АТОМНЫЙ СТАНДАРТ ЧАСТОТЫ Российский патент 2001 года по МПК H01S1/00 

Настоящее изобретение относится к атомным стандартам частоты и, в частности, к атомным стандартам частоты, содержащим резонатор, который заполнен средой, обладающей свойством вынужденного излучения. Изобретение пригодно для использования в мазерах на основе активного водорода и будет удобно для дальнейшего раскрытия изобретения в этом варианте использования. Следует отметить, что изобретение не ограничивается этим использованием. В частности, изобретение применимо ко всем активным стандартам частоты, в которых вынужденное излучение активной среды является самоподдерживающимся, а также ко всем пассивным стандартам частоты, которые требуют внешнего возбуждения.

Мазер на основе атомарного водорода представляет собой типичный атомный стандарт частоты, основанный на сверхтонких переходах атомарного водорода на частоте порядка 1,4 ГГц. В таких мазерах пучок атомарного водорода находится, как правило, в вакуумной камере. Этот атомарный водород пересекает магнит выбора состояния и входит в накопительную колбу микроволнового резонатара. Селектор состояния устраняет за счет отклонения атомы водорода, находящиеся в нижнем состоянии (F = 0, m_F = 0), и обеспечивает сведение атомов водорода, находящихся в верхнем энергетическом состоянии (F= 1, m_F = 0), к отверстию накопительной колбы. Эта накопительная колба расположена в центре цилиндрического микроволнового резонатора, настроенного на частоту сверхтонкого перехода атомов водорода. Для того, чтобы в пассивном мазере наблюдать за атомным резонансом атомов водорода с выбранным состоянием, микроволновый сигнал инжектируется в резонатор на резонансной частоте атомов водорода. Для активного мазера соблюдаются такие условия, при которых выходной сигнал используется для обратной связи. Этот сигнал вырабатывается посредством атомных колебаний.

Мазеры, соответствующие этому определению, известны из предшествующего уровня техники. Для того, чтобы гарантировать стабильность частоты таких мазеров, схема управления резонансной частотой резонатора используется для настройки резонатора на собственную частоту вынужденного излучения среды, которую он содержит. В пассивном мазере вторая схема управления, схема управления введенного сигнала опроса гарантирует, что несущая частота сигнала опроса резонатора настраивается на собственную частоту вынужденного излучения. Для активного способа выходной сигнал колебаний атомов имеет частоту, равную резонансной частоте вынужденного излучения.

Для того, чтобы точно настроить резонатор на собственную частоту вынужденного излучения атомов водорода, в некоторых мазерах используют способ настройки, известный как способ переключения частоты резонатора. Согласно этому способу модулятор переключает резонансную частоту между двумя значениями, соответственно больше и меньше собственной частоты вынужденного излучения среды в резонаторе, с помощью приложения напряжения прямоугольной формы к схеме настройки варактора, связанной с микроволновым резонатором. Уровень выходного излучения мазера затем модулируется, когда среднее значение частоты резонатора отличается от собственной частоты вынужденного излучения среды в резонаторе. После детектирования огибающей на выходе микроволнового приемника и синхронного детектирования получают сигнал ошибки. Этот сигнал ошибки затем используется для управления частотой резонатора.

Резонансная кривая резонатора таким образом опрашивается на двух частотах, соответственно большей и меньшей собственной частоты вынужденного излучения среды в резонаторе, так же как и линия вынужденного излучения среды, содержащейся в резонаторе.

Хотя такие мазеры находят различное применение, авторами было обнаружено, что этот способ настройки, тем не менее, вводит паразитный сигнал в резонатор на частоте, близкой к собственной частоте вынужденного излучения содержащейся в нем среды. Как следствие, схемой настройки резонатора вводится амплитудный и фазовый шум, что приводит к снижению точности сигнала мазера. Такие ошибки в некоторых случаях недопустимы, когда требуется сигнал временного отклика с очень высокой точностью и стабильностью.

Задачей настоящего изобретения является создание атомного стандарта частоты, в котором устранены или уменьшены недостатки предшествующего уровня техники.

Также задачей изобретения является создание атомного стандарта частоты высокой степени точности при одновременном упрощении его конструкции.

Указанный результат согласно изобретению достигается в атомном стандарте частоты, содержащем резонатор, заполненный средой, обладающей свойством вынужденного излучения; средство для инжекции в резонатор сигнала с частотой, соответствующей собственной частоте вынужденного излучения; средство для обеспечения сдвига по частоте инжектированного сигнала так, чтобы генерировать поочередно части первого сигнала с частотой, большей собственной частоты вынужденного излучения, и второго сигнала с частотой, меньшей собственной частоты вынужденного излучения, причем упомянутые части первого и второго сигналов имеют периодичность, соответствующую определенному периоду опроса; средство, реагирующее на продетектированный сигнал резонатора, для выработки сигнала ошибки, представляющего разность между амплитудой продетектированного сигнала в ответ на инжекцию части первого сигнала и амплитудой продетектированного сигнала в ответ на инжекцию части второго сигнала; и средство, реагирующее на сигнал ошибки, для регулировки резонансной частоты резонатора, при этом упомянутый атомный стандарт частоты отличается тем, что атомный мазер содержит средство для периодического приложения частей первого и второго сигналов в течение ограниченной длительности только периода опроса.

Изобретение обеспечивает возможность создания атомного стандарта частоты, имеющего степень точности значительно выше, чем у известных стандартов частоты.

Преимуществом является то, что такой стандарт частоты не требует уменьшения мгновенной мощности инжектируемых сигналов для настройки частоты резонатора. Поэтому опрос резонансной характеристики резонатора можно осуществить без использования высокочувствительных и сложных схем детектирования.

Изобретение поясняется, без каких-либо ограничений, с помощью предпочтительного варианта осуществления со ссылками на чертежи, на которых представлено следующее:
фиг. 1 - схема, иллюстрирующая принципы работы атомного стандарта частоты, который воплощает изобретение;
фиг. 2 - схема варианта осуществления электрической схемы управления атомного стандарта частоты, изображенного на фиг. 1,
фиг. 3 - резонансная характеристика резонатора атомного стандарта частоты, изображенного на фиг. 2.

Принципы работы возможного варианта осуществления атомного мазера в соответствии с настоящим изобретением будут описаны ниже со ссылками на фиг. 1. На фиг. 1 представлен атомный водородный мазер, содержащий источник 2 среды, пригодной для создания вынужденного излучения, селектор 3 состояния, резонатор 4, катушку 5, два магнитных экрана 6 или 7, накопительную колбу 8 и подсоединенную схему 9 управления. Элементы 2-7 атомного водородного мазера 1 смонтированы в вакуумной камере 10.

Источник пучка 2 представляет собой радиочастотный газовый разряд в молекулярном водороде, который формирует атомарный водород с высокой эффективностью. Пучок атомарного водорода выходит из источника 2 через один или множество каналов в вакуумной камере 10. Пучок атомарного водорода пересекает магнитный селектор состояния 3 и входит в накопительную колбу 8 микроволнового резонатора 4. Селектор состояния 3 исключает за счет отклонения атомы водорода, находящиеся в нижнем состоянии (F = 0, m_F = 0) и сводит атомы водорода, находящиеся в верхнем энергетическом состоянии (F = 1, m_F = 0), к отверстию накопительной колбы 8. Эта накопительная колба 8 расположена в центре цилиндрического микроволнового резонатора, настроенного на частоту сверхтонкого перехода атомов водорода.

Схема управления 9, связанная с резонатором 4, обеспечивает настройку резонатора на собственную частоту вынужденного излучения атомов водорода в накопительной колбе.

В мазере этого типа частота перехода атомов водорода зависит от магнитного поля в резонаторе 4. Для получения выходного сигнала с предварительно заданной частотой переходы атомарного водорода должны происходить в постоянном магнитном поле. Для того, чтобы получить это постоянное магнитное поле, необходимо заэкранировать зону взаимодействия с внешним магнитным полем с помощью двух магнитных экранов 6 и 7 так, чтобы значение остаточного поля было несущественным. Постоянное магнитное поле формируется катушкой 5, которая окружает резонатор 4 и располагается внутри магнитных экранов 6 и 7.

На фиг. 2 изображены резонатор 4 и схема управления 9 мазером по фиг. 1. Схема генератора 22 вырабатывает сигнал на частоте 100 МГц. Этот сигнал подается на умножитель частоты 23, который создает на своем выходе сигнал с частотой 1400 МГц.

Схема управления 9 также включает переключаемый синтезатор 25 и импульсный генератор 26. Переключаемый синтезатор 25 избирательно вырабатывает выходной сигнал, который имеет частоту f₁ либо f₂, причем среднее значение этих двух частот соответствует собственной частоте вынужденного излучения среды в накопительной колбе 8. Характерное значение этих двух частот для мазера на основе атомарного водорода может составлять, например, 20,420 МГц и 20,390 МГц.

Импульсный генератор 26, работа которого будет подробно описана ниже, вырабатывает две последовательности импульсов.

Выходы переключаемого синтезатора 25 и импульсного генератора 26 соединены со входами смесителя 28 так, что сигнал, выработанный переключаемым синтезатором 25, модулируется импульсами от импульсного генератора 26.

Выходы умножителя частоты 23 и смесителя 28 соединены со смесителем 24, который вырабатывает сигнал со средним значением частоты, близким к 1420 МГц, который сначала ограничивается по амплитуде схемой аттенюатора 29, а затем вводится в резонатор 4. Аттенюатор 29 ограничивает мощность сигнала, вводимого в резонатор 4.

Переключатель можно подсоединить между выходом смесителя 24 и входом аттенюатора 29 для лучшей режекции сигнала опроса на интервалах молчания.

Резонатор 4 настраивается на собственную частоту f_R вынужденного излучения среды, которую он содержит. В случае водородного мазера, переход, приводящий к увеличению вынужденного излучения, представляет собой переход от состояния F = 1, m_F = 0 в состояние F = 0, m = 0 атома водорода, который находится в магнитном поле, для разделения подуровней Зеемана m_F = +1 и m_F = -1 от состояния F = 0. Собственная частота f₀ этого перехода находится в области частоты 1420 МГц (1420, 405751... МГц).

Резонатор 4 можно рассматривать как полосовой фильтр, у которого добротность Q_c изменяется от 30000 до 60000 и зависит от объема резонатора. Для добротности порядка 30000 резонатор со средой, которую он содержит, можно рассматривать как комбинацию такого фильтра с фильтром, имеющим добротность Q_Н порядка 10⁹.

Усилитель 31 принимает и усиливает сигнал мазера. Несущая частота этого сигнала сначала суммируется посредством смесителя 32 с сигналом от выхода умножителя частоты 23 и далее преобразуется с понижением частоты посредством схемы преобразования частоты 33 на промежуточную частоту f_i. Выходной сигнал схемы преобразования частоты 33 подается на схему управления 40 генератора и на схему управления 50 резонатора.

В схеме управления 40 генератора 22 сигнал, выработанный схемой 33, прикладывается к фазовому компаратору 41, который вырабатывает сигнал ошибки, соответствующий разности фаз между выходным сигналом синтезатора 42 и промежуточной частотой со схемы преобразования частоты 33.

Каждый фазовый сдвиг приводит к сигналу ошибки на выходе фазового детектора 41. Сигнал ошибки поступает в интегратор 43 и используется для управления переменной емкостью 44, которая соединена со схемой генератора 22, частоту которого можно плавно изменять для ее подстройки.

В схеме управления 50 резонатором 4 выходной сигнал схемы преобразования частоты 33 подается на детектор огибающей 51. С выхода последнего сигнал поступает на синхронный детектор 52, который выделяет микроволновый сигнал опроса, наложенный на промежуточную частоту f_i, в результате инжекции в резонатор импульсного сигнала с выхода смесителя 24.

Более конкретно, синхронный детектор 52 измеряет и сравнивает амплитуду продетектированного сигнала резонатора, являющегося результатом инжекции сигнальных импульсов, сформированных из комбинации выходных сигналов переключаемого синтезатора 25 и импульсного генератора 26 и имеющих частоту f₁, при этом продетектированный сигнал резонатора, получающийся в результате инжекции сигнальных импульсов, имеет частоту f₂.

В результате сравнения формируется сигнал ошибки, который показывает сдвиг в резонансной частоте резонатора 4 по отношению к собственной частоте вынужденного излучения. Сигнал ошибки поступает в интегратор 53, выход которого подсоединен к переменному конденсатору 54, подсоединенному к резонатору 4, посредством которого можно плавно изменять резонансную частоту f_с для коррекции.

Схема, управления 9 содержит модуль синхронизации 60, который синхронизирует работу схемы синхронного детектирования 52 с импульсным генератором 26 и переключаемым синтезатором 25. Кроме того, модуль синхронизации 60 воздействует на управляемый переключатель 30, обеспечивающий режекцию остаточного сигнала со смесителя 24.

Основное уравнение для вышеописанного явления резонаторного затягивания частоты приводится в работе Vanier, Audoin "The Quantum Physics of Atomic Frequency Standarts" (Adam Nilger, 1989, С. 1039). Согласно этой публикации затягивание частоты мазера вызванное опросом резонатора, приводится в виде

где f_int - частота сигнала опроса резонатора, P_cav - мощность внутри резонатора для данной мощности опроса при отстройке на половину полосы пропускания, P_at - атомная мощность внутри резонатора для данной выходной мощности мазера, Q₁ - добротность резонатора и f_m - частота мазера.

Однако, если сигнал опроса, который прикладывается к резонатору, является импульсным для обеспечения периодического опроса резонатора, например, с использованием импульсного генератора 26 и переключаемого синтезатора 25 по фиг. 2, то это уравнение приобретает вид:
,
где τ_ON - длительность каждого из импульсов опроса каждого периода опроса и τ - длительность такого периода опроса.

Отсюда видно, что затягивание частоты мазера представляет собой линейную функцию от τ_ON. Также видно, что затягивание частоты мазера прямо пропорционально мощности опроса, подводимой к резонатору. Путем соответствующей установки длительности импульсов опроса относительно их периода следования можно минимизировать ошибку по частоте мазера, вызванную опросом частоты резонатора, поддерживая при этом мощность сигнала опроса на достаточно высоком уровне для упрощения детектирования отклика резонатора.

Приведенное выше описание может быть пояснено с помощью фиг. 3, на которой изображена резонансная характеристика 70 резонатора 4 мазера 1, представленного на фиг. 1. Эта характеристика 70 симметрична относительно максимального значения, соответствующего резонансной частоте f_c.

При работе схемы управления 9 мазера 1 импульсный генератор 26 управляется от синхронизатора 60 так, чтобы обеспечивать формирование двух последовательностей импульсов, соответственно S1 и S2. Каждая из этих последовательностей импульсов S1 и S2 имеет период следования τ и предварительно заданную длительность импульса τ_ON, которая существенно меньше, чем период опроса τ. Синхронизатор 60 также синхронизирует работу переключаемого синтезатора 25 и импульсного генератора 26 для того, чтобы последовательность импульсов S1 имела частоту f₁, а вторая последовательность импульсов S2 - частоту f₂. Переключаемый синтезатор 25 адаптирован на то, чтобы две частоты f₁ и f₂ имели среднее значение и поэтому были симметричными относительно собственной частоты f_R вынужденного излучения из среды, хранящейся в накопительной колбе 8.

Отклик резонатора 4 на каждую последовательность импульсов S1 и S2 соответствует R1 и R2. Также видно, что амплитуда, b(τ) отклика резонатора и, следовательно, амплитуда сигнала, детектируемого посредством схемы синхронного детектирования 52 в ответ на последовательность импульсов S1 и S2, зависит соответственно от значений частот f₁ и f₂. Если среднее значение этих двух частот соответствует резонансной частоте f_с резонатора 4,то он будет настроен на собственную частоту вынужденного излучения среды, находящейся в накопительной колбе 8, а амплитуды откликов R1 и R2 будут идентичны. Соответственно, значение сигнала ошибки, формируемого на выходе схемы синхронного детектирования 52, будет равно нулю.

Однако, если среднее значение этих двух частот отличается от частоты, на которой резонатор 4 входит в резонанс, как показано на фиг. 3, то амплитуда откликов Ri и R2 будет отличаться. Это отличие показывает, что резонансная частота f_c резонатора 4 не настроена на собственную частоту f_R вынужденного излучения среды, хранящейся в накопительной колбе 8. В ответ на сравнение амплитуд R1 и R2, выполненное схемой синхронного детектирования 52, значение сигнала ошибки, формируемое на ее выходе, будет отлично от нуля. Этот сигнал ошибки будет интегрироваться схемой интегратора 53 и прикладываться к переменной емкости 54 для коррекции резонансной частоты резонатора 4.

Как видно из фиг. 3, в настоящем изобретении мощность сигнала, опроса резонатора концентрируется в двух составных частях сигнала, в данном случае импульсных сигналах S1 и S2, каждый из которых прикладывается только на ограниченную длительность каждого периода опроса τ. Таким образом, обеспечивается высокая точность мазера при поддержании мгновенной мощности сигнала опроса, инжектируемого в резонатор, на уровне, достаточном для обеспечения корректной работы схемы управления 50 резонатором.

Хотя импульсы в последовательностях S1 и S2 показаны на фиг. 3 как следующие непосредственно друг за другом, на практике предпочтительнее, чтобы они были разнесены по меньшей мере на минимальное время установления. Это обеспечит возможность установления сигнала, формируемого в результате отклика R1 и детектируемого схемой синхронного детектирования 52, до начала детектирования сигнала, формируемого в результате отклика R2.

Следует иметь в виду, что различные модификации и/или изменения могут быть сделаны в устройстве связи без изменения сущности изобретения, охарактеризованного формулой изобретения.

Изобретение относится к атомным стандартам частоты. Атомный мазер содержит средство для осуществления сдвига по частоте инжектируемого в резонатор сигнала так, чтобы поочередно генерировать части первого и второго сигналов, имеющих соответственно частоту больше и меньше, чем собственная частота вынужденного излучения, причем части первого и второго сигналов имеют период следования, соответствующий предварительно заданному периоду опроса, средство, которое реагирует на продетектированный сигнал резонатора для выработки сигнала ошибки, который соответствует разнице между амплитудами продетектированных сигналов в ответ на инжекцию частей первого и второго сигналов, средство, которое реагирует на сигнал ошибки для настройки резонансной частоты резонатора, и средство для периодической подачи двух частей первого и второго сигналов в течение ограниченной длительности периода опроса. Технический результат изобретения состоит в создании атомного стандарта частоты, имеющего степень точности значительно выше, чем у известных стандартов частоты. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Атомный мазер, содержащий резонатор (4), содержащий среду, обладающую свойством вынужденного излучения, средство (22, 23, 24, 29) для инжекции в резонатор (4) сигнала с частотой (f₁, f₂) со средним значением, равным собственной частоте (f_R) вынужденного излучения, средство (25) для осуществления сдвига по частоте инжектируемого сигнала с возможностью поочередного генерирования части первого сигнала, имеющего частоту (f₁) больше, чем собственная частота (f_R) вынужденного излучения, и части второго сигнала, имеющего частоту (f₂) меньше, чем собственная частота (f_R) вынужденного излучения, причем части первого и второго сигналов имеют периодичность (τ), соответствующую предварительно заданному периоду опроса, средство (31, 32, 33, 51, 52), реагирующее на продетектированный сигнал резонатора (4) для выработки сигнала ошибки, представляющего разность между амплитудой продетектированного сигнала (R1) в ответ на инжекцию части первого сигнала и амплитудой продетектированного сигнала (R2) в ответ на инжекцию части второго сигнала, и средство (53, 54), реагирующее на сигнал ошибки, для настройки резонансной частоты (f_с) резонатора, отличающийся тем, что атомный мазер содержит средство (26, 28) для периодической подачи частей первого и второго сигналов только в течение ограниченной длительности (τ_ON) периода опроса. 2. Атомный мазер по п.1, отличающийся тем, что средство (26, 28) периодической подачи частей первого и второго сигналов содержит средство генерации импульсов (26) для генерации первой и второй последовательностей импульсов (S1, S2), таких, что каждая из последовательностей импульсов имеет период следования (τ), соответствующий периоду опроса, а каждый из импульсов имеет предварительно заданную длительность импульса (τ_ON) существенно меньше, чем период опроса, и средство (28) для модуляции импульсов инжектированным сигналом. 3. Атомный мазер по п.1, отличающийся тем, что он содержит средство (60) для синхронизации средства сдвига частоты (25) и средства генерации импульсов (26) для генерирования последовательности импульсов (S1) первого сигнала и последовательность импульсов (S2) второго сигнала. 4. Атомный мазер по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что средство сдвига частоты (25) инжектируемого сигнала содержит программируемый частотный синтезатор. 5. Атомный мазер по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что средство (26, 28) периодической подачи частей первого и второго сигналов выполнено с возможностью выделения частей первого и второго сигналов по меньшей мере на минимальное время установления.