КВАНТОВЫЙ СТАНДАРТ ЧАСТОТЫ НА ГАЗОВОЙ ЯЧЕЙКЕ Российский патент 2012 года по МПК H03L7/26 H01S1/06 

Заявляемое изобретение относится к технике стабилизации частоты и может быть использовано в квантовых стандартах частоты на газовой ячейке с источником света оптической накачки в виде безэлектродной спектральной лампы.

Принцип работы квантового стандарта частоты на газовой ячейке основан на стабилизации частоты подстраиваемого кварцевого генератора относительно спектральной линии, соответствующей определенному квантовому переходу, реализуемому в квантовом дискриминаторе, выполненному на основе газовой ячейки. В обобщенном виде структурная схема квантового стандарта частоты на газовой ячейке представляет собой последовательно соединенные в замкнутое кольцо автоматической подстройки частоты подстраиваемый кварцевый генератор, блок формирования возбуждающего и опорного сигналов, блок квантового дискриминатора и блок автоматической подстройки частоты, опорный вход которого подключен к опорному выходу блока формирования возбуждающего и опорного сигналов, а выход подключен к управляющему входу подстраиваемого кварцевого генератора. Блок квантового дискриминатора содержит расположенные на одной оптической оси источник света оптической накачки, размещенную в СВЧ резонаторе газовую ячейку, наполненную рабочим веществом, например парами рубидия ⁸⁷Rb и буферным газом, и фотодетектор. Выход фотодетектора образует выход блока квантового дискриминатора, соединенный с сигнальным входом блока автоматической подстройки частоты, а радиочастотный вход СВЧ резонатора образует радиочастотный вход блока квантового дискриминатора, соединенный с сигнальным выходом блока формирования возбуждающего и опорного сигналов (выходом сигнала радиочастотного возбуждения).

Среди квантовых стандартов частоты на газовой ячейке большую группу составляют квантовые стандарты частоты, в которых в качестве источника света оптической накачки используется безэлектродная спектральная лампа, см., например, патенты США: [1] - US 4405905, H03L 7/26, 20.09.1983, Fig.1, 2; [2] - US 4661782, H03L 7/26, H01P 7/06, H01S 1/06, 28.04.1987; [3] - US 5491451, H03L 7/26, 13.02.1996; [4] - US 6570455 B2, H03L 7/26, 27.05.2003, Fig.1, 2, 5; [5] - US 6985043 B2, H01S 1/06, 10.01.2006, Fig.1, 9. Безэлектродная спектральная лампа содержит то же рабочее вещество, что и газовая ячейка (в рассматриваемых квантовых стандартах частоты это пары рубидия), и формирует световое излучение на частоте, соответствующей резонансной частоте используемого поглощающего оптического атомного перехода между энергетическими уровнями атомов рабочего вещества газовой ячейки. За счет воздействия этого оптического излучения происходит оптическая накачка рабочего вещества газовой ячейки и создается инверсная разность населенностей между энергетическими уровнями используемого радиочастотного атомного перехода. Резонансная частота СВЧ резонатора, в котором располагается газовая ячейка, соответствует резонансной частоте f₀ используемого радиочастотного атомного перехода с созданной инверсной разностью населенностей, возбуждаемого при взаимодействии с сигналом радиочастотного возбуждения. В совокупности это создает эффект двойного радиооптического резонанса в рабочем веществе газовой ячейки, на котором построена работа рассматриваемых квантовых стандартов частоты с индикацией резонанса по свету оптической накачки, прошедшему через газовую ячейку в фотодетектор.

В процессе работы квантовых стандартов частоты, представленных в [1]÷[5], блок формирования возбуждающего и опорного сигналов формирует из выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора (гармонического сигнала с частотой f₁) модулированный по частоте с частотой низкочастотной модуляции f_нч СВЧ сигнал радиочастотного возбуждения с несущей частотой f₂, номинальное значение которой соответствует резонансной частоте f₀. Формирование сигнала радиочастотного возбуждения осуществляется с использованием опорных сигналов, формируемых в блоке формирования возбуждающего и опорного сигналов. Сигнал радиочастотного возбуждения поступает на радиочастотный вход блока квантового дискриминатора, т.е. на радиочастотный вход СВЧ резонатора, в котором располагается газовая ячейка, рабочее вещество которой находится в состоянии с инверсной разностью населенностей, созданной под воздействием света оптической накачки от безэлектродной спектральной лампы. Сигнал радиочастотного возбуждения резонансно взаимодействует с рабочим веществом газовой ячейки, разрушая инверсную разность населенностей, что проявляется в изменении интенсивности света оптической накачки спектральной лампы, проходящего через газовую ячейку в фотодетектор (эффект двойного радиооптического резонанса). При этом на выходе фотодетектора присутствуют гармоники низкочастотного сигнала, определяемые частотой f_нч модуляции сигнала радиочастотного возбуждения и несущие в своих амплитудах и фазах информацию об отклонении несущей частоты f₂ сигнала радиочастотного возбуждения относительно резонансной частоты f₀. Первая из этих гармоник - полезный выходной сигнал блока квантового дискриминатора - поступает на сигнальный вход блока автоматической подстройки частоты, где обрабатывается в синхронном детекторе с получением сигнала рассогласования. Синхронное детектирование осуществляется относительно опорного сигнала с частотой f_нч, формируемого в блоке формирования возбуждающего и опорного сигналов. Полученный в результате синхронного детектирования сигнал рассогласования далее интегрируется с получением управляющего напряжения для подстраиваемого кварцевого генератора. Под действием управляющего напряжения частота f₁ выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора изменяется в сторону уменьшения сигнала рассогласования, приводя текущее значение частоты f₂ к резонансной частоте f₀. Тем самым осуществляется процесс стабилизации частоты f₁ выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора (выходного сигнала квантового стандарта частоты) в соответствии с резонансной частотой f₀, сопровождающийся уменьшением средневременной и долговременной нестабильности частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора.

Безэлектродная спектральная лампа, служащая в рассматриваемых квантовых стандартах частоты [1]÷[5] источником света оптической накачки, представляет собой стеклянный баллон, например, объемом порядка 1 см³, наполненный тем же рабочим веществом, что и газовая ячейка (например, пары рубидия ⁸⁷Rb), и буферным газом. Спектральная лампа снабжена средствами активного или пассивного термостатирования и находится во взаимодействии с индуктором, осуществляющим подвод высокочастотной энергии к безэлектродной спектральной лампе от автономного высокочастотного генератора. За счет подводимой к индуктору высокочастотной энергии в безэлектродной спектральной лампе создается и поддерживается низкотемпературный плазменный разряд рубидия, излучаемый свет которого используется для оптической накачки и регистрации двойного радиооптического резонанса в газовой ячейке.

Характер светового излучения, создаваемого безэлектродной спектральной лампой, в значительной степени влияет на характеристики стабильности квантового стандарта частоты. Так, в рассматриваемых квантовых стандартах частоты на газовой ячейке, использующих в качестве источника света оптической накачки безэлектродную спектральную лампу, работающую от автономного высокочастотного генератора, имеет место существенная шумовая составляющая в выходном сигнале блока квантового дискриминатора, вызванная флуктуациями интенсивности света оптической накачки (шумами типа фликкера и случайными блужданиями), обусловленными нестабильным характером выходного сигнала автономного высокочастотного генератора. Наличие указанной шумовой составляющей в выходном сигнале блока квантового дискриминатора негативно сказывается на стабильности частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора, т.е. выходного сигнала квантового стандарта частоты. Это явление - влияние качества светового излучения, создаваемого безэлектродной спектральной лампой, на характеристики стабильности выходного сигнала квантового стандарта частоты, - исследовано, в частности, в работах: [6] - С.А.Казанцев, В.И.Хуторщиков / Источник линейчатого спектра на основе высокочастотного разряда // Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский университет, 1995; [7] - О.П.Харчев / Нестабильность частоты стандарта частоты на газовой ячейке, обусловленная флуктуациями света оптической накачки // Радиотехника и электроника, 2004, т.49, №7, с.893-896.

Известен квантовый стандарт частоты на газовой ячейке, представленный в патенте США [8] - US 6300841 B1, H03L 7/26, 09.10.2001, Fig.3, в котором дан пример реализации идеи улучшения характеристик стабильности выходного сигнала квантового стандарта частоты за счет повышения качества светового излучения, создаваемого безэлектродной спектральной лампой. Суть этой идеи заключается в том, что для уменьшения флуктуации света оптической накачки сигнал индукции («drive signal»), осуществляющий подвод высокочастотной энергии к безэлектродной спектральной лампе для возбуждения в ней плазменного разряда, формируют из выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора как наиболее стабильного по частоте и амплитуде среди остальных сигналов квантового стандарта частоты. Этот квантовый стандарт частоты на газовой ячейке принят в качестве прототипа.

Квантовый стандарт частоты на газовой ячейке, принятый в качестве прототипа, содержит последовательно соединенные в замкнутое кольцо автоматической подстройки частоты подстраиваемый кварцевый генератор с номинальным значением частоты выходного сигнала 93,443 МГц, блок формирования возбуждающего и опорного сигналов, блок квантового дискриминатора и блок автоматической подстройки частоты, опорный вход которого подключен к опорному выходу блока формирования возбуждающего и опорного сигналов, а выход подключен к управляющему входу подстраиваемого кварцевого генератора.

Блок квантового дискриминатора содержит расположенные на одной оптической оси рубидиевую безэлектродную спектральную лампу, снабженную индуктором - возбудителем плазменного разряда, выполненным в виде катушки индуктивности, рубидиевую газовую ячейку, размещенную в СВЧ резонаторе, и фотодетектор. Выход фотодетектора образует выход блока квантового дискриминатора, соединенный с сигнальным входом блока автоматической подстройки частоты. Радиочастотный вход СВЧ резонатора образует радиочастотный вход блока квантового дискриминатора, соединенный с сигнальным выходом (выходом сигнала радиочастотного возбуждения) блока формирования возбуждающего и опорного сигналов.

Индуктор безэлектродной спектральной лампы связан через блок формирования сигнала индукции с выходом подстраиваемого кварцевого генератора. Блок формирования сигнала индукции выполнен в виде делителя частоты с номинальным значением частоты выходного сигнала около 50 МГц и мощностью, обеспечивающей начальный «поджиг» и последующее поддержание плазменного разряда в безэлектродной спектральной лампе.

Работа квантового стандарта частоты на газовой ячейке, принятого в качестве прототипа, в части стабилизации частоты подстраиваемого кварцевого генератора происходит аналогично работе аналогов [1]÷[5]. Подстраиваемый кварцевый генератор формирует на своем выходе гармонический сигнал с частотой f₁ с номинальным значением 93,443 МГц. Блок формирования возбуждающего и опорного сигналов формирует из выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора модулированный по частоте с частотой f_нч низкочастотной модуляции (f_нч=155 Гц) СВЧ сигнал радиочастотного возбуждения с несущей частотой f₂, номинальное значение которой соответствует резонансной частоте газовой ячейки f₀=6,834…ГГц. Сигнал радиочастотного возбуждения поступает на радиочастотный вход блока квантового дискриминатора, т.е. на радиочастотный вход СВЧ резонатора, в котором располагается газовая ячейка, рабочее вещество которой находится в состоянии с инверсной разностью населенностей, созданной под воздействием света оптической накачки от безэлектродной спектральной лампы. Сигнал радиочастотного возбуждения резонансно взаимодействует с рабочим веществом газовой ячейки, разрушая инверсную разность населенностей, что проявляется в изменении интенсивности света оптической накачки, проходящего через газовую ячейку в фотодетектор (эффект двойного радиооптического резонанса). При этом на выходе фотодетектора присутствуют гармоники низкочастотного сигнала, определяемые частотой f_нч модуляции сигнала радиочастотного возбуждения и несущие в своих амплитудах и фазах информацию об отклонении несущей частоты f₂ сигнала радиочастотного возбуждения относительно резонансной частоты f₀. Первая из этих гармоник - полезный выходной сигнал блока квантового дискриминатора - поступает на сигнальный вход блока автоматической подстройки частоты, где обрабатывается в синхронном детекторе с получением сигнала рассогласования. Синхронное детектирование осуществляется относительно опорного сигнала с частотой f_нч, формируемого в блоке формирования возбуждающего и опорного сигналов. Полученный в результате синхронного детектирования сигнал рассогласования далее интегрируется с получением управляющего напряжения для подстраиваемого кварцевого генератора. Под действием управляющего напряжения частота f₁ выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора изменяется в сторону уменьшения сигнала рассогласования, приводя текущее значение частоты f₂ к резонансной частоте f₀. Тем самым осуществляется процесс стабилизации частоты f₁ выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора относительно резонансной частоты f₀.

В отличие от аналогов [1]÷[5], использующих автономный высокочастотный генератор для подвода высокочастотной энергии к безэлектродной спектральной лампе, в прототипе сигнал индукции для возбуждения безэлектродной спектральной лампы формируется в блоке формирования сигнала индукции из выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора, при этом частота выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора (93,443 МГц) делится до значения около 50 МГц. Такое формирование сигнала индукции из выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора, являющегося самым стабильным по частоте и амплитуде среди других сигналов квантового стандарта частоты, приводит к определенному уменьшению флуктуации интенсивности света оптической накачки, создаваемого безэлектродной спектральной лампой, что положительно влияет на выходные характеристики квантового стандарта частоты на газовой ячейке.

Однако схема формирования сигнала индукции, используемая в прототипе, не является оптимальной, ее применение приводит к необходимости повышения мощности формируемого сигнала индукции для осуществления «поджига» безэлектродной спектральной лампы, причем эта повышенная мощность сохраняется неизменной в течение всего последующего времени работы безэлектродной спектральной лампы. Это неоправданно повышает энергетическую нагрузку на элементы, участвующие в формировании света оптической накачки, что отрицательно влияет на эксплуатационную надежность и долговечность квантового стандарта частоты в целом.

Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, является создание квантового стандарта частоты на газовой ячейке с безэлектродной спектральной лампой в качестве источника света оптической накачки, в котором обеспечивается уменьшение, по сравнению с прототипом, энергетической нагрузки на элементы, участвующие в формировании света оптической накачки с ослаблением его флуктуаций. Это положительно влияет на эксплуатационные и метрологические характеристики квантового стандарта частоты - надежность, долговечность и стабильность, обуславливая перспективы его практического использования.

Сущность заявляемого изобретения заключается в следующем. Квантовый стандарт частоты на газовой ячейке содержит последовательно соединенные в замкнутое кольцо автоматической подстройки частоты подстраиваемый кварцевый генератор, блок формирования возбуждающего и опорного сигналов, блок квантового дискриминатора и блок автоматической подстройки частоты, опорный вход которого подключен к опорному выходу блока формирования возбуждающего и опорного сигналов, а выход подключен к управляющему входу подстраиваемого кварцевого генератора. Блок квантового дискриминатора содержит расположенные на одной оптической оси безэлектродную спектральную лампу, снабженную индуктором - возбудителем плазменного разряда, газовую ячейку, размещенную в СВЧ резонаторе, и фотодетектор. Индуктор безэлектродной спектральной лампы связан через блок формирования сигнала индукции с выходом подстраиваемого кварцевого генератора, выход фотодетектора, образующий выход блока квантового дискриминатора, соединен с сигнальным входом блока автоматической подстройки частоты, а радиочастотный вход СВЧ резонатора, образующий радиочастотный вход блока квантового дискриминатора, соединен с сигнальным выходом блока формирования возбуждающего и опорного сигналов. В отличие от прототипа, блок формирования сигнала индукции выполнен в виде последовательно соединенных умножителя частоты с номинальной частотой выходного сигнала в диапазоне от 90 МГц до 300 МГц, вход которого, образующий сигнальный вход блока формирования сигнала индукции, соединен с выходом подстраиваемого кварцевого генератора, и управляемого усилителя мощности, нагрузкой которого служит индуктор безэлектродной спектральной лампы, при этом управляющий вход управляемого усилителя мощности, образующий управляющий вход блока формирования сигнала индукции, соединен через спусковое устройство с выходом фотодетектора.

В преимущественном варианте спусковое устройство выполнено в виде последовательно соединенных усилителя постоянного тока и порогового элемента, где вход усилителя постоянного тока образует вход спускового устройства, а выход порогового элемента - выход спускового устройства, а в качестве подстраиваемого кварцевого генератора используется подстраиваемый кварцевый генератор с номинальной частотой выходного сигнала в диапазоне от 4 МГц до 25 МГц.

Сущность изобретения и возможность его осуществления поясняются иллюстративными материалами, представленными на фиг.1-4, где

на фиг.1 представлен пример структурной схемы заявляемого квантового стандарта частоты на газовой ячейке в варианте, когда индуктор безэлектродной спектральной лампы выполнен в виде катушки индуктивности;

на фиг.2 - пример функциональной схемы управляемого усилителя мощности для случая выполнения индуктора безэлектродной спектральной лампы в виде катушки индуктивности;

на фиг.3 - обобщенный график зависимости мощности сигнала индукции P_инд, необходимой для возбуждения плазменного разряда в безэлектродной спектральной лампе, от частоты сигнала индукции f_инд.

на фиг.4 - диаграмма распределения кратковременной нестабильности частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора σ_у(τ=1 с) по группам кварцевых генераторов в зависимости от номинального значения частоты f_1ном.

Заявляемый квантовый стандарт частоты на газовой ячейке (далее - квантовый стандарт частоты) в рассматриваемом примере (фиг.1) содержит последовательно соединенные в замкнутое кольцо автоматической подстройки частоты подстраиваемый кварцевый генератор 1, выход которого образует выход квантового стандарта частоты, блок формирования возбуждающего и опорного сигналов 2, блок квантового дискриминатора 3 и блок автоматической подстройки частоты 4, опорный вход которого подключен к опорному выходу блока формирования возбуждающего и опорного сигналов 2, а выход подключен к управляющему входу подстраиваемого кварцевого генератора 1.

Блок квантового дискриминатора 3 в общем виде содержит расположенные на одной оптической оси безэлектродную спектральную лампу 5, снабженную индуктором 6 - возбудителем плазменного разряда, выполненным в рассматриваемом примере в виде катушки индуктивности, газовую ячейку 7, размещенную в СВЧ резонаторе 8, и фотодетектор 9.

Выход фотодетектора 9, образующий выход блока квантового дискриминатора 3, соединен с сигнальным входом блока автоматической подстройки частоты 4.

Радиочастотный вход СВЧ резонатора 8, образующий радиочастотный вход блока квантового дискриминатора 3, соединен с сигнальным выходом (выходом сигнала радиочастотного возбуждения) блока формирования возбуждающего и опорного сигналов 2.

Индуктор 6 безэлектродной спектральной лампы 5 связан через блок формирования сигнала индукции 10 с выходом подстраиваемого кварцевого генератора 1.

Блок формирования сигнала индукции 10 выполнен в виде последовательно соединенных умножителя частоты 11 с номинальной частотой выходного сигнала в диапазоне от 90 МГц до 300 МГц (например, 200 МГц) и управляемого усилителя мощности 12, нагрузкой которого служит индуктор 6 безэлектродной спектральной лампы 5. При этом вход умножителя частоты 11, образующий сигнальный вход блока формирования сигнала индукции 10, соединен с выходом подстраиваемого кварцевого генератора 1, а управляющий вход управляемого усилителя мощности 12, образующий управляющий вход блока формирования сигнала индукции 10, соединен через спусковое устройство 13 с выходом фотодетектора 9.

Спусковое устройство 13 может быть выполнено в соответствии с п.2 формулы изобретения в виде последовательно соединенных усилителя постоянного тока и порогового элемента, где вход усилителя постоянного тока и выход порогового элемента образуют соответственно вход и выход спускового устройства 13 (на фигурах не показаны).

Управляемый усилитель мощности 12 в рассматриваемом примере содержит, см. фиг.2, транзистор 14, первый 15, второй 16 и третий 17 резисторы, образующие резистивный делитель напряжения, первый конденсатор 18 (проходной конденсатор) и второй конденсатор 19 (фильтрующий конденсатор). Нагрузкой управляемого усилителя мощности 12 служит индуктор 6 безэлектродной спектральной лампы 5, представляющий в рассматриваемом случае катушку индуктивности. Первый вывод первого конденсатора 18 подключен к базе транзистора 14, а второй его вывод образует сигнальный вход управляемого усилителя мощности 12, соединенный с выходом умножителя частоты 11. С базой транзистора 14 также соединен первый вывод первого резистора 15, второй вывод которого соединен с первыми выводами второго 16 и третьего 17 резисторов. Второй вывод второго резистора 16 подключен к эмиттеру транзистора 14, соединенному с общей шиной 20, а второй вывод третьего резистора 17 образует управляющий вход управляемого усилителя мощности 12, соединенный с выходом спускового устройства 13. Коллектор транзистора 14 через индуктор 6 соединен с шиной питания 21. С шиной питания 21 также соединен первый вывод второго конденсатора 19, второй вывод которого соединен с общей шиной 20.

Управляемый усилитель мощности 12 работает в двух режимах - пусковом и рабочем, которые характеризуются соответственно перенапряженным и недонапряженным состоянием транзистора 14 (используемая здесь терминология и подробное описание указанных состояний применительно к мощному высокочастотному транзистору даны, в частности, в книге [9] - Мощные высокочастотные транзисторы / Ю.В.Завражнов, И.И.Каганова, Е.З.Мазель и др.; под ред. Е.З.Мазеля // М., Радио и связь, 1985, с.133-137).

Работа управляемого усилителя мощности 12 в первом (пусковом) режиме осуществляется при наличии управляющего сигнала определенного уровня, поступающего на управляющий вход управляемого усилителя мощности 12 с выхода спускового устройства 13 и обеспечивающего необходимое для работы в перенапряженном режиме смещение на базе транзистора 14. Второй (рабочий) режим реализуется при отсутствии управляющего сигнала (нулевом уровне управляющего сигнала). В первом режиме работы осуществляется передача высокочастотной энергии повышенного уровня на индуктор 6, что необходимо для осуществления начального «поджига» безэлектродной спектральной лампы 5. Во втором режиме высокочастотная энергия, передаваемая на индуктор 6, снижается до уровня, необходимого и достаточного для поддержания плазменного разряда в безэлектродной спектральной лампе 5.

Первый режим реализуется на начальном этапе работы квантового стандарта частоты, когда безэлектродная спектральная лампа 5 еще не излучает свет и на выходе фотодетектора 9 отсутствует сигнал засветки. В этих условиях на выходе спускового устройства 13 (на выходе его порогового элемента) формируется определенного уровня управляющий сигнал, поступающий через резистивный делитель, образованный резисторами 15,16 и 17, на базу транзистора 14, обеспечивая его работу в перенапряженном режиме по усилению высокочастотного сигнала, поступающего с выхода умножителя частоты 11.

По мере прогрева безэлектродной спектральной лампы 5 и возникновения свечения (сначала буферного газа, затем рабочего вещества) на выходе фотодетектора 9 появляется сигнал засветки, который поступает на вход спускового устройства 13, где усиливается с помощью усилителя постоянного тока. При достижении выходным сигналом усилителя постоянного тока определенного порогового уровня на выходе порогового элемента устанавливается нулевой уровень управляющего сигнала, под действием которого транзистор 14 переходит в недонапряженный режим работы, характеризующийся большей экономичностью. В этом режиме обеспечивается уменьшенный уровень передачи высокочастотной энергии в индуктор 6, при котором осуществляется вся последующая работа квантового стандарта частоты по стабилизации частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора 1.

В обоих режимах работы частота формируемого сигнала индукции определяется частотой выходного сигнала умножителя частоты 11, выбираемой в диапазоне частот от 90 МГц до 300 МГц, например 200 МГц. Выбор частоты в этом диапазоне обусловлен следующим. Как показали исследования, проведенные авторами заявляемого изобретения, мощность сигнала индукции (P_инд), необходимая для возбуждения плазменного разряда в безэлектродной спектральной лампе 5, зависит от его частоты (f_инд). Характер этой зависимости имеет вид ниспадающей кривой с крутым начальным участком и пологим окончанием, как это показано на фиг.3. Начало пологого участка соответствует частоте сигнала индукции f_инд≈90 МГц, которая является нижней границей указанного диапазона частот. Верхняя граница (300 МГц) этого диапазона частот определяется исходя из физических ограничений на возможность конструктивной реализации управляемого усилителя мощности 12 с индуктором 6. Как следует из графика, представленного на фиг.3, выбор частоты сигнала индукции в этом диапазоне частот (90-300 МГц) позволяет снизить уровень мощности, необходимой для возбуждения плазменного разряда в безэлектродной спектральной лампе 5. Это уменьшение по сравнению с прототипом, при прочих равных условиях, составляет от полутора до пяти раз в зависимости от выбранной частоты сигнала индукции (например, для частоты 200 МГц - в три раза), что весьма существенно.

Рассмотренные факторы (выбор частоты в указанном диапазоне и управление мощностью сигнала индукции в зависимости от состояния безэлектродной спектральной лампы 5), улучшающие сигнал индукции, позволяют уменьшить энергетическую нагрузку на элементы, участвующие в формировании света оптической накачки, увеличивают ресурс работы безэлектродной спектральной лампы 5 и управляемого усилителя мощности 12. Это положительно сказывается на эксплуатационных характеристиках квантового стандарта частоты - повышении его надежности и долговечности.

Это же справедливо и для случая выполнения индуктора безэлектродной спектральной лампы 5 в виде конструктивного конденсатора (на фиг.1, 2 не показано).

Дополнительным фактором, улучшающим качество формируемого сигнала индукции и соответственно качество светового излучения, создаваемого безэлектродной спектральной лампой 5, является выбор подстраиваемого кварцевого генератора 1 с номинальной частотой выходного сигнала в диапазоне от 4 МГц до 25 МГц в соответствии с п.3 формулы изобретения.

Дело в том, что кратковременная нестабильность частоты выходного сигнала квантового стандарта частоты, оцениваемая девиацией Аллана σ_у(τ=1 с) при длительности времени измерения τ, равной одной секунде, определяется параметрами кратковременной нестабильности частоты подстраиваемого кварцевого генератора 1 и практически не зависит от работы кольца автоматической подстройки частоты, уменьшающего средневременную и долговременную нестабильности частоты выходного сигнала квантового стандарта частоты. Эта кратковременная нестабильность частоты σ_у(τ=1 с) прямо определяет нестабильность частоты выходного сигнала умножителя частоты 11 и соответственно частоты сигнала индукции, влияя на его качество. Поэтому для формирования качественного сигнала индукции важен выбор подстраиваемого кварцевого генератора 1 с наилучшими характеристиками кратковременной нестабильности частоты выходного сигнала. При таком выборе имеет место улучшение средневременной и долговременной нестабильностей частоты выходного сигнала квантового стандарта частоты. Учитывая при этом однозначную зависимость спектральной плотности частотных флуктуации формируемого сигнала индукции от нестабильности частоты выходного сигнала квантового стандарта частоты (выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора 1), можно утверждать, что в установившемся рабочем состоянии возбуждение плазменного разряда в безэлектродной спектральной лампе 5 будет осуществляться сигналом индукции с уменьшенным (до потенциального минимума) уровнем частотных и амплитудных флуктуаций (в том числе флуктуаций типа фликкера и случайных блужданий), что будет приводить к соответствующему уменьшению вклада флуктуации света оптической накачки и оптического детектирования в уровень шума квантового дискриминатора 3 и нестабильность частоты квантового стандарта частоты.

Как показали исследования, проведенные авторами заявляемого изобретения, у реальных, изготавливаемых промышленностью подстраиваемых кварцевых генераторов имеет место зависимость величины кратковременной нестабильности частоты выходного сигнала от номинального значения частоты, что обусловлено добротностью их кварцевых резонаторов, причем чем выше эта частота, тем больше кратковременная нестабильность. Характер распределения кратковременной нестабильности частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора σ_у(τ=1 с) по трем группам кварцевых генераторов в зависимости от номинального значения частоты f_1ном проиллюстрирован на диаграмме, представленной на фиг.4, выполненной на основе анализа прецизионных кварцевых генераторов, изготавливаемых ОАО «Морион» (Россия). Из этой диаграммы видно, что при выборе подстраиваемого кварцевого генератора 1 из первой группы кварцевых генераторов с номинальной частотой выходного сигнала в диапазоне частот 4-25 МГц, например 5 МГц, имеет место уменьшение, более чем на порядок, величины кратковременной нестабильности частоты, по сравнению с прототипом, относящимся к третьей группе по используемому кварцевому генератору (93,443 МГц).

Такой выбор подстраиваемого кварцевого генератора 1 с наилучшими характеристиками кратковременной нестабильности частоты выходного сигнала позволяет улучшить условия формирования сигнала индукции и в итоге получить снижение до потенциального минимума флуктуаций интенсивности света оптической накачки. Это приводит к улучшению соотношения сигнал/шум на выходе блока квантового дискриминатора 3 и соответственно к уменьшению средневременной и долговременной нестабильности частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора 1 и всего квантового стандарта частоты.

В остальном работа заявляемого квантового стандарта частоты по стабилизации частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора 1 происходит стандартным образом аналогично прототипу. В блоке квантового дискриминатора 3 происходит непрерывная оптическая накачка рабочего вещества газовой ячейки 7 светом безэлектродной спектральной лампы 5, содержащей то же, что и газовая ячейка 7, рабочее вещество, например пары рубидия ⁸⁷Rb. Подстраиваемый кварцевый генератор 1 формирует на своем выходе гармонический сигнал с частотой f₁ с номинальным значением в диапазоне от 4 МГц до 25 МГц, например 5 МГц. Блок формирования возбуждающего и опорного сигналов 2 формирует из выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора 1 модулированный по частоте с частотой f_нч низкочастотной модуляции (например, f_нч=30 Гц) гармонический СВЧ сигнал радиочастотного возбуждения с несущей частотой f₂, номинальное значение которой соответствует резонансной частоте f₀ газовой ячейки 7 (f₀=6,834…ГГц). Сигнал радиочастотного возбуждения поступает на радиочастотный вход блока квантового дискриминатора 3, т.е. на радиочастотный вход СВЧ резонатора 8, в котором располагается газовая ячейка 7, рабочее вещество которой находится в состоянии с инверсной разностью населенностей, созданной под воздействием света оптической накачки от безэлектродной спектральной лампы 5. Сигнал радиочастотного возбуждения резонансно взаимодействует с рабочим веществом газовой ячейки 7, разрушая инверсную разность населенностей, что проявляется в изменении интенсивности света оптической накачки, проходящего через газовую ячейку 7 в фотодетектор 9. При этом на выходе фотодетектора 9 присутствуют гармоники низкочастотного сигнала, определяемые частотой f_нч модуляции сигнала радиочастотного возбуждения и несущие в своих амплитудах и фазах информацию об отклонении несущей частоты f₂ сигнала радиочастотного возбуждения относительно резонансной частоты f₀. Первая из этих гармоник - полезный выходной сигнал блока квантового дискриминатора 3 - поступает на сигнальный вход блока автоматической подстройки частоты 4, где обрабатывается в синхронном детекторе с получением сигнала рассогласования. Синхронное детектирование осуществляется относительно опорного сигнала с частотой f_нч, формируемого в блоке формирования возбуждающего и опорного сигналов 2. Полученный в результате синхронного детектирования сигнал рассогласования далее интегрируется с получением управляющего напряжения для подстраиваемого кварцевого генератора 1. Под действием управляющего напряжения частота f₁ выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора 1, определяющая частоту выходного сигнала квантового стандарта частоты, изменяется в сторону уменьшения сигнала рассогласования, осуществляя тем самым стабилизацию частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора 1 (т.е. выходного сигнала квантового стандарта частоты) относительно резонансной частоты f₀.

Рассмотренное показывает, что заявляемое изобретение осуществимо и обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в создании квантового стандарта частоты на газовой ячейке с безэлектродной спектральной лампой в качестве источника света оптической накачки, в котором за счет улучшения формирования сигнала индукции обеспечивается уменьшение энергетической нагрузки на элементы, участвующие в формировании света оптической накачки, что положительно влияет на эксплуатационные характеристики квантового стандарта частоты. Одновременно с улучшением эксплуатационных характеристик в заявляемом квантовом стандарте частоты обеспечивается достижение потенциального минимума флуктуаций интенсивности формируемого света оптической накачки с ослаблением флуктуации типа фликкера и случайных блужданий, что положительно сказывается на характеристиках стабильности выходного сигнала квантового стандарта частоты, т.е. на метрологических характеристиках. Все это, а также получаемая улучшенная воспроизводимость метрологических характеристик от образца к образцу делает заявляемый квантовый стандарт частоты перспективным для широкого практического применения.

Источники информации

1. US 4405905, H03L 7/26, опубл. 20.09.1983.

2. US 4661782, H03L 7/26, H01P 7/06, H01S 1/06, опубл. 28.04.1987.

3. US 5491451, H03L 7/26, опубл. 13.02.1996.

4. US 6570455 B2, H03L 7/26, опубл. 27.05.2003.

5. US 6985043 B2, H01S 1/06, опубл. 10.01.2006.

6. С.А.Казанцев, В.И.Хуторщиков / Источник линейчатого спектра на основе высокочастотного разряда // Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский университет, 1995.

7. О.П.Харчев / Нестабильность частоты стандарта частоты на газовой ячейке, обусловленная флуктуациями света оптической накачки // Радиотехника и электроника, 2004, т.49, №7, с.893 - 896.

8. US 6300841 B1, H03L 7/26, опубл. 09.10.2001.

9. Мощные высокочастотные транзисторы / Ю.В.Завражнов, И.И.Каганова, Е.З.Мазель и др.; под ред. Е.З.Мазеля // М., Радио и связь, 1985, с.133-137.

Изобретение относится к технике стабилизации частоты и может быть использовано в квантовых стандартах частоты на газовой ячейке с источником света оптической накачки в виде безэлектродной спектральной лампы. Достигаемый технический результат - создание более надежного и экономичного квантового стандарта частоты на газовой ячейке с уменьшенными флуктуациями интенсивности света оптической накачки. Устройство содержит соединенные в замкнутое кольцо автоматической подстройки частоты подстраиваемый кварцевый генератор, блок формирования возбуждающего и опорного сигналов, блок квантового дискриминатора и блок автоматической подстройки частоты, спусковое устройство, блок квантового дискриминатора содержит расположенные на одной оптической оси безэлектродную спектральную лампу, снабженную индуктором - возбудителем плазменного разряда, газовую ячейку, размещенную в СВЧ резонаторе, радиочастотный вход которого соединен с сигнальным выходом блока формирования возбуждающего и опорного сигналов, и фотодетектор, устройство также содержит индуктор безэлектродной спектральной лампы, блок формирования сигнала индукции, который выполнен в виде последовательно соединенных умножителя частоты с номинальной частотой выходного сигнала в диапазоне от 90 МГц до 300 МГц и управляемого усилителя мощности. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Квантовый стандарт частоты на газовой ячейке, содержащий последовательно соединенные в замкнутое кольцо автоматической подстройки частоты подстраиваемый кварцевый генератор, блок формирования возбуждающего и опорного сигналов, блок квантового дискриминатора и блок автоматической подстройки частоты, опорный вход которого подключен к опорному выходу блока формирования возбуждающего и опорного сигналов, а выход подключен к управляющему входу подстраиваемого кварцевого генератора, при этом блок квантового дискриминатора содержит расположенные на одной оптической оси безэлектродную спектральную лампу, снабженную индуктором-возбудителем плазменного разряда, газовую ячейку, размещенную в СВЧ резонаторе, и фотодетектор, индуктор безэлектродной спектральной лампы связан через блок формирования сигнала индукции с выходом подстраиваемого кварцевого генератора, выход фотодетектора, образующий выход блока квантового дискриминатора, соединен с сигнальным входом блока автоматической подстройки частоты, а радиочастотный вход СВЧ резонатора, образующий радиочастотный вход блока квантового дискриминатора, соединен с сигнальным выходом блока формирования возбуждающего и опорного сигналов, отличающийся тем, что блок формирования сигнала индукции выполнен в виде последовательно соединенных умножителя частоты с номинальной частотой выходного сигнала в диапазоне от 90 МГц до 300 МГц, вход которого, образующий сигнальный вход блока формирования сигнала индукции, соединен с выходом подстраиваемого кварцевого генератора, и управляемого усилителя мощности, нагрузкой которого служит индуктор безэлектродной спектральной лампы, при этом управляющий вход управляемого усилителя мощности, образующий управляющий вход блока формирования сигнала индукции, соединен через спусковое устройство с выходом фотодетектора.

2. Квантовый стандарт частоты по п.1, отличающийся тем, что спусковое устройство выполнено в виде последовательно соединенных усилителя постоянного тока и порогового элемента, где вход усилителя постоянного тока образует вход спускового устройства, а выход порогового элемента - выход спускового устройства.

3. Квантовый стандарт частоты по п.1, отличающийся тем, что в качестве подстраиваемого кварцевого генератора используется подстраиваемый кварцевый генератор с номинальной частотой выходного сигнала в диапазоне от 4 МГц до 25 МГц.