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 относятся рубидиевые радиоспектроскопы с изотопической фильтрацией света накачки, составляющие основу пассивных стандартов частоты на газовой ячейке. Принцип работы 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 с.], [А.И.Пихтелев, А.А.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.: ФИЗМАТЛИТ. 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 от рабочего магнитного поля, вариации которого по величине и направлению приводят к уменьшению относительной 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, является нестабильность резонансной частоты радиоспектроскопа, вызванная ее ориентационной зависимостью от угла 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.
Задачей полезной модели является разработка радиоспектроскопа с повышенной стабильностью резонансной частоты в условиях медленного дрейфа остаточного магнитного поля.
Поставленная задача достигается тем, что в радиоспектроскопе, содержащем магнитный экран, катушку для создания однородного магнитного поля, теплоизолирующую камеру, внутри которой размещены спектральная лампа, наполненная рубидием 87, ячейка-фильтр, наполненная рубидием 85 и буферным газом, и резонатор с нагревателем, фотодетектором и газовой ячейкой, наполненной рубидием 87 и смесью буферных газов, магнитная катушка выполнена в виде не менее двух ортогонально ориентированных по отношению друг к другу идентичных секций, причем одна из секций - для создания магнитного поля вдоль оптической оси, другая - для создания магнитного поля перпендикулярно оптической оси радиоспектроскопа, и снабжена переключателем секций.
В радиоспектроскопе магнитная катушка может быть выполнена в виде трех ортогонально ориентированных по отношению друг к другу идентичных секций, причем две из них - для создания магнитного поля перпендикулярно оптической оси радиоспектроскопа.
Газовая ячейка может быть помещена в радиочастотную катушку, переменное поле которой индуцирует магнитодипольные переходы в рабочем веществе газовой ячейки, либо радиоспектроскоп может быть снабжен магнитометром.
Сущность полезной модели поясняется графическими материалами, на которых изображены:
0
ОСТ
1
2
3
4
фиг.1 Компоненты векторов магнитного поля секций катушки (Н), остаточного магнитного поля (Н) и суммарных векторов магнитного поля (Н, Н, Н, Н) в декартовой системе координат.
фиг.2 - схема предлагаемой полезной модели рубидиевого радиоспектроскопа на газовой ячейке с оптической накачкой в частном случае выполнения магнитной катушки в виде трех секций, где 1 - магнитный экран 2, 3, 4 - секции катушки, 5 - теплоизолирующая камера, 6 - спектральная лампа, 7 - ячейка-фильтр, 8 - резонатор, 9 - нагреватель, 10 - фотодетектор, 11 - газовая ячейка, 12 - радиочастотная катушка, 13 - переключатель, 14 - блок питания.
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. - v 163. - №1, P.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
85
2
-12
1
2
1
T
0
1
2
1
2
T
1
2
T
1
2
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 D [B.S.Mathur, H.Tang, W.Happer, Phys. Rev. - 1968. - v 171. - №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 D 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°C. При этом значения Δν для линий накачки D и D имеют противоположные знаки.
ОСТ
ОСТ
ОСТ
0
0
0
ОСТ
0
0
ОСТ
1
1
0
ОСТ
2
2
0
ОСТ
3
3
0
ОСТ
4
4
Величина угла θ зависит как от направления, так и абсолютного значения остаточного магнитного поля H внутри магнитного экрана. Если в газовой ячейке индуцировать магнитозависимые переходы между соседними зеемановскими подуровнями и зафиксировать эти переходы по сигналу магнитного резонанса, можно по измеренной частоте таких переходов определить величину и направление остаточного поля H. Это, в свою очередь, позволяет однозначно определить в декартовой системе координат углы между вектором рабочего магнитного поля и осями координат (фиг.1). При выполнении магнитной катушки в виде трех ортогонально ориентированных по отношению друг к другу идентичных секций 2, 3, 4, (фиг.2), причем секция 3 - для создания магнитного поля вдоль оптической оси, а секции 2, 4 - для создания магнитного поля перпендикулярно оптической оси радиоспектроскопа, рабочее магнитное поле в зоне размещения газовой ячейки представляет векторную сумму вектора H и магнитного поля H, создаваемого одной из секций магнитной катушки в период ее подключения к блоку питания. При этом величина поля H известна и соответствует частоте зеемановского резонанса ω. Значение H несложно определить, измеряя резонансные частоты, соответствующие двум противоположным ориентациям поля H вдоль оптической оси радиоспектроскопа, что может быть выполнено инверсией тока в соответствующей секции магнитной катушки. При прямом включении секции 3 катушки геометрическая сумма полей H и H образует вектор H, которому соответствует резонансная частота ω. При инверсии тока в секции 3 катушки геометрическая сумма полей H и H образует вектор Н, которому соответствует резонансная частота ω. При включении секции 2 катушки геометрическая сумма полей H и H образует вектор H, которому соответствует резонансная частота ω. При включении секции 4 катушки геометрическая сумма полей H и H образует вектор Н, которому соответствует резонансная частота ω.
1
2
3
4
ОСТ
1
2
3
4
0
1
2
3
4
0
1
2
3
4
3
При медленном (в сравнении с временем измерения резонансных частот ω, ω, ω и ω) дрейфе величины и направления поля H можно определить косинусы углов между вектором рабочего магнитного поля и осями координат. Поскольку эти косинусы входят квадратичным образом в функцию ориентационной зависимости частоты радиооптического резонанса на 0-0 переходе их несложно определить, измеряя частоты ω, ω, ω и ω. Их последующий учет при работе радиоспектроскопа в составе квантового стандарта частоты позволяет скомпенсировать ориентационную погрешность измерений частоты перестраиваемого кварцевого генератора схемы АПЧ (например, программируемой коррекцией вырабатываемого схемой АПЧ сигнала ошибки). Таким образом, в каждом цикле измерений, соответствующих различным направлениям магнитного поля H частота кварцевого генератора не будет зависеть (в пределах точности определения соответствующих косинусов углов ориентации по отношению к осям декартовой системы координат) от величины и направления остаточного магнитного поля. Точность определения этих косинусов, в свою очередь, зависит от точности измерения резонансных частот ω, ω, ω и ω, определяемой отношением сигнал-шум и шириной линии радиооптического резонанса. Для паров щелочных металлов типичные значения ширины резонансной линии составляет величину 500 Гц при отношении сигнал к шуму 10 в полосе регистрации 1 Гц. Для рубидия - 87 частоте ω=10000 Гц при указанных выше параметрах линии магнитного резонанса относительная погрешность измерений частот ω, ω, ω и ω будет составлять менее 0,01%.
Для детектирования как СВЧ резонанса, так и зеемановского магнитного резонанса одним приемным фотодетектором может быть использована стандартная модуляционная методика сканирования частоты соответствующих генераторов на двух различающихся частотах модуляции, что обеспечивает развязку каналов детектирования низкочастотного и СВЧ радиооптических резонансов.
0
1
2
3
4
Таким образом, по измеренным значениям частот зеемановского магнитного резонанса ω, ω, ω, ω, ω и работе радиоспектроскопа в составе квантовой меры частоты можно скорректировать в цепи АПЧ задающего кварцевого генератора управляющий сигнал, позволяющий выполнить его настройку на одно и то же значение частоты вне зависимости от ориентации вектора остаточного магнитного поля, то есть такое устройство будет обладать большей относительной стабильностью в сравнении с аналогичными устройствами в условиях медленного дрейфа остаточного магнитного поля.
Радиоспектроскоп содержит (фиг.2) магнитный экран 1, катушку для создания магнитного поля в виде трех ортогонально ориентированных по отношению друг к другу идентичных секций 2, 3, 4, теплоизолирующую камеру 5, внутри которой размещены спектральная лампа 6, наполненная рубидием 87, ячейка-фильтр 7, наполненная рубидием 85 и буферным газом, и резонатор 8 с нагревателем 9, фотодетектором 10 и газовой ячейкой 11, наполненной рубидием 87 и смесью буферных газов. Газовая ячейка 11 снабжена радиочастотной катушкой 12. Ось секции 3 катушки направлена вдоль оптической оси радиоспектроскопа, оси секций 2 и 4 взаимно ортогональны и ориентированы перпендикулярно оптической оси радиоспектроскопа. Для последовательного переключения секций 2, 3, 4 магнитная катушка снабжена переключателем 13, подключенным к блоку питания 14.
Радиоспектроскоп в составе квантового стандарта частоты работает следующим образом.
F
F
1
2
3
4
1
1
2
3
4
1
2
3
4
0
0
87
87
При включении поджигается разряд в спектральной лампе 6, излучение которой, проходя через ячейку-фильтр 7, обеспечивает накачку атомов рубидия в газовой ячейке 11. Температура газовой ячейки 11, нагретой с помощью нагревателя 9, устанавливается в окрестности значения, при котором достигается максимальное отношение сигнал-шум радиооптического резонанса на входе приемного фотодетектора 10. Фотодетектор 10 регистрирует сигнал, характеризующий взаимодействие накаченных атомов с СВЧ-полем, возбуждаемым в резонаторе 8. Одновременно с СВЧ полем с помощью, например, радиочастотной катушки 12, в атомах индуцируются магнитодипольные переходы между соседними магнитными подуровнями состояний сверхтонкой структуры. При совпадении частоты перехода F=2, m=0↔F=1, m=0 основного состояния атомов Rb с частотой СВЧ-поля, а также при совпадении электромагнитного поля радиочастотной катушки 12 с частотой магнитодипольных переходов интенсивность излучения, попадающего на фотодетектор 10, минимальна. Это объясняется тем, что приложение резонансных полей на частотах рабочих переходов выравнивает населенности на магнитных подуровнях сверхтонкой структуры, что приводит к увеличению поглощения света накачки и к уменьшению интенсивности света, прошедшего через газовую ячейку 11. При этом сигнал резонанса невелик и для изотопа Rb обычно составляет 0,1-1% от уровня засветки, определяемого фоновыми линиями излучения лампы 6 и нерезонансными линиями рабочего вещества. Для увеличения отношения сигнал-шум используется модуляция частоты приложенных радио и СВЧ полей, благодаря которой оптический сигнал на выходе газовой ячейки 11 регистрируется фотодетектором 10 на частоте модуляции и содержит информацию не только о величине, но и о знаке расстройки электромагнитного поля относительно частоты рабочего перехода. Для развязки каналов детектирования СВЧ и зеемановского радиооптического резонанса выбираются разные частоты модуляции соответствующих электромагнитных полей. Таким образом, приемный фотодетектор 10 детектирует одновременно сигналы радиооптического резонанса, связанные с индуцированием как магнитонезависимого 0-0 перехода, так и низкочастотного зеемановского перехода, частота которого однозначно определена внешним магнитным полем, создаваемым векторами остаточного магнитного поля и магнитного поля секций 2, 3, 4. Эта частота измеряется по сигналу радиооптического резонанса, возбуждаемого в газовой ячейке 11 с помощью электромагнитного поля радиочастотной катушки 12, подключенной к выходу задающего перестраиваемого генератора, либо квантовым магнитометром (на рис.2 не показан), помещенным в радиоспектроскоп. До момента переключения секций производится замер частоты ω, соответствующей прямому включению секции 3 магнитной катушки. Затем в секции катушки 3 осуществляется инверсия тока. При этом измеряется резонансная частота ω. С помощью переключателя 13 секции 2, 3, 4 магнитной катушки переключаются в следующей последовательности: с секции 3 на секцию 2. При включенной секции 2 измеряется частота радиооптического зеемановского резонанса ω. Далее выполняется переключение с секции 2 на секцию 4. При включенной секции 4 измеряется частота радиооптического зеемановского резонанса ω. Далее выполняется переключение с секции 4 на секцию 3. При этом производится замер частоты ω. Далее процесс переключения секций повторяется в той же последовательности: 3, 2, 4 и т.д. Таким образом, при произвольной ориентации вектора остаточного магнитного поля в декартовой системе координат частоты зеемановского магнитного резонанса ω, ω, ω, ω будут соответствовать значениям векторов магнитного поля H, Н, Н, Н, ориентированных соответственно под углами α, φ, β, γ по отношению к осям координат (фиг.1). Значению поля H соответствует известная резонансная частота ω. Далее определяют косинусы углов α, φ, β, γ по известной теореме косинусов:
где
0
1
2
3
4
В соответствии с формулами (1)-(4) относительная погрешность определения косинусов углов α, φ, β, γ зависит от стоящей в числителе разности частот ω, ω, ω, ω и ω. Эту погрешность определяют по формуле относительной погрешности разности двух измеряемых величин A и B:
где ΔA и ΔB - абсолютные погрешности измерений величин A и B.
1
2
N
По теореме Лагранжа абсолютная погрешность определения функции многих переменных y=F(x, х, …x) имеет вид:
0
1
2
3
4
0
0
1
2
0
0
1
2
0
1
2
0
0
3
Используя выражения (5) и (6) оценивают относительную погрешность определения косинусов углов α, φ, β, γ и вносят корректировку в сигнал схемы АПЧ. В соответствии с (6) абсолютная погрешность искомой величины будет определяться погрешностью измерения частот ω, ω, ω, ω и ω. Для оценки относительной погрешности, например, cosα, необходимо вычислить абсолютное значение cosα При коэффициенте магнитного экранирования магнитного экрана 10 значение остаточного геомагнитного магнитного поля в зоне размещения газовой ячейки не будет превышать 10% от выбранного выше значения магнитного поля H (которое соответствует резонансной частоте ω=10000 Гц). Таким образом, значения рабочих частот ω и ω в формуле (1) будут отличаться от ω на те же 10%. Аддитивный характер вкладов абсолютных погрешностей измеряемых частот ω, ω и ω примерно на порядок ухудшает относительную погрешность δ(cosα) по сравнению с этим параметром при измерении частот ω, ω и ω. Как указывалось выше, относительная погрешность измерений этих частот составляет при ω=10000 Гц примерно 0,01%. Поскольку при выбранном выше коэффициенте экранирования выполняются неравенства  и , cosα будет отличаться от единицы не более, чем на 20%, при этом относительная погрешность его определения не превышает 0,1%. Этот параметр может быть улучшен при работе радиоспектроскопа на более высокой частоте ω, либо при использовании магнитного экрана с большим коэффициентом экранирования.
Указанный уровень погрешности достигается при двух обязательных условиях работы радиоспектроскопа:
1
2
3
4
ОСТ
- за время измерений частот ω, ω, ω и ω поле H не успевает измениться ни по величине, ни по направлению,
- частота переключений с секции на секцию магнитной катушки должна быть меньше полос пропускания кольца АПЧ как радиочастотного генератора в блоке его АПЧ, так и в кольце автоматической подстройки частоты кварцевого генератора в составе схемы обработки сигнала радиооптического СВЧ резонанса на 0-0 переходе.
2
1
2
-10
-10
-13
Как известно, [А.А.Баранов, С.В.Ермак, В.В.Семенов Ориентационная зависимость светового сдвига частоты радиооптического СВЧ резонанса в парах рубидия НТВ СПбГПУ 3(104)2010, стр.95-98 Раздел Физическая оптика] в случае естественной смеси линий накачки D и D имеет место значительная ориентационная зависимость частоты наблюдаемого резонанса на 0-0 переходе. Эта зависимость может быть однозначно определена и использована для коррекции сигнала ошибки в схеме АПЧ кварцевого генератора при работе радиоспектроскопа в составе квантовой меры частоты. Для этого осуществляется измерение косинусов углов α, φ, β, γ, определяющих ориентационную зависимость резонансной частоты по закону (1-3 cosθ), где θ принимает значения α, φ, β, γ. Согласно этой зависимости схема АПЧ перестраиваемого кварцевого генератора осуществляет его перестройку таким образом, чтобы скомпенсировать вклад ориентационного сдвига частоты радиооптического резонанса на 0-0 переходе. Такая перестройка осуществляется аналогично тому, как это описано в указанном выше аналоге [RU 2220499, H03L 7/16, H01S 3/10, опубл. 27.12.2003]. В подобном устройстве, включающем радиоспектроскоп в качестве репера частоты, стабильность кварцевого генератора определяется стабильностью линии атомного 0-0 перехода и не зависит (в пределах указанной выше относительной погрешности определения косинусов углов α, φ, β, γ) от ориентации радиоспектроскопа в магнитном пространстве. Для приведенного выше примера значений остаточного магнитного поля (соответствующего 10% рабочей частоты 10000 Гц) медленный дрейф ориентации вектора остаточного поля в пределах 0-90° будет соответствовать относительной нестабильности резонансной частоты прототипа радиоспектроскопа на уровне 10. В квантовом стандарте частоты, использующим предложенную полезную модель относительная нестабильность при том же дрейфе ориентации остаточного магнитного поля уменьшается с 10 до уровня 10