Сверхминиатюрный квантовый стандарт частоты и способ компоновки его составных частей
SUBMINIATURE QUANTUM FREQUENCY STANDARD AND THE METHOD FOR ARRANGING ITS COMPONENTS

Изобретения (устройство и способ) относятся к квантовым стандартам частоты на основе эффекта когерентного пленения населенностей (КСЧ-КПН), устройствам для генерирования гармонических электрических сигналов с высокой стабильностью частоты, и может быть использовано в электронных приборах в качестве задающего генератора мегагерцового диапазона.
Известен сверхминиатюрный квантовый стандарт частоты на основе КПН, который сочетает в себе низкую кратковременную и долговременную нестабильность частоты, а также малые габариты и низкое энергопотребление (http://conf.laplas.mephi.ru/wp-content/uploads/2019/11/Palchikov_min_standards23.10.19.pdf).
Однако, компоновка с разделением электроники управления (3 платы) и «частотного дискриминатора» («физической части» и 2-х вспомогательных электронных плат) в виде отдельных модулей при размещении внешнего магнитного экрана на поверхности «физической части» (на малом расстоянии от поверхности внутреннего магнитного экрана), при которой электроника управления компонуется в виде «этажерки», а магнитные экраны «частотного дискриминатора» выполнены на основе цилиндрических форм, заключенных в прямоугольные конструктивные элементы - не позволяет достигнуть более высокой компактности (достигнуть меньших габаритов).
Кроме того, известен сверхминиатюрный квантовый стандарт частоты https://i.moscow/patents/RU197054U1_20200326, являющийся прототипом предполагаемых изобретений.
Однако, компоновка с разделением электронной системы управления и «квантового дискриминатора» («физической части») в виде отдельных блоков при размещении внешнего магнитного экрана на поверхности «физической части» (на малом расстоянии от поверхности внутреннего магнитного экрана), при которой электронная система управления компонуется в виде отдельной сборочной единицы, а магнитные экраны «частотного дискриминатора» выполнены на основе цилиндрических форм -не позволяет достигнуть более высокой компактности (достигнуть меньших габаритов).
Задачей предлагаемых изобретений является устранение недостатков прототипа.
Техническим результатом, получаемым от внедрения изобретений, является создание сверхминиатюрного квантового стандарта частоты упрощенной конструкции, обладающего малыми габаритами, малым энергопотреблением и повышенными прочностью и жесткостью конструкции при сохранении высокой стабильности сигнала частотой 10 МГц на выходе устройства.
Поставленный технический результат достигается тем, что предлагается сверхминиатюрный квантовый стандарт частоты на основе эффекта когерентного пленения населенностей (Фиг. 1 - Фиг. 6), содержащий квантовый дискриминатор (1), кварцевый генератор (2) и электронную систему управления (3), при этом квантовый дискриминатор содержит последовательно расположенные в оптической схеме диодный лазер (4) с вертикальным резонатором, фазовую четвертьволновую пластинку (5) для получения циркулярно поляризованного лазерного поля, стеклянную поглощающую ячейку (6) с парами щелочного металла, снабженную системой термостабилизации и магнитного экранирования, включающую, по меньшей мере, пару магнитных экранов, расположенных вокруг ячейки квантового дискриминатора таким образом, что внутренний магнитный экран (7) окружает ячейку, а внешний магнитный экран (8) окружает внутренний магнитный экран, причем названные магнитные экраны расположены с зазором между ними, внешний магнитный экран заполнен инертным газом, причем во внутреннем экране выполнены сквозные отверстия для ввода в ячейку и вывода из нее лазерного излучения, ось (9) которых проходит через поглощающую ячейку, при этом внутренний магнитный экран снабжен средствами нагрева (10) и термостабилизации (11) поглощающей ячейки, внутри внутреннего экрана также установлены две катушки подмагничивания (12) для создания однородного магнитного поля в области стеклянной ячейки.
При этом внешний магнитный экран (8) одновременно является герметичным корпусом стандарта, что уменьшает габариты и упрощает конструкцию.
В качестве заполняющего внешний экран газа выбран Хе, что уменьшает энергопотребление как за счет малой теплопроводности газа Хе, так и за счет относительно больших расстояний между внешней поверхностью внутреннего экрана и внутренней поверхностью внешнего экрана, по сравнению с аналогами и прототипом.
Ячейка (6) выполнена с отростком.
Внутренний магнитный экран (7) имеет прямоугольную форму, что позволяет упростить конструкцию путем отказа от использования электронного устройства охлаждения отростка ячейки (6) и обеспечения возможности использования естественного стока тепла от отростка ячейки.
Отверстия для ввода в ячейку и вывода из нее лазерного излучения выполнены на прямоугольных поверхностях внутреннего экрана, что позволяет пропускать лазерное излучение через ячейку по направлению короткой стороны экрана, а отросток ячейки ориентировать по направлению длинной стороны экрана, в результате чего компоновка становится более компактной.
На поверхности внутреннего экрана, обращенном в сторону лазерного излучения, размещают окно, представляющее собой пакет из четвертьволновой пластины (5) и нейтрального светофильтра (13), при этом добавление в пакет нейтрального светофильтра снижает мощность лазерного излучения в ячейке, что уменьшает полевой сдвиг частоты и увеличивает стабильность работы стандарта.
Пакет из четвертьволновой пластины и нейтрального светофильтра дополняют клиновидным вкладышем(14), расположенным между пакетом и поверхностью внутреннего экрана, что обеспечивает наклон пластины и светофильтра, снижающий возможное негативное действие отраженного перпендикулярно луча на стабильность работы лазерного диода.
Средства нагрева (10) и термостабилизации (11) поглощающей ячейки располагают в отдельном отсеке (15), дополняющем внутренний экран, содержащий поглощающую ячейку, при этом отдельный отсек выполняют из того же материала (пермаллоя), что и внутренний экран, по той же технологии (лазерная сварка), что упрощает конструкцию и повышает точность термостатирования путем переноса наиболее горячей точки (нагревательного транзистора) с внешней поверхности на внутреннюю перегородку между отсеками.
Для предотвращения нежелательной кристаллизации атомов на стенках ячейки реализован градиент температур с помощью металлического элемента стока тепла, соединяющего отросток ячейки, содержащий атомы металла, с выходящим за габарит экрана элементом.
В качестве щелочного металла стеклянной ячейки выбран природный Cs, что снижает стоимость и упрощает технологию изготовления ячейки.
Катушки подмагничивания (12), устанавливают во внутреннем экране (7), причем катушки имеют прямоугольную форму, что позволяет придать катушкам максимально возможную площадь для выбранной формы экрана при условии совмещения центра катушек с осью отверстий (9) для лазерного излучения и с центром сферической ячейки.
Далее рассматривается возможность замены круглых катушек подмагничивания на прямоугольные при размещении катушек в прямоугольной полости магнитного экрана. Показана возможность улучшения однородности магнитного поля.
Известно, что кольца (катушки) Гельмгольца, представляют собой две соосно расположенные одинаковые радиальные катушки, расстояние между центрами которых Н равно их среднему радиусу R. В центре системы имеется зона однородного магнитного поля. Одна катушка создает на оси магнитное поле
0
-7
где I - ток через катушку, в амперах, R - радиус катушки, в метрах, х - расстояние по оси катушки от ее плоскости, в метрах, n - количество витков, μ - магнитная постоянная (4π×10 Тл×м/А)
Тогда, принимая во внимание, что расстояние по оси от катушки до центра выбирают равным х=R/2, поле в центре катушки
Рассмотрим теперь пару бесконечных прямых параллельных проводов с равными, но обратными по знаку токами, перпендикулярных некоторой оси, причем расстояния от проводов до оси (в противоположные стороны) равны R, а расстояние вдоль оси от плоскости, в которой лежат провода равно х. Тогда магнитное поле на оси равно
Следовательно, вторая пара проводов с током, расположенная на плоскости, отстоящей от первой на расстояние Н по рассматриваемой оси, также создаст вблизи точки х=H/2 зону однородного магнитного поля.
Представляется интересным сравнить размер зон при заданном допуске на неоднородность величины К (у)=В(у)/В(0), рассматривая магнитное поле как функцию от у=(х-Н/2)/Н, выбрав вначале Н=R, а затем рассмотрев и другие соотношения.
На Фиг. 7 видно, что неоднородность магнитного поля при Н=R для системы прямых проводов больше, чем для катушек Гельмгольца, причем вблизи у=0,3 отношение неоднородностей максимально и равно ≈2.
Следовательно, для системы прямых проводов (или равнозначных длинных прямоугольных катушек) условие Н=R не является оптимальным. На Фиг. 8 видно, что неоднородность магнитного поля при Н=1,1547? для системы прямых проводов заметно меньше, чем для катушек Гельмгольца при Н=R, причем при у=0,5 отношение неоднородностей поля примерно равно 0,5. Таким образом, при заданном доступном для проводников габарите 2R и меньшем доступного габарита расстоянии между катушками R (для катушек Гельмгольца), для системы прямых проводов оптимальное расстояние между плоскостями размещения проводов в направлении оси равно Н=1,154/?.
Следовательно, при размещении магнитной системы в прямоугольном экране с высотой внутренней полости, например, 9 мм, и выбрав систему прямых проводов с расстоянием между ними по высоте 9 мм и расстоянием между плоскостями пар проводов 5,19 мм неоднородность поля на расстоянии от центра ≈2 мм составит ≈1,8%. При этом для катушек Гельмгольца радиусом 4,5 мм с расстоянием между катушками 4,5 мм на таком же расстоянии «2 мм от центра неоднородность достигает 3,6%.
В том случае, когда требуется наилучшая однородность поля не точно в центре, а в некоторой области вблизи центра, тогда оптимальными становятся другие условия. Так, например, для рассмотренной выше полости высотой 9 мм, позволяющей размещать в ней катушки диаметром 9 мм или пары проводов с тем же расстоянием между ними, рассмотрим зону ±3 мм вблизи центра по оси. В этом случае относительное отклонение достигает 0,67.
На Фиг. 9 видно, что неоднородность магнитного поля при Н=1,32/R для системы прямых проводов меньше, чем для катушек Гельмгольца при Н=1,19/R, причем при у<0,7 отношение неоднородностей поля примерно равно 0,5.
Считая, что внутренний объем поглощающей ячейки может иметь диаметр максимум 5 мм (при внешнем диаметре ячейки 6 мм), можно попытаться достигнуть наилучшей однородности поля в зоне ±2,5 мм от центра, что соответствует относительному отклонению у<0,56.
На Фиг. 10 видно, что неоднородность магнитного поля при Н=1,29/R для системы прямых проводов меньше, чем для катушек Гельмгольца при Н=1,14/R.
Рассмотренные выше соотношения имеют место при отсутствии влияния внешнего магнитного экрана. Разумеется, пару длинных проводов можно без особого влияния на результаты заменить на сильно вытянутую прямоугольную катушку, либо на катушку, менее вытянутую, более близкую по форме к квадрату.
В одном из последних экспериментальных вариантов конструкции, использованы квадратные катушки размером 9×9 мм с расстоянием между ними 7 мм. Это расстояние примерно соответствует оптимальному значению 5,8 мм при учете ширины катушек ≈1,0 мм и конструктивного зазора в полости ≈0,2 мм.
Влияние магнитного экрана можно оценить точно только численным моделированием в специально для этого предназначенной программе.
ВЫВОДЫ. Пара прямоугольных катушек в ограниченном объеме прямоугольного экрана способна создать более однородное магнитное поле по сравнению с парой круглых катушек при правильном выборе расстояний между катушками.
Изобретение поясняется чертежами:
На Фиг. 1 представлена общая схема заявленного устройства,
На Фиг. 2 представлен внешний вид сверхминиатюрного квантового стандарта частоты.
На Фиг. 3 представлен вид сверхминиатюрного квантового стандарта частоты без крышки корпуса, без радиокомпонентов на электронных платах и без установленной (сверху) платы контроллера. Внутренний магнитный экран со схемой термостатирования установлен (на нихромовых нитях, приваренных к экрану и впаянных в боковые платы).
На Фиг. 4 представлены днище и крышка сверхминиатюрного квантового стандарта частоты.
На Фиг. 5 представлен вид внутреннего магнитного экрана. Одна из стенок экрана показана прозрачной, нити подвески со стопорными узлами («устричный узел») в отверстиях подвески экрана не показаны, внутренняя заливка экрана компаундом (силиконовым) не показана. Внутренний магнитный экран прямоугольной формы дополнен отсеком прямоугольной формы для размещения средства нагрева и термостабилизации поглощающей ячейки.
На Фиг. 6 представлены некоторые входящие во внутренний магнитный экран детали: ячейки, вклеенные во вспомогательные скобы; катушки подмагничивания, наклеенные на скобы; трубка стока тепла, наклеенная на отросток ячейки; вариант охладителя, надетый на трубку стока тепла
На Фиг. 7-10 показаны графики, иллюстрирующие текст с обоснованием выбора прямоугольной формы катушек подмагничивания. На общей схеме заявленного устройства (Фиг. 1), где:
1 - группа элементов конструкции, традиционно именуемая «квантовым дискриминатором частоты», состоящая из «физической части» (из ячейки в термостате с магнитным экранированием и средствами регулировки температуры), из источника излучения (лазера), его приемника (фотодиода) и из вспомогательных оптических элементов (пакета из четвертьволновой пластины и нейтрального светофильтра, дополненное клиновидным вкладышем);
2 - кварцевый генератор, управляемый напряжением (ГУН);
3 - электронная система управления;
4 - диодный лазер с вертикальным резонатором;
5 - фазовая четвертьволновая пластинка;
6 - стеклянная поглощающая ячейка с парами щелочного металла;
7 - внутренний магнитный экран (окружает ячейку);
8 - внешний магнитный экран (окружает внутренний магнитный экран);
9 - ось сквозных отверстий для ввода в ячейку и вывода из нее лазерного излучения (проходит через поглощающую ячейку);
10 - средство нагрева поглощающей ячейки;
11 - средство термостабилизации поглощающей ячейки;
12 - катушки подмагничивания (для создания однородного магнитного поля в области стеклянной ячейки);
13 - нейтральный светофильтр;
14 - клиновидный вкладыш;
15 - отдельный отсек для средства нагрева и термостабилизации поглощающей ячейки;
16 - фотодиод;
17 - генератор сверхвысокой частоты (СВЧ) управляемый напряжением;
18 - нагреватель (элемент Пельтье) с датчиком температуры (терморезистором) лазерного диода (встроены в корпус лазерного диода);
19 - цепи управления температурой лазера;
20 - цепи управления температурой ячейки и током подмагничивания катушек;
21 - сигнал модуляции тока лазера (для модуляции его длины волны);
22 - сигнал модуляции частоты СВЧ генератора (для захвата частоты КПН резонанса квантовым дискриминатором частоты);
23 - сигнал модуляции тока лазера СВЧ частотой (для расщепления спектральной линии лазера, обеспечивающего наблюдение КПН резонанса);
24 - сигналы управления микросхемой фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) СВЧ генератора (относительно частоты кварцевого генератора ГУН);
25 - сигнал кварцевого генератора (для обеспечения работы схемы ФАПЧ СВЧ генератора);
26 - сигнал кварцевого генератора (для тактирования микроконтроллера и для выработки выходного сигнала квантового стандарта частоты, непосредственно, либо после деления частоты 10 МГц в 2 раза, до частоты 5 МГц);
27 - выходной сигнал фотодиода;
28 - линза (возможный, не обязательный, элемент в оптической схеме).
Устройство работает следующим образом. Электронная система управления:
1) преобразует входное питающее напряжение квантового стандарта частоты (например,+5 В) в стабилизированные напряжения питания элементов системы управления (например,+3 В);
2) вырабатывает выходные сигналы частоты квантового стандарта (например, меандры с частотами 10 МГц и 5 МГц и синусоидальный сигнал одной из этих частот);
3) вырабатывает (при необходимости) импульсные сигналы времени (например, с частотой 1 Гц, либо 100 Гц, либо с иной частотой);
4) осуществляет (при необходимости) информационный обмен с пользователем квантового стандарта по интерфейсу RS-232;
5) осуществляет подключение к микроконтроллеру по протоколу SWD, позволяя реализовать отладочные режимы работы и обновление программы микроконтроллера;
6) осуществляет прием (при необходимости) внешних синхронизующих импульсов (например, импульсов ГНСС с частой 1 Гц), для реализации режима дисциплинирования стандарта;
7) вырабатывает и принимает сигналы цепи управления температурой лазера;
8) вырабатывает и принимает сигналы цепи управления температурой ячейки;
9) вырабатывает сигнал модуляции тока лазера (для модуляции его длины волны);
10) вырабатывает сигнал модуляции частоты СВЧ генератора (для захвата частоты КПН резонанса квантовым дискриминатором частоты);
11) вырабатывает сигнал модуляции тока лазера СВЧ частотой (для расщепления спектральной линии лазера, обеспечивающего наблюдение КПН резонанса);
12) принимает, усиливает, оцифровывает и обрабатывает выходной сигнал фотодиода(16);
13) преобразует частоту входного сигнала тактирования от кварцевого генератора (2) в необходимые для работы микроконтроллера тактовые частоты;
14) осуществляет опрос дополнительных датчиков, а именно, температуры внутри корпуса стандарта, а также 3-х компонент вектора магнитного поля внутри экранирующего магнитное поле корпуса стандарта, действующих на внутренний магнитный экран ячейки, расчет поправок к выходной частоте стандарта и их использование при управлении выходной частотой стандарта
Кроме того, предлагается способ компоновки составных частей сверхминиатюрного квантового стандарта частоты, при котором платы кварцевого генератора, лазера, фотоприемника, электронной системы управления и вспомогательные платы компонуют, а затем путем пайки соединяют в прямоугольную конструкцию, причем расположенные по периметру плат контакты служат как для передачи между платами электрических сигналов, так и в качестве механического (паянного) соединения, что позволяет уменьшить габариты, а также энергопотребление устройства путем увеличения расстояния от внешней поверхности внутреннего экрана до внутренней поверхности внешнего экрана, а также создания между экранами непроницаемой перегородки, уменьшающей перенос тепла за счет турбулентных потоков газа.
Внутри прямоугольной конструкции, образованной печатными платами, размещают внутренний магнитный экран с поглощающей ячейкой, с его дополнительны отсеком, причем его крепят к вспомогательным платам конструкции металлическими проволоками либо синтетическими нитями.
Электрические цепи катушек подмагничивания и средства нагрева и термостабилизации подводят к отсеку для средств нагрева и термостабилизации поглощающей ячейки гибким плоским кабелем с малой теплопроводностью. Прямоугольную конструкцию из плат крепят механически к днищу корпуса, например, путем пайки
Квантовый дискриминатор частоты осуществляет:
1) излучение лазерным диодом заданного спектра на требуемой длине волны;
2) фокусировку (при необходимости) лазерного излучения;
3) ослабление мощности излучения до заданного уровня;
4) преобразования поляризации излучения (от излучаемой лазером линейной поляризации в круговую поляризацию);
5) обеспечение прохождения лазерного излучения сквозь квантовую ячейку;
6) прием прошедшего через ячейку излучения и преобразование его в электрический сигнал;
7) управление температурой лазерного диода;
8) управление температурой квантовой ячейки;
9) управление магнитным полем в области ячейки путем управления током подмагничивания катушек;
10) управление рабочей температурой лазерного диода с использованием встроенных в корпус лазера элементов Пельтье и терморезистора.
Квантовый стандарт частоты модулирует ток лазера сигналом низкой частоты, модулирующим рабочую длину волны вблизи наблюдаемого пика поглощения рабочего щелочного металла ячейки), после чего проводит демодуляцию (синхронное детектирование) принятого фотодиодом прошедшего через ячейку излучения. В результате этого вырабатывается сигнал дискриминатора длины волны, после программной обработки которого вырабатывается сигнал управления рабочей длиной волны (ее подстройкой) путем изменения рабочего тока лазера и (или) изменения его рабочей температуры.
Квантовый стандарт частоты модулирует также частоту СВЧ генератора (подаваемой на лазер и расщепляющей его спектральную линию на пару рабочих компонент) сигналом низкой частоты, модулирующим рабочую разницу длин волн (разницу частот излучения) вблизи наблюдаемого микроволнового перехода (КПН резонанса) рабочего щелочного металла ячейки, после чего проводит демодуляцию (синхронное детектирование) принятого фотодиодом прошедшего через ячейку излучения. В результате этого вырабатывается сигнал дискриминатора частоты, после программной обработки которого вырабатывается сигнал управления рабочей выходной частотой стандарта (ее подстройкой) путем изменения напряжения, подаваемого на кварцевый генератор, и управляющего его частотой.
Квантовый стандарт частоты осуществляет работу систем автоматической подстройки рабочих управляющих параметров с использованием специальных цифровых алгоритмов управления, в том числе и реализующих алгоритм PID управления (пропорциональный, интегральный и дифференциальный члены) в цепи обратной связи при автоподстройке.
Устройство реализовано (выполнено) следующим образом.
Платы кварцевого генератора, лазера, фотоприемника, электронной системы управления и вспомогательные платы компонуют, а затем путем пайки соединяют в прямоугольную конструкцию, причем расположенные по периметру плат контакты служат как для передачи между платами электрических сигналов, так и в качестве механического паянного соединения, внутренний магнитный экран крепят к вспомогательным платам конструкции металлическими проволоками либо синтетическими нитями, электрические цепи катушек подмагничивания и средств нагрева и термостабилизации подводят к упомянутому отсеку гибким плоским кабелем с малой теплопроводностью, прямоугольную конструкцию из плат крепят механически к днищу корпуса, например, путем пайки. Прочность паяной прямоугольной конструкции из печатных плат оценивалась экспериментально на разрывной машине. Оценка показала, что нагрузку, соответствующую ускорению порядка 14000g паяные соединения между платами способны выдерживать. При этом подвеска внутреннего магнитного экрана с дополнительным отсеком нагрева и термостатирования на кевларовых нитях также, согласно расчетам, способна выдерживать высокие ускорения. Поглощающая стеклянная ячейка расположена в жестком прямоугольном экране и залита силиконовым компаундом, что обеспечивает ее механическую разгрузку при высоких механических ускорениях. Критической деталью, чувствительной к ускорениям и способной необратимо выйти из строя, является кварцевый генератор, а точнее -система подвески кварцевого кристалла в кварцевом резонаторе. При этом возможна замена кварцевого генератора на генератор, стойкий к высоким ускорениям и сильным вибрациям, например, на основе СВЧ генератора, управляемого напряжением на основе поверхностных волн и делителя его частоты до значения номинальной частоты кварцевого генератора, например, до частоты 10 МГц.