Система термостабилизации и магнитного экранирования поглощающей ячейки квантового дискриминатора
SYSTEM FOR THERMAL STABILIZATION AND MAGNETIC SHIELDING OF ABSORBING CELL OF QUANTUM DISCRIMINATOR

Изобретение относится к области создания квантовых стандартов частоты и времени (атомных часов) на основе резонансов когерентного пленения населенности в атомах щелочных металлов, в частности, к системам термостабилизации и магнитного экранирования поглощающей ячейки их квантового дискриминатора.
Атомные часы на основе резонансов когерентного пленения населенности (КПН) превосходят широко используемые кварцевые часы по стабильности частоты и могут быть достаточно малых размеров. Точное измерение времени необходимо для повышения точности позиционирования в навигационных системах, в телекоммуникациях, космической отрасли, в инфраструктуре беспилотного транспорта и в других передовых сферах развития высоких технологий.
Основными элементами физической части атомных часов, их квантового (или частотного) дискриминатора, являются последовательно расположенные в оптической схеме источник лазерного излучения, поглощающая ячейка с парами щелочного металла и фотоприемник. Источник лазерного излучения генерирует излучение, которое проходит через коллимирующую линзу, затем через поглощающий фильтр (поглощающий фильтр стоит под углом к лазерному лучу, чтобы не возникло интерференции) и через четвертьволновую пластинку для получения круговой поляризации, а затем через поглощающую ячейку, после чего на выходе излучение попадает на фотоприемник.
На точность атомных часов на основе КПН резонансов значительное влияние оказывают внешние магнитные поля, искажающие резонанс, что приводит к нестабильности системы, поэтому требуется тщательная экранировка от них. В то же время, в конструкции атомных часов используются поглощающие ячейки с парами щелочных металлов, а для получения паров требуется нагрев ячейки до ~ 60 градусов Цельсия, осуществляемый электрическим током. Обычно для целей нагрева используют бифилярную намотку нагревателей. Кроме нагревателей, для получения стабильной температуры необходима система измерения температуры и система управления током нагревателя. В этих системах используются элементы, в которых могут быть намагниченные детали. Также в атомных часах используются источники лазерного излучения и фотоприемники, корпуса которых также могут иметь намагниченность.
Известна система термостабилизации и магнитного экранирования поглощающей ячейки квантового дискриминатора, содержащая магнитный цилиндрический экран, бифилярную обмотку нагревателя ячейки, соленоид для создания постоянного магнитного поля и термодатчик для контроля температуры ячейки. Фотодиод также размещен внутри магнитного экрана [http://srd.nsu.ru/website/nich/var/custom/File/14_740_l l_0887.pdf]. Магнитный экран выполнен из 10-ти слоев фольги аморфного железа. По торцам магнитный экран плотно закрыт дисками из железа, причем в одном из указанных дисков, расположенном между лазером и поглощающей ячейкой, выполнено отверстие для ввода в ячейку лазерного излучения. Эта система принята за прототип изобретения.
Недостатком прототипа является неудовлетворительная защита поглощающей ячейки от магнитных полей.
Предлагаемое изобретение решает задачу создания системы термостабилизации и магнитного экранирования поглощающей ячейки квантового дискриминатора, обеспечивающей сильную защиту от внешних магнитных полей и намагниченности элементов самого квантового дискриминатора. К тому же оно позволяет уменьшить энергопотребление и размер атомных часов в целом.
Поставленная задача решается тем, что предлагается система термостабилизации и магнитного экранирования поглощающей ячейки квантового дискриминатора, которая содержит по меньшей мере пару цилиндрических магнитных экранов, расположенных концентрично вокруг ячейки квантового дискриминатора таким образом, что внутренний магнитный экран окружает ячейку, а внешний магнитный экран окружает внутренний магнитный экран, причем названные магнитные экраны расположены с зазором между ними, в котором создан вакуум или который заполнен инертным газом, причем каждый экран снабжен плотно установленными торцевыми крышками, в которых соосно выполнены сквозные отверстия для прохождения лазерного излучения, причем с внешней стороны торцевых крышек внешнего экрана расположены окна, плотно закрывающие отверстия указанных крышек, при этом внутренний магнитный экран снабжен средством нагрева и термостабилизации поглощающей ячейки, расположенным на его внешней поверхности, обращенной к внутренней поверхности внешнего экрана. Внутренний и внешний магнитные экраны установлены между собой неподвижно. Источник магнитного поля может быть выполнен в форме колец Гельмгольца. Ячейка поддерживается конструкцией, выполненной из меди, и одновременно являющейся каркасом для колец Гельмгольца. Средство нагрева и термостабилизации ячейки выполнено в форме тонкой полиимидной печатной платы, содержащей термодатчик, управляющий транзистор и сопротивление нагрузки. Средство нагрева и термостабилизации поглощающей ячейки может также располагаться на торцевой крышке внутреннего магнитного экрана с ее внешней стороны, для чего в плате выполнено отверстие для прохождения лазерного излучения.
На Фиг. 1 приведена конструкция системы термостабилизации и магнитного экранирования поглощающей ячейки квантового дискриминатора, где:
1 - поглощающая ячейка;
2 - внутренний цилиндрический магнитный экран;
3 - внешний цилиндрический магнитный экран;
4 - торцевая крышка магнитного экрана;
5 - зазор между внутренним и внешним цилиндрическими магнитными экранами;
6 - отверстие для прохождения (ввода и вывода) лазерного излучения;
7 - средство нагрева и термостабилизации поглощающей ячейки;
8 - источник магнитного поля (кольца Гельмгольца);
9 - конструкция, поддерживающая поглощающую ячейку и являющаяся каркасом для колец Гельмгольца;
10 - окно;
11 - крепление для удержания внутреннего магнитного экрана внутри внешнего магнитного экрана.
Магнитный экран предназначен для защиты поглощающей ячейки квантового дискриминатора от внешних магнитных полей, искажающих резонанс и сдвигающих частоту резонанса, что влияет на нестабильность системы. Магнитный экран выполняют из материала с большим значением статической магнитной восприимчивости, например, из пермаллоя.
В предлагаемом техническом решении предусмотрена система из двух цилиндрических магнитных экранов 2 и 3, размещенных концентрично, один внутри другого, с зазором 5 между ними. Оба магнитных экрана 2 и 3 снабжены плотно установленными торцевыми крышками 4, в которых соосно выполнены сквозные отверстия 6 для прохождения (ввода в ячейку 1 и вывода из нее) лазерного излучения.
Для создания герметичного замкнутого объема внутри предлагаемой системы, с внешней стороны торцевых крышек 4 внешнего экрана 3 расположены окна 10, плотно закрывающие отверстия 6 указанных крышек 4. В герметичном объеме создается вакуум или он заполняется инертным газом с малой теплопроводностью (например, ксеноном). Откачка вакуумного объема или заполнение газом происходит через медную трубку, которую затем перекусывают с сохранением герметизации.
Для удержания внутреннего экрана 2 внутри внешнего экрана 3 используют пластиковые крепления 11, например, из полиимида. Внутри внутреннего экрана 2 расположены поглощающая ячейка 1 и источник магнитного поля (кольца Гельмгольца) 8, служащий для создания контролируемого по величине и направлению магнитного поля внутри ячейки 1. Ячейка 1 поддерживается конструкцией 9, одновременно являющейся каркасом для колец Гельмгольца 8. Указанная конструкция 9 выполнена из меди для однородности нагрева поглощающей ячейки 1.
Средство нагрева и термостабилизации поглощающей ячейки 7 выполнено на тонкой полиимидной печатной плате, содержащей термодатчик, управляющий транзистор и сопротивление нагрузки. Плата приклеена на внешнюю часть внутреннего магнитного экрана, причем она может быть расположена как на самом экране 2, так и на его торцевых крышках 4. В последнем случае в плате выполняется отверстие для прохождения лазерного излучения. Таким образом, в качестве нагревательного элемента используется не только сопротивление нагрузки управляющего транзистора, но и сам транзистор, что обеспечивает максимальный КПД нагревательного устройства. Вся тепловая энергия, выделенная транзистором и сопротивлением нагрузки, идет на нагрев поглощающей ячейки 1, позволяя снизить энергопотребление атомных часов в целом.
Для более равномерного нагрева поглощающей ячейки 1 используются два средства нагрева и термостабилизации 7, расположенные с противоположных сторон внутреннего магнитного экрана. Внутренний экран одновременно является теплопроводящим контуром средства нагрева и термостабилизации 7 поглощающей ячейки 1.
Главной особенностью представленной системы термостабилизации и магнитного экранирования поглощающей ячейки квантового дискриминатора, отличающей ее от аналогичных по назначению систем, является установка внутреннего магнитного экрана между поглощающей ячейкой и средством нагрева и термостабилизации указанной ячейки. Таким образом, внутри внутреннего магнитного экрана конструктивно исключаются все элементы, которые могут содержать металлы с остаточной намагниченностью или быть источниками наведенного магнитного поля (например, транзистор нагрева). По той же причине за пределы внешнего магнитного экрана вынесены источник лазерного излучения и фотоприемник. Экранируются все возможные источники магнитных полей. При этом чем ближе к поглощающей ячейке установлен внутренний магнитный экран, тем меньше его размер, толщина и соответственно, вес, что позволяет уменьшить размер и вес атомных часов в целом. Использование нескольких экранов дает больший эффект экранирования, чем один более толстый экран. Эффект экранирования при той же толщине стенок экрана растет с уменьшением размера экрана. Все эти факторы учтены в предложенном техническом решении.
Предложенная система термостабилизации и магнитного экранирования не только экранирует поглощающую ячейку квантового дискриминатора от магнитных полей, но также поддерживает заданную температуру, устраняя теплообмен между нагреваемой ячейкой и внешней средой.
Система работает следующим образом. Источником лазерного излучения (на Фиг. 1 не показан) генерируется входящее излучение. Ток лазера промодулирован СВЧ генератором; благодаря этому, в спектре излучения лазера появляются компоненты, отстоящие друг от друга на частоту модуляции, соответствующей половине частоты расщепления основного состояния атома, используемого для наблюдения КПН резонанса. Входящее излучение проходит через окно 10, отверстия 6, выполненные для ввода лазерного излучения в торцевых крышках 4 магнитных экранов 2 и 3. Далее лазерное излучение попадает в поглощающую ячейку 1 с парами атомов щелочных металлов.
Для получения паров щелочных металлов, находящихся в поглощающей ячейке 1, указанная ячейка 1 нагревается, причем для получения заданной концентрации паров температура ячейки 1 должна быть определенной и стабильной. Для этого используется средство нагрева и термостабилизации поглощающей ячейки 7.
-4
В присутствии магнитного поля, сгенерированного источником магнитного поля 8, атомные уровни расщепляются на подуровни за счет эффекта Зеемана и сдвигаются; образуется несколько трехуровневых систем, в каждой из которых образуется КПН резонанс.Только для КПН резонанса, образованного между подуровнями с нулевым значением магнитного момента в основном состоянии, отсутствует линейный сдвиг частоты от магнитного поля. Для того, чтобы исключить взаимодействие с магнитозависимыми КПН резонансами, прикладывается однородное продольное магнитное поле порядка 50 мГс, сгенерированное источником магнитного поля 8. Приложенное поле должно быть стабильно до уровня 10 Гс; при таких условиях влияние квадратичного эффекта Зеемана мало. Для того, чтобы магнитное поле было стабильно и однородно, необходимо тщательно экранировать поглощающую ячейку 1 от внешних и наведенных магнитных полей.
В поглощающей ячейке 1 происходит взаимодействие двухчастотного светового поля лазерного излучения с трехуровневой атомной системой по Λ-схеме. При выполнении особых частотных и фазовых соотношений, в этой системе возникает суперпозиционное состояние (получившее название «темного» состояния), не взаимодействующее с возбуждающим излучением. Находясь в этом состоянии, атомы перестают поглощать и переизлучать свет.
Выходя из ячейки 1, излучение проходит через отверстия 6, выполненные в торцевых крышках 4 магнитных экранов 2 и 3 для вывода лазерного излучения, через окно 10 и попадает на фоточувствительную область фотоприемника (на Фиг. 1 не показан). В сигнале с фотоприемника наблюдается узкий провал в контуре линии поглощения, КПН резонанс.
87
Система термостабилизации и магнитного экранирования поглощающей ячейки квантового дискриминатора была использована при создании сверхминиатюрного квантового стандарта частоты на основе эффекта КПН в парах Rb. Использование указанной системы позволило уменьшить объем стандарта частоты, снизить энергопотребление, а также улучшить экранирование поглощающей ячейки от различных источников магнитных полей, что привело к увеличению стабильности выходной частоты атомных часов.