КВАНТОВЫЙ ВОДОРОДНЫЙ ДИСКРИМИНАТОР

Квантовый водородный дискрнминатор
Полезная модель относится к устройствам со стимулированным излучением в СВЧ-дианазоне, а именно к квантовым водородным дискриминаторам, и может быть использована при создании квантовых стандартов частоты в качестве источника высокостабильных колебаний.
Известен квантовый водородный дискриминатор ( Авторское свидетельство СССР № 1336881, кл. H01S 1/06, 1984 ), который содержит термостатированную, экранированную от магнитных полей, вакуумированную полость, в которой размещен резонатор с резонансной высотой Нр, состоящий из крышек цилиндра и металлических пластин. Металлические пластины размещены в максимуме электрического поля резонатора, образуя нерегулярность, которая благодаря прорезям носит емкостный характер. Металлические пластины имеют высоту, равную Нр и составляют вместе с крышками деталь, выполненную из единого куска металла. Внутри пластин располагается накопительная колба, которая подключена к системе напуска и откачки атомов водорода.
Известна другая конструкция водородного мазера (Авторское свидетельство СССР № 1459568, кл. НО IS 1/06, 1986 ), который обладает лучшей стабильностью частоты. Для этого в водородном мазере, содержащем источник пучка атомов водорода с ВЧ-генератором, вакуумный
МКИ:Н018 1/06
насос с сортирующим магнитом, термостатированный, экранированный от магнитных нолей и окруженный соленоидом подмагничивания цилиндрический резонатор с N 1,2,3,... металлическими нластинами, концентрически расположенными вокруг накопительной колбы, которая размещена в центре цилиндра вдоль его оси и подключена к вакуумному насосу, каждая из N пластин снабжена радиальной металлической перегородкой, соединяющей пластину по ее продольной средней линии с цилиндром резонатора по всей его высоте. Данная конструкция водородного мазера использована в стандарте частоты и времени 41-76 ( см. приложениепрототип) и принята в качестве прототипа предлагаемого технического решения. Недостатком ее является уменьшенное значение добротности резонатора и сложность его технологического изготовления, особенно когда для большей механической стабильности конструкции цилиндр, металлические перегородки и пластины выполняют в виде единой детали.
Технической задачей полезной модели является повышение долговременной стабильности частоты водородного мазера за счет увеличения добротности СВЧ резонатора.
Сущность технического решения заключается в том, что в квантовом водородном дискриминаторе, содержащем термостатированную, экранированную от магнитных полей, вакуумированную полость, в которой расположен цилиндрический резонатор с N (где N 1,2,3,...) металлическими пластинами, концентрически расположенными вокруг накопительной колбы, которая размещена в центре цилиндра вдоль его оси и
подключена к вакуумному насосу, причем каждая из N пластин снабжена радиальной металлической перегородкой, соединяющей пластину с цилиндром резонатора, радиальные металлические перегородки расположены в средней ( одна перегородка ) или в верхней и нижней частях каждой пластины ( две перегородки ). Это позволяет уменьщить неоднородности, находящиеся в СВЧ-поле резонатора и повысить его добротность.
Высота радиальной перегородки, расположенной в середине пластины, составляет не более 20% от высоты пластины. Суммарная высота радиальных перегородок, расположенных в верхней и нижней частях каждой пластины, составляет не более 20% от высоты пластины. Экспериментально установлено, что при увеличении высоты радиальных перегородок происходит уменьщение добротности резонатора.
Радиальные металлические перегородки выполнены в виде отдельных деталей, которые крепятся к цилиндру и к пластине. Это позволяет повысить жесткость конструкции, упростить технологию ее изготовления, добившись лучшей чистоты обработки поверхностей цилиндрического резонатора из-за возможности свободного доступа к ним.
На фиг. 1 представлен общий вид водородного дискриминатора, на фиг.2 конструкция цилиндрического резонатора с радиальными перегородками в верхней и нижней частях каждой пластины.
азш
.3 Квантовый водородный дискриминатор содержит термостатированную, экранированную от магнитных полей, вакуумированную полость 1. В полости 1 размещен резонатор, который образован цилиндром 2, пластинами ( четыре пластины ) 3 и радиальными металлическими перегородками 4. Металлические перегородки 4 расположены в верхней и нижней частях каждой пластины. Перегородки 4 выполнены в виде отдельных деталей ( высота каждой из которых составляет  14 мм ) и крепятся винтами 5 к цилиндру 2, а винтами 6 - к пластинам 3 (высота которой равна  135 мм). Внутри четырех концентрически расположенных пластин 3 установлена накопительная колба 7, которая подключена к системе 8 напуска и откачки водорода.
Такая конструкция водородного дискриминатора проста в изготовлении, имеет низкую стоимость, так как не требует сложных технологических и механических операций, но при этом обладает механической стабильностью конструкции (стабильностью геометрических размеров резонатора) и большей добротностью, а значит хорошей долговременной стабильностью частоты. Последнее обеспечивается тем, что сокращаются до минимума размеры радиальных металлических перегородок, находящихся в области инверсии вектора напряженности магнитного поля, приводящих к увеличению поверхностных токов и снижающих добротность резонатора.
ItOQ -lSkfL - Поток активных атомов водорода формируется системой 6 напуска и откачки, с которой вакуумно-плотно соединена накопительная колба 5. Система 6 служит также для поддержания высокого вакуума в колбе 5. Атомы в возбужденном состоянии попадают в накопительную колбу 5. Цилиндр 2, пластины 3, расположенные концентрически вдоль оси цилиндра, и металлические перегородки (стойки) 4 образуют резонансную систему. Характерной особенностью такой резонансной структуры является то, что вектор напряженности магнитного поля инвертирует свое направление на радиусе, равном радиусу окружности, вдоль которой раположены металлические пластины. В связи с этим магнитное поле внутри металлических пластин независимо от радиуса, на котором они располагаются, однородно по направлению и фазе, что позволяет размещать внутри пластин накопительную колбу с радиусом, равным внутреннему радиусу пластины.Изменением величины зазоров, образуемых пластинами, подстраивают резонансную частоту такой колебательной системы к резонансной частоте перехода сверхтонкого расщепления атомов водорода. Под действием однородного по фазе и направлению СВЧ-магнитного поля, образованного указанной резонансной системой, атомы водорода совершают когерентные излучательные магнитодипольные переходы, усиливая СЕЧ поле резонатора. Данная мощность используется аппаратурой частотной автоподстройки для формирования низкочастотного стандарного сигнала. Для нормальной индикации линии излучения атомов водорода необходима
определенная величина добротности резонатора, которая и улучшается предлагаемой конструкцией квантового водородного дискриминатора.
Благодаря такому техническому решению увеличивается долговременная стабильность частоты в жестких условиях эксплуатации (вибрации и т.п.). Изготовление таких конструкций исключает сложные механические операции изготовления и сборки.
.cd