контролируется датчиком температуры 12 и устанавливается в окрестности значения, при котором тензорные значения Δν для линий накачки D и D имеют разные по знаку, но одинаковую по модулю величину, что приводит к их взаимной компенсации. Температура газовой ячейки 10 (в общем случае не равная температуре ячейки-фильтра 5), нагретой с помощью нагревателя 7, контролируется датчиком температуры 9 и устанавливается в окрестности значения, при котором достигается максимальное отношение сигнал - шум радиооптического резонанса на входе приемного фотодетектора 9. Фотодетектор 9 регистрирует сигнал, характеризующий взаимодействие накаченных атомов с СВЧ-полем, возбуждаемым в резонаторе 6. При совпадении частоты перехода F=2, m=0↔F=1, m=0 основного состояния атомов Rb с частотой СВЧ-поля интенсивность излучения, попадающего на фотодетектор, минимальна. Это объясняется тем, что приложение резонансного СВЧ поля на частоте рабочего перехода выравнивает населенности на магнитных подуровнях сверхтонкой структуры, что приводит к увеличению поглощения света накачки и к уменьшению интенсивности света, прошедшего через газовую ячейку 10. При этом сигнал резонанса невелик и для изотопа Rb обычно составляет 0,1-1% от уровня засветки, определяемого фоновыми линиями излучения лампы 4 и нерезонансными линиями рабочего вещества. Для увеличения отношения сигнал-шум используется модуляция СВЧ поля, благодаря которой оптический сигнал на выходе газовой ячейки 10 регистрируется фотодетектором 9 на частоте модуляции и содержит информацию не только о величине, но и о знаке расстройки СВЧ поля относительно частоты рабочего перехода. Этот сигнал (сигнал ошибки) используется при работе радиоспектроскопа в составе квантового стандарта частоты в кольце АПЧ перестраиваемого кварцевого генератора аналогично тому, как это выполняется в указанном выше аналоге [RU 2220499, H03L 7/16, HOIS 3/10, опубл. 27.12.20031. В таком устройстве, включающем радиоспектроскоп в качестве репера частоты, стабильность кварцевого генератора будет определяться стабильностью линии атомного 0-0 перехода. Поскольку, как это следует из фиг.2, при определенной температуре ячейки-фильтра 5 резонансная частота рабочего перехода не зависит от угла θ, то и значение частоты перестраиваемого кварцевого генератора, определяемое промышленными измерителями частоты, также не будет зависеть от этого угла, то есть ориентационная погрешность измерений частоты кварцевого генератора будет сведена к минимуму, уровень которого определяется погрешностью установки рабочей температуры ячейки-фильтра 5 нагревателем 11 с датчиком 12. Магнитный экран 1 и постоянное магнитное поле катушки 2 служат для выделения магнито независимого рабочего перехода F=2, m=0↔F=1, m=0 основного состояния атомов Rb.
2
1
Как указывалось выше, при соотношении интенсивностей линий накачки D и D в пропорции 10 к 1 (что обеспечивает интерференционный фильтр 13, селектируюший в результате эффекта интерференции одну из спектральных составляющих головного дублета) происходит взаимная компенсация тензорных компонент светового сдвига, которая не зависит от ориентации магнитного поля относительно оптической оси радиоспектроскопа и обеспечивает уменьшение его ориентационной погрешности.
-12
-15
В качестве примера приведем численные оценки положительного эффекта, достигаемого в заявляемой полезной модели, на основании экспериментальных и расчетных данных фиг.2. При изменении ориентации рабочего магнитного поля от сосной к ортогональной по отношению к оптической оси устройства, ориентационная погрешность в прототипе достигает значений 20 Гц при температуре ячейки-фильтра, соответствующей нулевому ориентационному сдвигу, установленной с погрешностью 10%. В заявленной модели при той же погрешности установки температуры ячейки-фильтра ориентационный сдвиг не превышает значения 0,2 Гц. При использовании прототипа в составе квантовой меры частоты случайные вариации угла θ на уровне ±3°, вызванные влиянием остаточной компоненты магнитного поля, ограничивают относительную стабильность устройства на уровне 10. В заявляемой модели при указанной выше погрешности установки температуры ячейки-фильтра, относительная нестабильность частоты устройства не превышает значение 10, что демонстрирует несомненный положительный эффект использования заявляемой полезной модели в технике квантовых стандартов частоты.