Квантовый стандарт частоты
QUANTUM FREQUENCY STANDARD

Предлагаемое техническое решение относится к технике стабилизации частоты и может быть использовано в квантовых стандартах частоты (КСЧ) бортовой аппаратуры подвижных носителей.
1978
К аналогам предлагаемого технического решения относится КСЧ на пучке атомов цезия-133, содержащий, систему отклоняющих магнитов, П-образный резонатор, причем резонатор размещен в магнитном экране в однородном магнитном поле [Стандарты частоты и времени на основе квантовых генераторов и дискриминаторов.- А.И.Пихтелев, А.А.Ульянов, Б.П.Фатеев и др. Под ред. Б.П.Фатеева.- М.:Сов.радио, , 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.
1978
К аналогам предлагаемого технического решения относится 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 ред. Б.П.Фатеева.- М.:Сов.радио, , 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.
2010
К аналогам предлагаемого технического решения относится радиоспектроскоп КСЧ [В.В.Семенов, С.В.Ермак. Патент RU 105530 U1 от 24.12.].
Радиоспектроскоп содержит магнитный экран, катушку для создания однородного магнитного поля, теплоизолирующую камеру, внутри которой размещены спектральная лампа, ячейка-фильтр, и резонатор с нагревателем, фотодетектором и газовой ячейкой. Магнитная катушка выполнена в виде не менее двух ортогонально ориентированных по отношению друг к другу идентичных секций и снабжена переключателем секций.
Недостатком аналога является цикличность его работы, обуславливающая не работоспособность устройства в условиях быстрых вариаций направления внешнего магнитного поля по отношению к скорости переключения магнитных секций, а также относительная сложность практической реализации самой конструкции.
1967
В качестве прототипа заявляемого изобретения выбран рубидиевый КСЧ, содержащий магнитный экран, в центре которого размещены на оптической оси источник накачки, фильтрующая ячейка, камера поглощения с резонатором и фотодетектор, подключенный к входу схемы управления СВЧ генератором, выход которого соединен с резонатором, помещенным в центр катушек, подключенных к блоку питания [В.В.Григорьянц, М.Е.Жаботинский, В.Ф.Золин, Квантовые стандарты частоты.- Из-во Наука. , 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 используется далее в схеме управления СВЧ генератором таким образом, чтобы частота генератора настраивалась на центр атомного резонанса 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
0
0
-
Н
, β -
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 ν и соответственно равны: 1420 МГц и 2773Гц/Э, 6835 МГц и 570 Гц/Э, 9192 МГц и 430 Гц/Э.
Технической задачей, решаемой предлагаемым техническим решением, является разработка схемы КСЧ, в которой по сравнению с аналогами и прототипом уменьшено влияние вариаций величины и направления внешнего магнитного поля на резонансную частоту устройства.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в известном устройстве, содержащим магнитный экран, в центре которого размещены на нулевой оптической оси источник накачки, фильтрующая ячейка, камера поглощения с резонатором и первый фотодетектор, подключенный к первому входу схемы управления СВЧ генератором, выход которого соединен с резонатором, помещенным в центр катушек, подключенных к блоку питания, камера поглощения выполнена в виде первой и второй секций, соответственно размещенных на первой и второй оптических осях, параллельных нулевой оптической оси, на первой оптической оси размещена первая секция камеры поглощения, после которой установлен первый фотодетектор, на второй оптической оси размещена вторая секция камеры поглощения, после которой установлен второй фотодетектор, выход которого присоединен к второму входу схемы управления СВЧ генератором, катушка выполнена в виде встречно включенных секций, оси которых ориентированы вдоль первой и второй оптических осей, а первая и вторая секции камеры поглощения соединены перемычкой. В качестве источника накачки может быть использован лазер, настроенным на линию поглощения атомов рабочего вещества.
2007
⋅
⋅
3
4
-10
-11
-11
величине
направлению
Причиной вариаций величины и направления рабочего магнитного поля в КСЧ бортового базирования является изменение ориентации устройства в геомагнитном пространстве. Специфической особенностью используемых магнитных экранов на подвижных носителях является резкое различие в поперечном и осевом коэффициентах экранирования геомагнитного поля. Так например, в работе [E.A.Donley, E.Hodby, L.Hollberg, J.Kitching .- Demonstration of high-performance compact magnetic shields for ship-scale atomic devices.- Rev.of Scientic Instruments, v.78, №8, 083102 ()] указывается, что отношение этих коэффициентов для малогабаритного рубидиевого радиоспектроскопа объемом менее 3 см достигает величины 10. Таким образом, изменение направления геомагнитного поля по отношению к оси устройства (например, в процессе движения спутника по орбите) автоматически должно приводить к вариациям магнитного поля внутри экранной конструкции КСЧ как по , так и по . Следствием этих вариаций является появление ориентационной измерительной погрешности КСЧ. Численное значение такой погрешности, вычисленное по формуле (1) при коэффициенте экранирования ~ 1000 и изменении ориентации геомагнитного поля на 180° и рабочем магнитном поле 0,1 Э для указанных выше рабочих веществ, соответственно равно ~ 410, 10 и 210.
Технический положительный результат предлагаемого изобретения 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).
ν
ν
1
2
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:
-
где Δприращение магнитного поля в зоне размещения первой и второй секции камеры поглощения.
Различный знак приращения Δ в выражениях (2) и (3) обеспечивается в схеме заявляемого изобретения встречным включением секций катушек, создающих соответственно в первой и второй камерах встречные магнитные поля, векторы которых встречно направлены. Наличие перемычки между первой и второй секциями камеры поглощения обеспечивает идентичность условий наблюдения резонансных сигналов, детектируемых первым и вторым фотодетекторами.
Н
k
Н
k
Нk
Н
.
0
ЭК
0
ЭК
ЭК
0
В выражениях (2) и (3) приращение магнитного поля Δ можно оценить отношением δ/где δ - амплитуда вариации внешнего магнитного поля,  - коэффициент экранирования магнитного экрана. 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 основной вклад в вариации частоты резонанса при изменении величины и направления магнитного поля вносит линейный по полю член, что позволяет пренебречь квадратичной по полю поправкой. В заявляемом изобретении благодаря взаимной компенсации линейного по полю сдвига частоты ее вариации будут обусловлены только квадратичным по полю членом в зависимостях (2) и (3).
Н
0
Таким образом, коэффициент подавления магнитных вариаций  в заявляемого изобретения по сравнению с аналогами и прототипом будет определяться указанном выше отношением линейного и квадратичного по вариации δ члена, то есть:
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  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%.
Сущность изобретения поясняется графическим материалом (фиг.1), (фиг.2), (фиг.3), (фиг.4), (фиг.5), (фиг.6), (фиг.7), (фиг.8) и (фиг.9).
На фиг.1. представлена схема прототипа.
На фиг.2 изображена схема предлагаемого изобретения в соответствии с формулой изобретения по п.1.
На фиг.3 представлена структурная схема АПЧ кварцевого генератора в заявляемом изобретении.
На фиг.4 представлен экспериментальный график временной зависимости девиации Алана рубидиевого коммерческого стандарта частоты в условиях вариаций внешнего магнитного поля.
На фиг.5 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.6 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.
Фиг. 7 Экспериментальный спектр СВЧ-переходов атомов рубидия-87 при отсутствии магнитного градиента
Фиг. 8 Экспериментальный спектр СВЧ-переходов атомов рубидия-87 при магнитном градиенте ~ 0,005 Э/cм
Фиг. 9 Экспериментальный спектр СВЧ-переходов атомов рубидия-87 при при магнитном градиенте ~ 0,01 Э/cм.
На фиг.1 использованы следующие обозначения элементов:
1 - магнитный экран, 2 - источник накачки, 3 - фильтрующая ячейка, 4 - камера поглощения, 5 - резонатор, 6 - фотодетектор, 7 - схема управления СВЧ генератором, 8 - катушки постоянного тока, 9 - блок питания,
На фиг.2 использованы следующие обозначения элементов:
1 - магнитный экран, 2 - источник накачки, 3 - фильтрующая ячейка, 4 - камера поглощения, 5 - резонатор, 6 - первый фотодетектор, 7 - схема управления СВЧ генератором, 8 - катушки, 9 - блок питания, 10 - второй фотодетектор, 11 - перемычка.
1
2
1
2
На фиг.3 приняты следующие обозначения: 1 - первый усилитель низкой частоты ω, 2 - второй усилитель низкой частоты ω, 3 - первый фазовый детектор, 4 - второй фазовый детектор, 5 - первый генератор низкой частоты ω, 6 - второй генератор низкой частоты ω ,7 - кварцевый генератор, 8 - умножитель частоты.
На фиг.4, 5 и 6 по оси ординат отложено среднеквадратичное относительное двухвыборочное отклонение частоты, по оси абсцисс - интервал времени измерения в секундах.
H
Fg = 1, m
- Fg = 2, m
= m
1
F
F
F
На фиг. 7, 8 и 9 представлены примеры записи экспериментального спектра СВЧ-переходов атомов рубидия-87 в рабочем магнитном поле  = 0,027Э при медленном сканировании частоты СВЧ поля. Цифрами обозначены номера магнитодипольных переходов между магнитными подуровнями сверхтонкой структуры атомов рубидия-87 в основном состоянии. По оси ординат отложена амплитуда сигнала в милливольтах, по оси абсцисс - время в сек.
Работа заявляемого изобретения происходит следующим образом.
В соответствии с п.1 формулы изобретения и фиг.2 источником накачки в заявляемом изобретении является спектральная лампа 2, излучение которой проходит через фильтрующую ячейку 3 с изотопом рубидий-85 и, поступая в первую и вторую секции камеры поглощения 4, осуществляет оптическую накачку атомов рубидия. При этом внешнее магнитное поле экранируется магнитным экраном 1.
1
2
1
2
С выхода первой и второй секций камеры поглощения свет накачки фокусируется на входе первого и второго фотодетекторов 6 и 7, сигналы которых соответственно поступают на первый и второй входы схемы управления СВЧ генератором 7. С выхода схемы управления СВЧ генератором 7 на вход резонатора 5 поступает сигнал СВЧ, который возбуждает резонатор 5 на частоте, равной средневзвешенному значению частотνи ν из выражений (2) и (3). Схема управления СВЧ генератором 7 содержит те же составные элементы, которые имеет прототип. При этом принцип работы этой схемы основан на автоматической подстройке частоты (АПЧ) кварцевого генератора путем фазового детектирования резонансного сигнала, наблюдаемого в условиях низкочастотной модуляции частоты СВЧ поля на двух различных звуковых частотах ω и ω. Возможная схема АПЧ кварцевого генератора в заявляемом изобретении представлена на фиг.3.
1
2
1
2
1
2
Работа схемы АПЧ кварцевого генератора осуществляется на основе фазового детектирования переменного сигнала фиксируемого приемными фотодетекторами 6 и 10 на фиг.2. В соответствии с фиг.3 эти сигналы соответственно усиливаются в первом и втором усилителях низкой частоты 1 и 2 и далее поступают на сигнальные входы первого и второго фазовых детекторов 3 и 4, на опорный вход которых поступают сигналы с первого выхода первого и второго генераторов низкой частоты 5 и 6. Сигналы с второго входа этих генераторов, подаваемые на первый и второй вход кварцевого генератора, осуществляют модуляцию его частоты на двух различных звуковых частотах ω и ω. Вследствие селективности усилителей низкой частоты 1 и 2, настроенных на разные частоты ω и ω управляющее напряжение с выхода первого и второго фазовых детекторов 3 и 4 осуществляет независимую корректировку частоты кварцевого генератора 7 до значений, соответствующего средневзвешенной величине νи ν СВЧ поля на выходе умножителя частоты 8. При этом вариации частоты КСЧ в сравнении с аналогами и прототипом уменьшаются в меру коэффициента , определяемого выражением (4).
Как указывалось выше, наличие перемычки 11, соединяющей первую и вторую секцию камеры поглощения 4 обеспечивает идентичность состава и давления рабочего вещества в первой и второй секции камеры поглощения 4. Такую же функцию выполняет последовательное подключение первой и второй секций катушки 8 к единому блоку питания 9, которое обеспечивает равенство по модулю напряженности магнитного поля в первой и второй секции камеры поглощения 4.
В соответствии с п.2 формулы изобретения, лампа накачки 2 может быть заменена лазером, настроенным на линию поглощения атомов рабочего вещества.
Экспериментальное подтверждение положительного эффекта в заявляемой модели КСЧ 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.4 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. Так же, 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.5 и фиг.6 для двух вариантов относительной ориентации рабочих магнитных полей (порядка 0,1 Э) внутри магнитных экранов испытуемых стандартов частоты. Зависимость на фиг. 5 соответствует совпадающим направлениям векторов полей квантовых стандартов, фиг.6 соответствует случаю, когда эти вектора различаются знаком.
Сравнение зависимостей на фиг.4 и фиг.6 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 цели в заявляемой модели.
Схемное решение предлагаемого изобретения в соответствии с фиг.2 предусматривает использование двухсекционной камеры поглощения, снабженной перемычкой, которая соединяет секции. Поскольку секции камеры поглощения размещены в встречно направленных магнитных полях, последнее неизбежно влияет на неоднородность магнитных полей в зоне размещения секций. В свою очередь магнитный градиент должен уширять линию радиооптического резонанса, что приводит к снижению фактора качества наблюдаемого сигнала на СВЧ переходах, которые используются в заявляемой модели. Однако, в силу низкой магнитной чувствительности 0-0 перехода эффект неоднородного уширения резонансной линии в слабом магнитном поле затрагивает только соседние магнитозависимые переходы в СВЧ спектре поглощения рабочего вещества. Последнее проверялось в эксперименте, в задачу которого входила оценка влияния магнитного градиента на интенсивность и ширину линий СВЧ спектра поглощения атомов рубидия-87. В эксперименте использовался лабораторный макет КСЧ на парах рубидия-87 с изотопической фильтрацией света накачки лампового источника.
F
F
В качестве газовой ячейки использовалась ячейка с буферным газом (аргон). Численные значения градиента в пределах газовой ячейки вычислялись по уширению линии СВЧ-резонанса на сверхтонком магнитозависимом переходе (Fg = 1, m= 0 - Fg = 2, m= -1), где индекс g соответствует основному состоянию энергетической структуры щелочных атомов. Эксперименты проводились в диапазоне значений рабочего магнитного поля 0,027 - 0,0135 Э, направленного вдоль оптической оси.
H
Fg = 1, m
- Fg = 2, m
= m
1
F
F
F
На фиг. 7, 8 и 9 представлены примеры записи экспериментального спектра СВЧ-переходов атомов рубидия-87 в рабочем магнитном поле  = 0,027Э при медленном сканировании частоты СВЧ поля. Цифрами обозначены номера магнитодипольных переходов между магнитными подуровнями сверхтонкой структуры атомов рубидия-87 в основном состоянии. При диаметре камеры поглощения 2 см, которая использовалась в эксперименте, наличие магнитного градиента величиной ~ 0,01 Э/cм практически не оказывает влияния на интенсивность сигнала на рабочем 0-0 переходе. Это позволяет рассчитывать на достижение положительного эффекта - повышения стабильности частоты малогабаритных конструкциях КСЧ, используемых в бортовой аппаратуре подвижных носителей.