СПОСОБ ФАЗОВОЙ СИНХРОНИЗАЦИИ КОЛЕБАНИЙ НЕ МЕНЕЕ ДВУХ СПИНОВЫХ КВАНТОВЫХ ГЕНЕРАТОРОВ Российский патент 1997 года по МПК H01S1/00 

Изобретение относится к области технической квантовой физики и может быть использовано при оценке точностных параметров квантовых генераторов, прежде всего спиновых атомных стандартов частоты, квантовых магнитометров, а также для измерения разности магнитных полей (и градиента) в геофизике.

Известен способ синхронизации колебаний двух разнесенных в пространстве квантовых магнитометров градиентометра, генерирующих сигналы, соответственно, u₁=A₁•sin(ω₁t+Φ₁) и u₂=A₂•sin(ω₂t+Φ₂) c примерно одинаковыми амплитудами А₁ A₂ и равными частотами ω₁=ω₂ [1] Синхронизация колебаний заключается в том, что перед началом измерений устанавливают (для удобства отсчета) нулевую разность начальных фаз Φ₁-Φ₂ ≃ 0 между магнитометрами. Это осуществляется с помощью фазовращателя (позиция 20 на фигуре в [1]) в цепи обратной связи одного из магнитометров. На практике нулевую разность Φ₁-Φ₂ ≃ 0 получают с некоторой погрешностью Δ_1-2 После первичной установки значения Φ₁-Φ₂ ≃ 0 приступают к регистрации изменения градиента магнитного поля по изменению этой нулевой разности фаз.

Этот же способ используют и при оценке параметров точности (нестабильности, ухода абсолютного значения частоты и др.) атомных стандартов частоты, в том числе и тех, которые имеют разные исходные частоты генерации ν₁ и ν₂. Путем преобразований их сводят к другим, но одинаковым частотам (например, ω₁=1 МГц и ω₂=1 МГц в измерительной системе, [2] Она содержит два автономных канала с фазовращателями, фазовый детектор и др. Проводя процедуру, упомянутую выше, устанавливают разность начальных фаз колебаний Φ₁-Φ₂ ≃ 0 между каналами и таким образом добиваются cинхронизма колебаний квантовых стандартов частоты.

Недостатки способа [1] состоят в следующем:
1. Принципиально нельзя достичь пренебрежимо малой погрешности Δ_1-2,, близкой к нулю, поскольку синхронизацию колебаний по начальным фазам Φ₁ или Φ₂ производят в электронных узлах, которые имеют собственные нестабильности и уходы.

2. Принципиально недостижима синхронизация колебаний с получением одной начальной фазы Φ₁=Φ₂ и двух (и более) квантовых генераторов, имеющих произвольные частоты генерации ω₁ и ω₂.

Из пп.1 и 2 вытекает 3. Необходимость систематической коррекции нулевой разности Φ₁-Φ₂ ≃ 0 после первичной ее установки.

4. Стабильность нулевой разности Φ₁-Φ₂ ≃ 0 возможна лишь в течение одного или нескольких циклов измерений, непродолжительных по времени, поэтому необходим периодический контроль за сохранением Φ₁-Φ₂ ≃ 0.
5. Сведение начальных фаз к разности Φ₁-Φ₂ ≃ 0 возможно лишь в узком диапазоне частот генерации. При переходе к другой одинаковой рабочей частоте генерации вновь необходима операция сведения к нулю разности Φ₁-Φ₂ ≃ 0.
Технической задачей предлагаемого изобретения является мгновенное установление наперед заданной разности начальных фаз Φ₁-Φ₂ колебаний между двумя любыми генераторами, исключение погрешности Δ_1-2 этой разности и упрощение процесса синхронизации.

Поставленная задача достигается тем, что в способе фазовой синхронизации колебаний двух (и более) квантовых генераторов, заключающемся в том, что устанавливают с некоторой погрешностью Δ_1-2 разность начальных фаз Φ₁-Φ₂ между колебаниями генераторов, имеющих равные частоты генерации ω₁=ω₂, путем регулирования фазы либо в цепи обратной связи одного из генераторов, либо в измерительной системе, на рабочие вещества квантовых генераторов, имеющих произвольные частоты ω₁ и ω₂, воздействуют одновременно в момент времени t_о одиночным δ-образным видеоимпульсом магнитного (или электрического ) поля и получают в генераторах колебания с начальными фазами, соответственно v_1,δ и v_2,δ, значения которых строго задаются моментом времени t_о и направлением действия d-видеоимпульса, последующий аналогичный d-видеоимпульс поля подают с началом очередного цикла измерения, причем этот же d-видеоимпульс используют в качестве синхроимпульса для цепей обратной связи генераторов и измерительной системы.

Сопоставительный анализ заявляемого решения по сравнению с аналогами (прототип отсутствует) показывает, что предлагаемый способ отличается от известных наличием новой операции на рабочие вещества квантовых генераторов, имеющих произвольные частоты w₁ и ω₂, воздействуют одновременно в момент времени t_о одиночным δ-образным видеоимпульсом магнитного (или электрического ) поля и получают в генераторах колебания с начальными фазами, соответственно v_1,δ и Φ_2,δ, значения которых строго задаются моментом времени t_о и направлением действия d-видеоимпульса, последующий аналогичный d-видеоимпульс поля подают с началом очередного цикла измерения, причем этот же d-видеоимпульс используют в качестве синхроимпульса для цепей обратной связи генераторов и измерительной системы.

Эти перечисленные признаки позволяют сделать вывод о соответствии предложенного технического решения критерию "новизна".

Принципиально новым в предлагаемом способе автор считает получение нового, ранее неизвестного свойства у двух (и более) квантовых генераторов, причем с произвольными частотами генерации w₁ и ω₂. Оно состоит в том, что между колебаниями двух любых генераторов мгновенно устанавливается наперед заданная разность фаз Φ₁-Φ₂, при этом исключается погрешность Δ_1-2 разности фаз и упрощается сам процесс синхронизации (устраняется часть электронных узлов). Предложенное техническое решение по совокупности признаков ограничительной и отличительной частей не было обнаружено при сравнении с другими техническими решениями в данной области технической квантовой физики.

Это позволяет сделать вывод о соответствии предложенного способа критерию "существенные отличия".

Изобретение поясняется чертежом. На нем показан пример схемы выполнения предлагаемого способа, представлены: 1 и 2 чувствительные датчики квантовых магнитометров; 3 и 4 источники δ-образного магнитного видеоимпульса , направленного по оси Y. Источники выполнены в виде колец Гельмгольца; 5 источник d-образного видеоимпульса тока i_δ
Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.

В качестве чувствительных датчиков 1 и 2 выбраны датчики квантовых магнитометров, размещенные в разных областях I и II пространства. Датчики содержат разные рабочие вещества: датчик 1 наполнен рубидием-87 и имеет частоту генерации w₁, а другой датчик 2 наполнен цезием-133 и имеет частоту генерации ω₂, причем ω₁>ω₂, а период колебаний Т₁ < Т₂. Датчики имеют цилиндрическую форму и выполнены по известной однолучевой схеме [1] оптической накачки атомов. Оптическая ось датчиков совпадает с осью цилиндра, лежит в вертикальной плоскости XZ и наклонена под углом приблизительно 45^o. По оси Z действует постоянное магнитное поле Н_о, например поле Земли приблизительно 0,5 Э. Датчики 1 и 2 размещены в центре колец Гельмгольца 3 и 4, которые подключены к источнику 5 одиночных δ-образных видеоимпульсов тока i_δ Длительность t_d этих d-импульсов должна быть t_δ ≪ T₁, где Т₁ - период колебаний в датчике с наибольшей частотой генерации [3] в частности ω₁. Перед действием δ-видеоимульса цепи обратной связи магнитометров разомкнуты и в датчиках 1 и 2 отсутствуют колебания. В момент времени t_о кольца Гельмгольца 3 и 4 генерируют одиночный d-видеоимпульс поля по оси Y. Он действует одновременно на рабочие вещества датчика 1 и датчика 2. Возникают колебания на частотах w₁ и ω₂ соответственно, причем с строго одной и той же начальной фазой Φ_1,δ(Y)=Φ_2,δ(Y) вследствие мгновенной фазировки спинов атомов [3] Ввиду чрезвычайной малости переднего фронта d-видеоимпульса погрешность разности фаз v_1,δ-Φ_2,δ во времени при подаче последующих магнитных d-видеоимпульсов также равна нулю, т.е. D_1-2=0.
Если во второй области II пространства ось колец Гельмгольца 4 направить вдоль оси Х, тогда получим другую разность фаз между колебаниями Φ_1,δ(Y)-Φ_2,δ(x)=90^°.
Таким образом, устанавливая в плоскости ХV определенный угол a между осями колец Гельмгольца 3 и 4, получим разность фаз v_1,δ-Φ_2,δ,, численно равную этому углу, т.е.
Одновременно этот же d-видеоимпульс можно использовать в качестве синхроимпульса как для цепи обратной связи квантового магнитометра (например, замыкая ее), так и для измерительной системы. Это позволяет упростить электронные узлы и упрощает сам процесс фазовой синхронизации любой пары генераторов.

Аналогичные рассуждения можно провести и для атомных стандартов частоты. Применение этого способа позволяет осуществить их групповую синхронизацию, что ведет к повышению точности группового стандарта частоты.

Без ограничения сути предлагаемый способ может быть применен и для квантовых генераторов, использующих электродипольные переходы (переходы при ядерном квадрупольном резонансе). В качестве d-видеоимпульса здесь будут служить d-видеоимпульсы электрического поля .

Предлагаемый способ фазовой синхронизации колебаний квантовых генераторов путем воздействия одиночным магнитным d-видеоимпульсом (или электрическим ) поля непосредственно на рабочее вещество генераторов позволяет:
мгновенно установить наперед заданную разность начальных фаз колебаний между двумя любыми генераторами, причем с произвольными частотами w_n в группе из n генераторов. Например, одновременно устанавливаются наперед заданные разности фаз: Φ₁-Φ₂; Φ₂-Φ₃; Φ₅-Φ₂ и т.д.

исключить саму погрешность Δ_1-2 синхронизации фаз и изменение погрешности во времени;
осуществить групповой атомный стандарт частоты с повышенной стабильностью;
упростить схемотехнику и повысить надежность процесса фазовой синхронизации.

В настоящее время автором проводятся исследования по экспериментальному подтверждению возможности одновременной фазировки колебаний двух разнесенных в пространстве квантовых магнитометров, рубидиевого и цезиевого. Результаты эксперимента будут представлены.

Использование: в технической квантовой физике и может быть использовано при оценке точностных параметров квантовых генераторов, прежде всего спиновых - атомных стандартов частоты, квантовых магнитометров, а также для измерения разности магнитных полей (и градиента) в геофизике. Сущность изобретения: в изобретении предлагается способ мгновенного фазирования колебаний не менее двух квантовых генераторов, приводящий к установлению между колебаниями генераторов наперед заданной разности начальных фаз Φ₁-Φ₂, исключению погрешности Δ_1-2 этой разности и упрощению процесса синхронизации. Это достигается воздействием на рабочие вещества обоих квантовых генераторов одновременно δ-образного видеоимпульса магнитного (или электрического поля. 1 ил.

Способ фазовой синхронизации колебаний не менее двух спиновых квантовых генераторов, заключающийся в том, что первый и второй квантовые датчики квантовых генераторов устанавливают в плоскости ZX, а постоянное магнитное поле направляют по оси Z, при этом значение разности текущих фаз между установившимися стационарными колебаниями генераторов, имеющих равные частоты генерации ω₁= ω₂ и случайные начальные фазы Φ₁ и Φ₂, выставляют путем регулировки в электронной цепи обратной связи одного из генератора, отличающийся тем, что первый и второй квантовые датчики генераторов дополнительно размещают внутри соответственно первого и второго источников импульсов магнитного поля выполненных, например, в виде системы колец Гельмгольца и подключенных совместно к генератору d-образных видеоимпульсов тока, продольную ось каждой системы колец Гельмгольца располагают в плоскости XY и подают в момент времени t₀ от генератора d-образных видеоимпульсов тока одновременно в первую и вторую системы колец Гельмгольца одиночный d -видеоимпульс тока i_δ и возбуждают таким образом мгновенные стационарные колебания с текущими фазами f_1,δ= (ω₁t+Φ_1,δ) и φ_2,δ-(ω₂t+Φ₂δ) соответственно в первом и втором квантовых генераторах, имеющих произвольные частоты ω₁ и ω₂, причем стационарные колебания в момент времени t₀ получают с разностью начальных фаз равной значению угла a = ΔΦ_1,2 между продольными осями первой и второй систем колец Гельмгольца.