Поглощающая ячейка квантового стандарта частоты и способы ее применения
ABSORBING CELL OF A QUANTUM FREQUENCY STANDARD AND METHODS OF ITS APPLICATION

Изобретения (устройство и способы) 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.
87
Первые поглощающие ячейки квантового стандарта частоты разрабатывались давно, так, например, рубидиевый стандарт HEWLETT PACKARD 5065А, выпускавшийся с 1979 года, имел поглощающую ячейку с парами Rb, находящуюся в сверхвысокочастотном резонаторе. Позже были разработаны и выпущены в производство миниатюрные квантовые стандарты на основе эффекта когерентного пленения населенностей (КСЧ-КПН), содержащие миниатюрную поглощающую ячейку, например, цезиевые квантовые часы стандарта CSAC SA45.S, выпуска 2017 года имеют размер корпуса: 1.6'' × 1.39'' × 0.45'' (16 см3), и имеют в своем составе миниатюрную поглощающую ячейку с парами Cs.
Технология изготовления ячеек и их форма может сильно различаться. Так, цилиндрические ячейки с плоскими торцевыми частями, в том числе с отдельным резервуаром для хранения щелочного металла, использовались уже в первых классических квантовых стандартах (без использования КПН эффекта). В миниатюрных стандартах КСЧ-КПН возможно применение как ячеек, выполненных стеклодувным способом (вручную или автоматически), так и ячеек, выполненных по технологии МЭМС (Микроэлектромеханические системы).
Известна ячейка (патент СССР 1971 г., https://findpatent.ru/patent/30/301663.html), разделенная на две полости, одна из которых является рабочей, а вторая предназначена для хранения запаса щелочного металла.
Однако, известная ячейка не позволяет использовать КПН резонанс одновременно при нескольких (например, двух) разных температурах, либо одновременно при разных интенсивностях или диаметрах лазерного луча, так как имеет именно одну рабочую полость.
Кроме того, известны ячейки (Pawel Knapkiewicz. Technological Assessment of MEMS Alkali Vapor Cells for Atomic References / Articles from Micromachines are provided here courtesy of Multidisciplinary Digital Publishing Institute (MDPI) / электронный ресурс https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6356524/ (рис. 13, 14), Published online 2018 Dec 31. doi: 10.3390/mi10010025, PMCID: PMC6356524, PMID: 30602697), выполненные по технологии МЭМС, представляющие собой пару цилиндрических полостей, причем одна из полостей является рабочей, а вторая выполняет функцию хранилища щелочного металла (рубидия или цезия), а канал, соединяющий полости между собой - весьма тонкий. Такое разделение ячейки на две полости позволяет предотвращать в рабочей полости осаждение пленки металла на оптические поверхности и достигать большой площади пленки металла на поверхностях полости - хранилища, это достигается обеспечением в рабочем режиме ячейки небольшой разности температур (рабочая полость имеет немного большую температуру). В этом случае газ внутри рабочей полости имеет постоянную температуру, и рабочая частота КПН резонанса ячейки соответствует температуре буферного газа и его давлению (плотности) при неизменном составе смеси газов.
Однако, известная ячейка не позволяет использовать КПН резонанс одновременно при нескольких (например, двух) разных температурах, либо одновременно при разных интенсивностях или диаметрах лазерного луча, так как имеет именно одну рабочую полость.
Задачей предлагаемых изобретений является устранение недостатков прототипа.
Техническим результатом, получаемым от внедрения изобретений, является создание поглощающей ячейки для квантового стандарта частоты, позволяющей реализовать новые режимы работы стандарта, повышающие точность стандарта.
Поставленный технический результат достигается тем, что предлагается поглощающая ячейка, имеющая дополнительную рабочую полость, причем наличие дополнительной рабочей полости позволяет создать дополнительный канал квантового дискриминатора частоты, при этом режимы работы разных каналов квантового дискриминатора частоты могут различаться как за счет отличия диаметров и мощности луча лазерного излучения, так и за счет неравенства температур разных рабочих полостей и, соответственно, заполняющего их газа, причем как рабочие полости, так и полость для хранения запаса щелочного металла сообщаются между собой, обеспечивая тем равенство давления газа во всех полостях.
Изобретение поясняется иллюстрациями
На Фиг. 1 показана ячейка 1 с двумя рабочими полостями и с полостью - хранителем щелочного металла, с катушками подмагничивания 2 наклеенными на вспомогательную скобку 3, выводы проводов катушек подготовлены к прохождению в отверстия внутренней перегородки между секциями внутреннего магнитного экрана.
На Фиг. 2 показан внутренний магнитный экран 4 с присоединенным к нему отсеком средств нагрева и термостабилизации 5, причем вспомогательные отверстия 6 служат для крепления подвешивающих экран нитей, а отверстия 7 служат для пропускания лучей лазера через содержащуюся в экране ячейку 1.
На Фиг. 3 показан внутренний магнитный экран 4 с присоединенным к нему отсеком средств нагрева и термостабилизации 5, вид со стороны фотоприемников и разрез, где 8, 9 - 1-я и 2-я рабочие полости ячейки;
10 - полость - хранитель щелочного металла;
11 - внутренний объем отсека 5 средств нагрева и термостабилизации;
12 - элемент стока тепла (охладитель) полости - хранителя металла.
Пакеты из  - волновой пластины и нейтрального светофильтра на клиновидных вкладышах над входными отверстиями для лазерного излучения не показаны. Расщепитель лазерного луча на две части не показан. Средства нагрева и термостабилизации внутри отсека 5 в полости 11 не показаны.
На Фиг. 4 показана блок-схема КСЧ-КПН, где
1 - стеклянная поглощающая ячейка с парами щелочного металла;
2 - катушки подмагничивания (для создания однородного магнитного поля в области стеклянной ячейки);
4- внутренний магнитный экран (окружает ячейку);
5 - отдельный отсек для средства нагрева и термостабилизации поглощающей ячейки;
13 - средство нагрева поглощающей ячейки;
14 - средство термостабилизации поглощающей ячейки;
15 - диодный лазер с вертикальным резонатором;
16 - линза (возможный, не обязательный, элемент в оптической схеме);
17 - фазовая четвертьволновая пластинка;
18 - нейтральный светофильтр;
19- клиновидный вкладыш;
20 - фотодиод;
21 - кварцевый генератор, управляемый напряжением (ГУН);
22 - генератор сверхвысокой частоты (СВЧ), управляемый напряжением;
23- электронная система управления;
24 - выходной сигнал фотодиода;
25 - нагреватель (элемент Пельтье) с датчиком температуры (терморезистором) лазерного диода (встроены в корпус лазерного диода);
26 - цепи управления температурой лазера;
27 - цепи управления температурой ячейки и током подмагничивания катушек;
28 - сигнал модуляции тока лазера (для модуляции его длины волны);
29 - сигнал модуляции частоты СВЧ генератора (для захвата частоты КПН резонанса квантовым дискриминатором частоты);
30 - сигналы управления микросхемой фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) СВЧ генератора (относительно частоты кварцевого генератора ГУН);
31 - сигнал модуляции тока лазера СВЧ частотой (для расщепления спектральной линии лазера, обеспечивающего наблюдение КПН резонанса);
32 - внешний магнитный экран (окружает внутренний магнитный экран);
33 - 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);
34 - сигнал кварцевого генератора (для обеспечения работы схемы ФАПЧ СВЧ генератора);
35 - 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).
На Фиг. 5 показано относительное отклонение частоты ячейки в диапазоне температур (°С). Пунктир - квантовый дискриминатор более холодной полости, штрих-пунктир - квантовый дискриминатор более горячей полости, жирная линия - среднее значение дискриминаторов обеих полостей без поправки при разности температур полостей 0,4°С, тонкая линия - квантовый дискриминатор с поправкой, но без вычитания постоянного сдвига.
На Фиг. 6 показано относительное отклонение частоты ячейки в диапазоне температур (°С). Жирная линия - среднее значение дискриминаторов обеих полостей без поправки при разности температур полостей 0,4°С, тонкая линия - квантовый дискриминатор с поправкой, проведено вычитание постоянного сдвига частоты.
На Фиг. 7 показано относительное отклонение частоты ячейки в диапазоне температур (°С). Показано среднее значение для пары квантовых дискриминаторов частоты обеих полостей без поправки при разности температур полостей 0,4°С, проведено вычитание постоянного сдвига частоты.
Устройство работает следующим образом. Внутренний магнитный экран 4 с присоединенным к нему отсеком средств нагрева и термостабилизации 5 содержит внутри себя блок ячейки с катушками подмагничивания и центрирующими вставками. Ячейка 1 с двумя рабочими полостями 8, 9 и с полостью 10 - хранителем щелочного металла, вклеена во вспомогательную скобку 3, на которую наклеены катушки подмагничивания 2, провода катушек проходят в отверстия внутренней перегородки между секциями экрана. Внутренний магнитный экран с присоединенным к нему отсеком средств нагрева и термостабилизации позволяет пропускать лазерное излучение через рабочие полости 8 и 9 ячейки с помощью отверстий 7 в магнитном экране, причем поток тепла, идущий от отсека средств нагрева 5, проходит вначале через рабочую полость 8, затем через рабочую полость 9, затем через полость 10 - хранитель щелочного металла, и рассеивается в окружающее пространство частично стенками магнитного экрана, а частично дополнительным элементом стока тепла (охладителем) 12. Магнитный экран с поглощающей ячейкой внутри является частью блок-схемы КСЧ-КПН. При этом поглощающая ячейка 1 находится в магнитном поле, создаваемом катушками 2 внутри магнитного экрана 4 и подогревается средством нагрева 13 с контролем температуры средством контроля 14, размещенными во внутреннем объеме отсека 11. Лазер 15 посылает свет через линзу 16, фазовую четвертьволновую пластинку 17 и нейтральный светофильтр 18, наклоненные на малый угол вкладышем 19 через отверстия 7 на поглощающую ячейку 1, а затем на фотодиод 20. Кварцевый генератор, управляемый напряжением (ГУН) 21 вырабатывает сигналы тактирования для микросхемы фазовой автоподстройки генератора сверхвысокой частоты (СВЧ) управляемого напряжением 22 и для электронной системы управления 23, обрабатывающей выходной сигнал 24 фотодиода 20, управляющей элементом Пельтье лазера 25 через цепи 26, управляющей температурой ячейки через цепи 27, вырабатывающей сигнал модуляции тока лазера 28, вырабатывающей сигнал модуляции частоты СВЧ генератора 29 и вырабатывающей сигналы управления микросхемой фазовой автоподстройки частоты 30, причем выходной сигнал СВЧ генератора 31 расщепляет спектральную линию лазера на несколько компонент, необходимых для реализации эффекта КПН. Приведенное выше описание относится к стандарту частоты, работающему с ячейкой, имеющей одну рабочую полость. Для обеспечения работы с ячейкой, имеющей более одной рабочей полости между линзой 16 и фазовой пластиной 17 располагают делительный кубик, ответвляющий часть луча перпендикулярно, по направлению от 2-го отверстия 7 (ближнего к отсеку средств нагрева и термостабилизации, соответствующего 2-й рабочей полости) к 1-му отверстию 7 (соответствующего 1-й рабочей полости), затем ответвленный луч поворачивается на 90° призмой полного внутреннего отражения и проходит через 2-е отверстие 7, при этом второй комплект из фазовой пластины 17, нейтрального светофильтра 18 и клиновидного вкладыша 19 размещают между призмой и входом 1-го отверстия 7. Делительный кубик, призма, второй комплект элементов 7, 18, 19 и 20 и вторая цепь 24 для 2-го фотодиода 20 на рисунках не показаны. При этом, нейтральные светофильтры перед отверстиями 7 могут как быть идентичными, так и различаться по степени поглощения света, создавая, при необходимости, разные условия работы квантовых дискриминаторов частоты для разных рабочих полостей ячейки. Ячейка с несколькими рабочими полостями может иметь как сферическую форму полостей, так и цилиндрическую форму с плоскими окнами, подобно прототипу, причем способ ее изготовления может быть как ручным, так и автоматизированным, с применением различных технологий. Создание разности температур рабочих полостей ячейки путем использования естественного потока тепла может быть реализовано и в других вариантах, включающих, например, датчики температуры и элементы Пельтье, способ создания такой разности температур не является предметом настоящего изобретения. Внешний магнитный экран 32, окружающий внутренний магнитный экран, одновременно является корпусом стандарта частоты. Группа элементов конструкции 33, именуемая обычно «квантовым дискриминатором частоты», в описываемой реализации конструкции не является какой-либо отдельной сборочной единицей, при этом выделение указанных элементов в группу несет только логический смысл (при сравнении с аналогичными схемами КСЧ-КПН). Сигнал кварцевого генератора 34 обеспечивает работу схемы ФАПЧ СВЧ генератора 22, одновременно сигнал кварцевого генератора 35 обеспечивает тактирование электронной системы управления 23 и формирование выходного сигнала частоты стандарта.
Способы применения устройства реализуются следующим образом.
В первом варианте применения поглощающей ячейки лазерное излучение, пропускаемое через две рабочие полости ячейки, ослабляют предварительно в разной степени. Менее ослабленное излучение позволяет после анализа сигналов фотодиода управлять выходной частотой стандарта из условий наилучшей кратковременной стабильности. Более ослабленное излучение, прошедшее вторую рабочую полость, за счет малого полевого сдвига позволяют обеспечить условия для наилучшей долговременной стабильности.
Технический результат заключается в том, что совместная обработка таких сигналов фотодиодов для двух разных рабочих полостей ячейки позволяет улучшить точность стандарта одновременно для коротких и для длительных интервалов времени.
2
l
0
1
2
1
2
0
1
2
0
0
0
1
2
D
0
D
0
0
0
00
0
0
00
0
00
00
2
2
Во втором варианте применения поглощающей ячейки схему термостабилизации ячейки дополняют устройствами, позволяющими устанавливать разность температур Δt между 2-й рабочей полостью, имеющей температуру t и 1-й рабочей полостью, имеющей температуру t, а среднюю температуру t=(t+t)/2 пары рабочих ячеек регулировать нагревателем по результатам обработки сигналов датчиков температуры. При этом сигналы s и s отклонения мгновенной частоты от резонансных частот рабочих полостей ячейки (квантовые дискриминаторы частоты двух рабочих полостей ячейки) обрабатываются совместно. Сигнал s=(s+s)/2 управляет одним из слагаемых выходной частотой стандарта F(так, будто ячейка имеет только одну рабочую полость). При этом величина ΔF=αS, где S=(s-s-s) используется в качестве поправки к выходной частоте стандарта F=F+ΔF, причем величину α=const находят индивидуально для каждого из экземпляров ячейки, а смещение s=const связано с разностью плотностей буферного газа в полостях (при равенстве его давления). В случае, когда задаваемая разность температур Δt не поддерживается постоянной, но пропорциональна тепловому потоку в термостате, а следовательно, и рассеиваемой термостатом мощности W, величина "а может быть, например, выбрана равной α=α/W где α=const, так как управляемая подаваемая в термостат мощность W (равная рассеиваемой мощности) известна. Способ подразумевает использование ячейки с таким составом и давлением буферного газа, при котором экстремум частоты КПН резонанса ячейки как функции ее температуры tлежит в рабочем диапазоне температур, и температура экстремума tпринята за номинальную рабочую температуру ячейки. В этом случае функция S(t-t) близка к линейно-растущей и обращается в ноль при t-t=0. Поэтому вносимая поправка в выходную частоту стандарта будет работать в очень широкой области температур, но вблизи температуры экстремума t точность работы поправки будет максимальной, а возможный вносимый дополнительный шум будет минимальным.
Технический результат заключается в улучшении точности стандарта путем снижения требований к точности термостатирования ячейки и уменьшения времени выхода стандарта на рабочий режим.
-12
2
-9
0
D
1
2
D
Экспериментальная реализация экранированного термостата (фиг. 3) с поглощающей ячейкой в составе макета стандарта (фиг. 4) при сечении экрана 8×10 мм и при заполнении корпуса макета газом Хе, имеющим малую теплопроводность, потребление термостатом мощности составило 140 мВт при температуре ячейки 60°С. Расчет теплового потока по стенкам экрана, выполненным из ленты пермаллоя толщиной 0.5 мм, соединенным между собой лазерной сваркой, показал, что при расстоянии между центрами рабочих полостей 7 мм разность температур в полостях можно оценить равной 0,9°С. При этом использование охладителя 12 позволяет увеличить эту разность температур, а исключение охладителя 12 и добавление к пластинам из пермаллоя внутренних теплопроводящих пластин, например, из меди - позволяет уменьшить эту разность температур. Для теоретических расчетов выбираем далее разность температур рабочих полостей равной 0,4°С, а состав буферного газа Ne(95,0%) и Ar(5,0%) при полном давлении смеси 100 торр, причем таблицы констант берем из работы [Olga Kozlova, Stephane Guerandel, and Emeric de Clercq. Temperature and pressure shift of the Cs clock transition in the presence of buffer gases: Ne, N2, Ar / PHYSICAL REVIEW A 83, 062714 (2011), 9 p. https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1110/1110.6282.pdf]. В этом случае результаты расчетов приведены на фиг. 5-7, причем фиг. 7 говорит о том, что отклонение температуры на ±2°С от номинальной температуры 60°С приводит к относительному отклонению частоты стандарта от заданной менее, чем на 2×10, при использовании простейшего варианта поправки ΔF=αS, включающей только квадратичный член. При расчетах графиков фиг. 5-7 величина s=const, выраженная в относительных единицах для частоты была принята равной 8,43×10, т.е. 39 Гц для частоты СВЧ модуляции тока лазера 4,6 ГГц. Если температура 2-й рабочей полости выше, чем температура 1-й, то тогда плотность буферного газа в ней будет меньше, при этом смещение частоты также будет меньше, а положительная разность s-s может быть обращена при рабочей температуре в ноль вычитанием положительной величины s. Такое смещение (39 Гц) существенно меньше рабочего линейного участка квантового дискриминатора частоты (150-300 Гц), а потому одновременная совместная работа квантовых дискриминаторов двух рабочих полостей возможна и допустима. Разумеется, использование более сложной поправки, например, включающей кроме квадратичного члена и кубический член, и использующей вместо константы функцию от подаваемой в термостат мощности, может улучшить результат и расширить температурный диапазон компенсации влияния температуры ячейки на выходную частоту стандарта, причем поправка может рассчитываться и вноситься в управляющие частотой сигналы как в аналоговом, так и в цифровом виде. Важно заметить, что хотя в примере конкретного выполнения разность температур рабочих полостей определяется тепловым потоком в стенках магнитного экрана, такая разность температур может устанавливаться и регулироваться и иначе, например, с использованием элементов Пельтье и с использованием дополнительных датчиков температуры. Величина этой разности температур и способ ее реализации и ее измерений не влияют существенно на достигаемый технический результат.