РАДИОСПЕКТРОСКОП С ЯЧЕЙКОЙ ПОГЛОЩЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК H01S1/06 

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано в квантовых стандартах частоты с ячейкой поглощения.

Известен радиоспектроскоп с ячейкой поглощения, содержащий рубидиевую спектральную лампу, ячейку поглощения с изотопами рубидия 85 и 87, фотодетектор, обмотки термопластов и магнитные обмотки, термостаты ячейки поглощения и спектральной лампы, СВЧ резонатор для колебаний H₁₁₁, петлю связи с умножительным диодом и магнитные экраны [1]
Наиболее близким техническим решением является радиоспектроскоп с ячейкой поглощения, описанный в [2] который в отличие от радиоспектроскопа [1] содержит оптический фильтр с изотопом рубидия 85, а в резонаторе возбуждается основной тип колебания H₀₁₁.

Радиоспектроскоп [2] работает следующим образом. Свет спектрального источника с рубидием 87 поглощается парами рубидия в ячейке поглощения, в результате чего увеличивается населенность верхнего уровня (F 2) основного состояния атомов рубидия 87 за счет нижнего (F 1). Действие на атом внешнего СВЧ-поля с частотой атомного перехода приводит к увеличению числа атомов на нижнем уровне. Вероятность перехода атомов из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией под действием СВЧ-сигнала зависит от расстройки между частотами возбуждающего сигнала и атомного перехода. При совпадении частот вероятность перехода максимальна, следовательно, максимально и поглощение света. По изменению интенсивности прошедшего через группу атомов рубидия света, который попадает на фотоприемник, производится индикация частоты атомного перехода и по нему контролируется частота внешнего СВЧ-сигнала. Ток фотоприемника является функцией расстройки частоты сигнала атомного перехода.

В радиоспектроскопе [2] размеры ячейки поглощения имеют увеличенные размеры и не являются оптимальными, что ограничивает точность устройства. Это определено тем, что диаметр и длина ячейки совпадает с аналогичными размерами внутренней полости резонатора, так как стенки ячейки расположены вплотную к проводящим стенкам внутренней полости СВЧ-резонатора. Стекло, применяемое для изготовления ячейки, обладает достаточно большими потерями на частоте квантового перехода рубидия. Поэтому при уменьшении диаметра ячейки даже на 9% приводит к исчезновению резонанса. Минимальный объем резонансной полости у радиоспектроскопа [2] достигается при D=L=1,32λ, где, D, L диаметр и длина внутренней полости резонатора, λ длина волны атомного перехода рубидия 87 в вакууме.

Технический результат, который достигается изобретением, состоит в увеличении точности, уменьшения габаритов и веса.

Для достижения указанного технического результата радиоспектроскоп с ячейкой поглощения содержит магнитный экран, катушку для создания постоянного магнитного поля, термостат, внутри которого размещен источник излучения, резонатор с цилиндрической полостью для колебаний типа H₀₁₁, ограниченной торцевыми стенками с отверстиями для излучения источника, с возбудителем СВЧ-поля, фотодетектором и цилиндрической стеклянной ячейкой, наполненной парами щелочного металла, расположенной соосно в полости резонатора, при этом наружная длина l ячейки составляет
0,53λ≅l≅0,72λ,
наружный диаметр d ячейки составляет
0,68λ≅d≅0,8λ,
кроме того, длина L цилиндрической полости резонатора меньше l+0,07λ, где λ- длина волны атомного перехода щелочного металла в вакууме.

Резонатор снабжен соосно расположенной диэлектрической втулкой, внутри которой размещена ячейка поглощения, при этом длина втулки не превышает наружную длину ячейки.

Диэлектрическая втулка выполнена из полистирола и прикреплена к внутренней поверхности торцевой стенки.

Возбудитель СВЧ-поля выполнен в виде петли связи, установленной на торцевой стенке резонатора между цилиндрической стенкой полости резонатора и внешней поверхности ячейки в выемке диэлектрической втулки.

Ячейка расположена вплотную к торцевой стенке резонатора, на которой установлена петля связи.

Радиоспектроскоп с ячейкой таких размеров позволил увеличить его точность не менее чем вдвое. Ячейка поглощения имеет значительно уменьшенные по сравнению с ячейкой [2] размеры. Уменьшены диаметр и длина. При этом длина цилиндрической полости резонатора отличается от длины ячейки не более чем на 0,07λ. Наибольший диаметр ячейки 0,8λ. Отношение длины полости к диаметру резонатора составляет не более 0,6.

Благодаря диэлектрической постоянной e = 4,2...4,8, щелочестойкого стекла сама ячейка своей стеклянной массой как диэлектрик также уменьшила размеры резонатора. Диаметр резонатора уменьшен еще более после введения диэлектрической втулки, внутри которой расположена ячейка поглощения.

На фиг. 1 изображен радиоспектроскоп с ячейкой поглощения, разрез; на фиг. 2 ячейка поглощения, разрез; на фиг.3 торцевая стенка резонатора с диэлектрической втулкой.

Радиоспектроскоп содержит магнитный экран 1, катушку 2 для создания постоянного магнитного поля, термостат 3, внутри которого размещен источник излучения 4 со спектральной лампой 5, резонатор 6 с цилиндрической полостью для колебаний типа H₀₁₁, ограниченной торцевыми стенками 7 и 8 с отверстиями 9 и 10 для излучения лампы 5 источника 4 с возбудителем 11 СВЧ-поля, фотодетектором 12 и цилиндрической стеклянной ячейкой 13 поглощения, наполненной парами щелочного металла, изотопами рубидия 85 и 87, расположенной соосно в полости резонатора 6. Резонатор снабжен соосно расположенной диэлектрической втулкой 14, внутри которой размещена ячейка 13 поглощения. Диэлектрическая втулка 14 прикреплена к внутренней поверхности торцевой стенками 8 винтами 15. Возбудитель 11 СВЧ-поля выполнен в виде петли связи, установленной на торцевой стенке 8 между цилиндрической стенкой полости резонатора 6 и внешней поверхности ячейки 13 в выемке 16 диэлектрической втулки 14. Резонатор 6 снабжен также нагревательной обмоткой 17, датчиком температуры 18 и СВЧ-кабелем 19, подключенным в возбудителю 11 СВЧ-поля.

Радиоспектроскоп работает следующим образом.

При включении радиоспектроскопа поджигается разряд в спектральной лампе 5, излучение которой, проходя через ячейку полглощения 13, содержащую пары изотопов рубидия 85 и 87 и буферный газ, увеличивает населенность верхнего уровня (F 2) основного состояния атомов рубидия 87 за счет нижнего уровня (F 1), где F квантовое число полного момента количества движения. Вероятность перехода атомов рубидия 87 из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией под действием СВЧ-поля сигнала возбудителя 11 зависит от расстройки между частотами внешнего СВЧ-сигнала и атомного перехода. При совпадении частот вероятность перехода максимальна, максимально и поглощение света. По изменению интенсивности света, попадающего на фотодетектор 12, контролируется частота СВЧ-сигнала.

Стабильная температура резонатора 6 поддерживается выше температуры окружающей среды нагревательной обмоткой 17 и контролируется датчиком температуры 18. Экран 1 защищает ячейку поглощения 13 от внешних магнитных полей. Для увеличения точности радиоспектроскопа катушкой 2 создается слабое постоянное магнитное поле, величиной не более 0,1 Э.

Максимальная чувствительность радиоспектроскопа обусловлена оптимальными размерами ячейки поглощения, находящейся в продольных составляющих магнитных компонент колебаний типа H₀₁₁.

Объем резонатора данного изобретения примерно в 3 раза меньше объема резонатора прототипа [2] Это уменьшило габариты и вес радиоспектроскопа.

Источники информации
1. Патент США N 4 661 782, кл. H 03 L 7/26, H 01 P 7/06, H 01 S 1/06, кл. США 331/3, 331/94.1, 324/305, 333/230.

2. Аппаратура для частотных и временных измерений. /Под ред. А.П.Горшкова, Советское радио, 1971, с. 60, 61.

Использование: в электронике, в квантовых стандартах частоты с ячейкой поглощения. Сущность изобретения: радиоспектроскоп с ячейкой поглощения содержит магнитный экран, катушку для создания постоянного магнитного поля, термостат, внутри которого размещен источник излучения, резонатор с цилиндрической полостью для колебаний типа H011, ограниченный торцевыми стенками, с возбудителем СВЧ-поля, фотодетектором и цилиндрической стеклянной ячейкой, наполненной парами щелочного металла, расположенной соосно в полости резонатора. Наружная длина l ячейки составляет 0,53λ≅l≅0,72λ, ее наружный диаметр d составляет 0,68λ≅d≅0,8λ, при этом длина цилиндрической полости резонатора меньше l+0,07λ, где λ- - длина волны атомного перехода щелочного металла в вакууме. Резонатор снабжен соосно расположенной диэлектрической втулкой, внутри которой размещена ячейка поглощения, при этом длина втулки не превышает наружную длину ячейки. Диэлектрическая втулка выполнена из полистирола и прикреплена к внутренней поверхности торцевой стенки. Возбудитель СВЧ-поля выполнен в виде петли связи, установленной на торцевой стенке резонатора между цилиндрической стенкой полости резонатора и внешней поверхностью ячейки в выемке диэлектрической втулки. Ячейка расположена вплотную к торцевой стенке резонатора, на которой установлена петля связи. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Радиоспектроскоп с ячейкой поглощения, содержащий магнитный экран, катушку для создания постоянного магнитного поля, термостат, внутри которого размещен источник излучения, резонатор с цилиндрической полостью для колебаний типа Н₀₁₁, ограниченный торцевыми стенками с отверстиями для излучения источника, с возбудителем СВЧ-поля, фотодетектором и цилиндрической стеклянной ячейкой, наполненной парами щелочного металла, расположенной соосно в полости резонатора, отличающийся тем, что наружная длина l ячейки составляет 0,53λ ≅ l ≅ 0,72λ, наружный диаметр d ячейки составляет 0,68λ ≅ d ≅ 0,8λ, при этом длина L цилиндрической полости резонатора меньше l + 0,07λ, где λ длина волны атомного перехода щелочного металла в вакууме. 2. Радиоспектроскоп по п. 1, отличающийся тем, что резонатор снабжен соосно расположенной диэлектрической втулкой, внутри которой размещена ячейка поглощения, при этом длина втулки не превышает наружную длину ячейки. 3. Радиоспектроскоп по п. 2, отличающийся тем, что диэлектрическая втулка выполнена из полистирола и прикреплена к внутренней поверхности торцевой стенки. 4. Радиоспектроскоп по п. 2, отличающийся тем, что возбудитель СВЧ-поля выполнен в виде петли связи, установленной на торцевой стенке резонатора между цилиндрической стенкой полости резонатора и внешней поверхностью ячейки в выемке диэлектрической втулки. 5. Радиоспектроскоп по п. 4, отличающийся тем, что ячейка расположена вплотную к торцевой стенке резонатора, на которой установлена петля связи.