АТОМНЫЙ СТАНДАРТ ЧАСТОТЫ Российский патент 2001 года по МПК H01S1/06 

Данное изобретение относится к атомным стандартам частоты, в частности к атомным стандартам частоты, содержащим объемный резонатор со средой, способной к вынужденному излучению. Изобретение может быть использовано в активных водородных мазерах, поэтому представляется удобным последующее раскрытие сути изобретения проиллюстрировать на примере данного типа устройств. Тем не менее, следует иметь в виду, что изобретение не ограничивается только данным типом устройств. В частности, изобретение применимо ко всем активным стандартам частоты, в которых вынужденное излучение атомарной среды является самоподдерживающимся, а также ко всем пассивным стандартам частоты, которым необходимо внешнее возбуждение.

Мазеры на атомах водорода, известные до настоящего времени, обычно включают в себя накопительную колбу, которую устанавливают или закрепляют с помощью стержней в центре цилиндрического объемного резонатора таким образом, чтобы максимизировать напряженность магнитного поля в непосредственной близости от активной среды в колбе. Эти стержни простираются от стенок объемного резонатора до накопительной колбы. Накопительная колба и крепежные стержни изготовлены из кварца, имеющего низкие электрические потери, и поэтому существенно не ухудшают коэффициент добротности резонатора.

Кроме того, внутренняя поверхность накопительной колбы покрыта полифтороэтиленом. Это покрытие допускает многократные столкновения атомов водорода или другой активной среды в накопительной колбе со стенками последней без существенного нарушения частоты колебаний атомов. Для дальнейшего снижения электрических потерь в микроволновом резонаторе его внутренняя поверхность покрыта слоем металла типа серебра или алюминия.

Другой известный тип мазера включает в себя накопительную колбу, изготовленную из сапфира и закрепленную в центре алюминиевого объемного резонатора. Накопительная колба содержит монокристаллический сапфировый цилиндр, закрытый с обоих концов сапфировыми крышками. В этом типе мазеров накопительная колба изготовлена из сапфира, так как этот материал имеет чрезвычайно высокую диэлектрическую проницаемость, что обеспечивает еще более низкий уровень электрических потерь, чем это возможно для кварца.

Каждая крышка состоит из пластинки, закрывающей одно из двух отверстий цилиндра, а каждая пластинка имеет множество выступов на поверхности, внешней по отношению к цилиндру. Эти выступы составляют единое целое с пластинкой и расположены поперечно пластинке в сторону от сапфирового цилиндра таким образом, чтобы при сборке мазера закрепить накопительную колбу в центре объемного резонатора, вдали от его стенок. Сапфировый цилиндр и сапфировые крышки удерживаются в фиксированном положении, во-первых, за счет сжатия, оказываемого стенками объемного резонатора при сборке мазера, во-вторых, посредством связи сапфир-сапфир между соприкасающимися частями цилиндра и крышек. Получаемая таким образом накопительная колба однородной структуры и состава, закрепленная в центре объемного резонатора, имеет чрезвычайно низкие электрические потери.

Тем не менее, эти известные типы мазеров имеют относительно большой объем, что нежелательно во многих ситуациях, особенно для мазеров, предназначенных для использования в спутниках или других космических объектах.

Кроме того, такие мазеры подвержены механической неустойчивости. В частности, для того, чтобы свести к минимуму ухудшение коэффициента добротности резонатора, в каждом мазере можно использовать всего несколько крепежных стержней или выступов между накопительной колбой и стенками объемного резонатора. Однако это приводит к определенной структурной хрупкости, что нежелательно в применениях, связанных с механическими толчками, например в космических мазерах.

Задачей изобретения является создание атомного стандарта частоты, который преодолевает или уменьшает недостатки ранее известных устройств.

Кроме того, задачей изобретения является обеспечение простоты конструкции атомного стандарта частоты.

Для достижения этого результата в данном изобретении предлагается конструкция, состоящая из камеры, которая образует объемный резонатор и накопительную колбу для хранения среды, способной к вынужденному излучению, причем накопительная колба содержит сапфировый цилиндр, открытый с обоих концов, и две крышки для закрытия концов упомянутого цилиндра, причем крышки изготовлены из титана, их внутренние поверхности покрыты полифторэтиленом и по меньшей мере одна из крышек является частью вышеупомянутой камеры.

Благодаря данной совокупности признаков в предложенном мазере обеспечивается конструкционная жесткость и оптимальные размеры объемного резонатора и накопительной колбы.

Ниже более детально описываются принципы и различные свойства атомного стандарта частоты, соответствующего изобретению. Для пояснения сущности изобретения в описании приводятся ссылки на чертежи, на которых изобретение иллюстрируется в предпочтительном варианте. Следует иметь в виду, что данное изобретение не ограничивается вариантом, представленным на чертежах, где показано следующее:
фиг. 1 - схематичное представление, иллюстрирующее принципы работы атомного стандарта частоты, соответствующего изобретению, и
фиг. 2 - поперечный разрез одного из вариантов накопительной колбы и микроволнового резонатора, входящих в состав атомного стандарта частоты на фиг. 1.

Далее, со ссылкой на фиг. 1, описываются принципы работы одного из атомных мазеров в соответствии с данным изобретением. В частности, на фиг. 1 показан мазер 1 на атомах водорода, содержащий источник 2 среды, способной к вынужденному излучению, селектор состояния 3, объемный резонатор 4, катушку 5, два магнитных экрана 6 и 7, накопительную колбу 8 и связанную с ними управляющую электрическую схему 9. Элементы 2 - 7 мазера 1 на атомах водорода заключены в вакуумную камеру 10.

Источник пучка 2 представляет собой радиочастотный газовый разряд в молекулярном водороде, который вырабатывает атомарный водород с высокой производительностью. Пучок атомарного водорода поступает из источника 2 через один или несколько каналов в вакуумную камеру 10. Пучок атомарного водорода пересекает магнит селектирующей системы 3 и входит в накопительную колбу 8 в СВЧ-резонаторе 4. Селектор 3 удаляет (путем отклонения) атомы водорода, находящиеся в более низком энергетическом состоянии (F = 0, m_f = 0), и сводит атомы водорода, находящиеся в более высоком энергетическом состоянии (F = 1, m_f = 0), по направлению к отверстию накопительной колбы 8. Эта колба 8 расположена в центре цилиндрического микроволнового резонатора, настроенного на частоту сверхтонкого перехода в атомах водорода.

Соединение между управляющей электрической схемой 9 и объемным резонатором 4 выполнено для того, чтобы последний мог настраиваться на собственную частоту вынужденного излучения атомов водорода в колбе.

На фиг. 2 показан пример накопительной колбы 4 и микроволнового резонатора 8, пригодных для использования с атомным стандартом частоты, изображенным на фиг. 1.

Накопительная колба 8, показанная на фиг. 2, содержит сапфировый цилиндр 70, изготовленный предпочтительно из монокристаллического сапфира. Сапфировый цилиндр 70 имеет отверстия на обоих концах своей продольной оси. Эти отверстия закрываются посредством крышек, обозначенных 71 и 72 соответственно.

Крышки изготовлены (по меньшей мере преимущественно) из титана, который является легким, но чрезвычайно жестким материалом, и поэтому хорошо подходит для применения там, где эти качества являются важными, например в космических мазерах.

Кроме того, каждая крышка 71 и 72 имеет слой из полифторэтилена 73 и 74 соответственно, нанесенный на их внутренние поверхности, что допускает многократные столкновения атомов водорода, накапливающихся в колбе 8, со стенками последней, без существенного нарушения колебаний атомов. Аналогичное покрытие нанесено на внутреннюю сторону сапфирового цилиндра 70 с той же целью.

Как видно из фиг. 2, объемный резонатор 4 ограничен камерой 76, которая частично образована двумя крышками 71 и 72. Более детально, камера 76 включает в себя цилиндрический корпус 75, закрытый с обоих концов торцевыми стенками, и две крышки 71 и 72. В этом варианте крышка 71 составляет часть торцевой стенки камеры 76; в то время как крышка 72 полностью составляет другую торцевую стенку камеры 76.

Эта конструкция позволяет значительно уменьшить размеры и улучшить конструкционную прочность объемного резонатора по сравнению с ранее известными устройствами, так как накопительную колбу теперь не устанавливают в центре объемного резонатора отдельно от камеры, а фактически она составляет часть камеры, ограничивающей полость.

Известно, что магнитное поле, генерируемое в объемном резонаторе, равно нулю на его стенках и имеет максимум в центре полости. Поэтому при конструировании мазеров существовало предубеждение, что следует любой ценой избегать расположения накопительной колбы у стенок объемного резонатора, чтобы не допустить амплитудной модуляции магнитного поля атомами водорода в накопительной колбе. Предполагалось, что подобная модуляция может оказывать неблагоприятное воздействие на сигнал микроволнового диапазона в резонаторе.

Кроме того, при конструировании мазеров существовало предубеждение, что накопительную колбу следует изготавливать полностью из одного материала, такого, как кварц или сапфир. Предполагалось, что использование однородного материала необходимо для того, чтобы избежать любого нарушения ориентации атомов водорода в колбе, и что подобная дезориентация может приводить к потере фазы колебаний атомами водорода, также создавая неблагоприятные воздействия на сигнал микроволнового диапазона в резонаторе.

Изобретателями было установлено, что линия спектра вынужденного излучения из среды, содержащейся в объемном резонаторе, не подвергается неблагоприятному влиянию, связанному с конструкцией, показанной на фиг. 2, когда накопительная колба и крышки составляют часть камеры, ограничивающей резонатор. Неожиданным оказался также факт, установленный изобретателями, что полифторэтиленовое покрытие на внутренней поверхности крышек препятствует воздействию атомов водорода в накопительной колбе на материал крышек и что сапфировый цилиндр самостоятельно, в основном, определяет диэлектрические характеристики накопительной колбы. Таким образом, конструкция, показанная на фиг. 2, обеспечивает преимущества в конструктивных и пространственных характеристиках без ухудшения качества сигнала мазера.

Желательно, чтобы крышки 71 и 72 крепились к сапфировому цилиндру 70 посредством одного или нескольких диффузионных соединений на основе алюминия. Подобные соединения были ранее разработаны для крепления оптически прозрачных материалов к металлическим корпусам, чтобы соединить два различных материала, один из которых хрупкий. Такого рода соединения образуются в результате термической диффузии алюминия в поверхностные слои двух различных материалов. Два материала подвергаются совместному сжатию при повышенной температуре в вакууме. Образованное диффузией алюминия соединение сапфира с титаном особенно предпочтительно при осуществлении данного изобретения из-за очень близких значений коэффициентов теплового расширения обоих материалов.

Предпочтительно, чтобы цилиндрический корпус изготавливался преимущественно из титана для того, чтобы камера 76 состояла из однородных элементов (т. е. цилиндрического корпуса 75 и крышек 71 и 72), имеющих одинаковые электромагнитные свойства.

Как следует из фиг. 2, конструкционная жесткость накопительной колбы 8 и камеры 76 усиливается благодаря тому факту, что крышка 72 выходит за границы сапфирового цилиндра 70 так, чтобы полностью составлять одну из торцевых стенок камеры 76. Такая компоновка, во-первых, упрощает конструкцию мазера за счет ограничения числа элементов, необходимых для создания объемного резонатора и накопительной колбы, и, во-вторых, повышает механическую прочность мазеpa за счет ограничения числа необходимых соединений между различными элементами, составляющими объемный резонатор и накопительную колбу.

Цилиндрический корпус 75 может быть съемно прикреплен к одной из крышек, как в случае крышки 72 на фиг. 2, которая выходит за границы сапфирового цилиндра 70. В данном примере для надежного соединения этих двух элементов используются титановые болты 77 и 78.

В заключение следует отметить, что различные изменения и/или добавления могут быть сделаны в заявленном устройстве без изменения сущности настоящего изобретения, определяемой формулой изобретения.

Например, в то время как в объемном резонаторе, показанном на фиг. 2, обе крышки 71 и 72 образуют по меньшей мере часть торцевой стенки камеры 76, ясно, что для уменьшения размеров мазера необходима только одна крышка, составляющая часть стенки.

Изобретение относится к атомным стандартам частоты. Атомный мазер содержит образованную стенками камеру, заключающую в себе объемный резонатор и накопительную колбу для накопления среды, способной к вынужденному излучению. Накопительная колба включает в себя сапфировый цилиндр, открытый с обоих торцов, и две крышки для закрытия торцов упомянутого цилиндра. Крышки изготовлены из титана и имеют покрытия из полифторэтилена, выполненные на их внутренних поверхностях. По крайней мере одна из крышек является частью камеры. Технический результат изобретения: обеспечение конструкционной жесткости и оптимальных размеров резонатора и накопительной колбы. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Атомный мазер, содержащий образованную стенками камеру (76), заключающую в себе объемный резонатор (4) и накопительную колбу (8) для накопления среды, способной к вынужденному излучению, причем накопительная колба содержит сапфировый цилиндр (70), открытый с обоих торцов, и две крышки (71, 72) для закрытия торцов упомянутого цилиндра, отличающийся тем, что крышки (71, 72) изготовлены преимущественно из титана и имеют покрытие (73, 74) из полифторэтилена, образованное на их внутренних поверхностях, причем по меньшей мере одна из упомянутых крышек (71, 72) является частью вышеуказанной камеры. 2. Атомный мазер по п.1, отличающийся тем, что крышки (71, 72) скреплены с сапфировым цилиндром (70) посредством одного или нескольких алюминиевых диффузионных соединений. 3. Атомный мазер по п.1 или 2, отличающийся тем, что камера (76) изготовлена преимущественно из титана. 4. Атомный мазер по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что камера (76) образует цилиндрический корпус (75), закрытый с обоих концов торцевыми стенками, причем по меньшей мере одна из упомянутых крышек (71, 72) составляет по меньшей мере часть одной из вышеуказанных торцевых стенок. 5. Атомный мазер по п.4, отличающийся тем, что одна или более из крышек (71, 72) выступает за пределы сапфирового цилиндра (70), образуя при этом по меньшей мере одну из вышеуказанных торцевых стенок. 6. Атомный мазер по п.5, отличающийся тем, что цилиндрический корпус (75) съемно закреплен к упомянутой крышке (72), выходящей за границы вышеуказанного сапфирового цилиндра (70).