РУБИДИЕВАЯ ЯЧЕЙКА ПОГЛОЩЕНИЯ Российский патент 2012 года по МПК H01S1/06 

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано в пассивных квантовых мерах частоты на парах рубидия, например, радиоспектроскопах, магнитометрах, квантовых стандартах частоты, использующих в качестве высокостабильного частотного эталона квантовый дискриминатор с рубидиевой ячейкой поглощения.

В обобщенном виде квантовый дискриминатор с рубидиевой ячейкой поглощения содержит расположенные на одной оптической оси источник света оптической накачки, размещенную в СВЧ резонаторе рубидиевую ячейку поглощения (далее ячейка поглощения) и фотодетектор, см., например [1] - А.И.Пихтелев, А.А.Ульянов, Б.П.Фатеев и др. Стандарты частоты и времени на основе квантовых генераторов и дискриминаторов // М., Сов. радио, 1978, с.100-101, рис.4.1. Свет, создаваемый источником света оптической накачки, поглощается парами рубидия ⁸⁷Rb в ячейке поглощения, в результате чего увеличивается населенность верхнего уровня F=2 основного состояния атомов рубидия за счет атомов нижнего уровня F=1. Под воздействием на эти уровни СВЧ поля, возбуждаемого в СВЧ резонаторе внешним СВЧ сигналом, происходит обратный процесс увеличения числа атомов нижнего уровня F=1 за счет атомов верхнего уровня F=2. Вероятность перехода атомов из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией (т.е. со второго уровня на первый) под действием СВЧ поля зависит от расстройки между частотой возбуждающего СВЧ сигнала и частотой рабочего атомного перехода. При совпадении этих частот вероятность перехода атомов со второго уровня на первый максимальна, следовательно, максимально и поглощение света в ячейке. По изменению интенсивности света, прошедшего через ячейку поглощения, можно индицировать атомный резонанс и по нему контролировать частоту внешнего СВЧ сигнала. Изменение интенсивности света индицируется с помощью фотодетектора, ток которого является функцией частотной расстройки СВЧ поля относительно частоты рабочего атомного перехода.

На данном явлении построен, в частности, пассивный рубидиевый квантовый стандарт частоты, представляющий собой систему частотной автоподстройки кварцевого генератора, в которой квантовый дискриминатор выполняет функцию высокоточного, высокостабильного и высокодобротного резонансного контура, формирующего сигнал ошибки, который характеризует отклонение частоты возбуждающего СВЧ сигнала, формируемого из сигнала кварцевого генератора, относительно частоты рабочего атомного перехода рубидия ⁸⁷Rb, что позволяет использовать сформированный сигнал ошибки для управления частотой кварцевого генератора.

Точностные характеристики такого пассивного рубидиевого квантового стандарта частоты в значительной степени определяются свойствами квантового дискриминатора. В свою очередь, точностные характеристики квантового дискриминатора зависят от характеристик примененной ячейки поглощения - временной и температурной стабильности частоты рабочего атомного перехода и ширины (добротности) спектральной линии этого перехода. В рассматриваемых целях обычно используется спектральная линия 0-0 перехода между подуровнями сверхтонкой структуры основного состояния атомов рубидия ⁸⁷Rb:F=2, m_F1=0↔F=1, m_F2=0, где F - квантовое число полного момента атома, m_F1 и m_F2 - магнитные квантовые числа.

Конструктивно ячейка поглощения представляет собой стеклянный герметично запаянный баллон с откачанным воздухом (до 10^-6 мм рт.ст.) и наполненный несколькими миллиграммами щелочного металла - рубидием ⁸⁷Rb, присутствующим во внутреннем пространстве ячейки поглощения в виде паров. Внутренний объем ячейки поглощения имеет величину от одного до нескольких десятков кубических сантиметров. В качестве материала баллона ячейки поглощения используются кварцевые или молибденовые стекла, наиболее устойчивые к взаимодействию с химически активными атомами рубидия.

Ячейка поглощения, наполненная одним рубидием, характеризуется расширенной спектральной линией рабочего атомного перехода (порядка нескольких килогерц), что обусловлено релаксационными процессами, вызванными разного рода столкновениями атомов рубидия, в том числе со стенками баллона ячейки. Это является основным недостатком такой ячейки поглощения, препятствующим ее широкому практическому использованию в квантовых мерах частоты.

Для уменьшения релаксационных процессов и получения в результате более узкой спектральной линии рабочего атомного перехода во внутреннее пространство ячеек поглощения дополнительно вводят буферный газ, обычно это азот (N₂), неон (Ne), аргон (Ar), криптон (Kr), ксенон (Xe) или метан (CH₄). Примеры использования ячеек поглощения с однокомпонентным буферным газом представлены, в частности, в патентах: [2] - US 5387881, H01S 1/06, H03B 17/00, H03L 7/26, 07.02.1995, Fig.1 (используется азот); [3] - US 5657340, H01S 3/09, H01S 1/06, H01S 1/00, 12.08.1997 (используется неон, аргон, криптон или ксенон).

Однако применение однокомпонентного буферного газа приводит к увеличению температурной зависимости частоты рабочего атомного перехода в ячейке поглощения, т.е. к увеличению температурного коэффициента частоты (ТКЧ), определяемого как ТКЧ=Δf₀/ΔТ, где Δf₀ и ΔТ - соответственно приращение частоты рабочего атомного перехода и приращение температуры ячейки поглощения. При этом разные буферные газы дают разные по значению и знаку ТКЧ, см., например, посвященные этой проблеме работы: [4] - В.В.Батыгин, B.C.Жолнеров. Температурная зависимость частоты сверхтонкого перехода основного состояния Rb⁸⁷ в буферной среде // Оптика и спектроскопия, том XXXIX, вып.3, 1975, с.449-452; [5] - B.C.Жолнеров, О.П.Харчев. Температурные коэффициенты сдвигов частоты сверхтонкого перехода основного состояния Rb⁸⁷, обусловленных изотопами буферных газов // Вопросы радиоэлектроники, серия ОТ, вып.10, 1976, с.87-89.

Для минимизации ТКЧ с одновременным сохранением узкой спектральной линии рабочего атомного перехода в ячейках поглощения применяют многокомпонентные буферные газы (смеси буферных газов) с противоположным по знаку влиянием составляющих компонентов на ТКЧ, см., например, работу [6] - B.C.Жолнеров. Буферные смеси для газовой ячейки стандарта частоты с оптической накачкой // Оптика и спектроскопия, том 43, выпуск 5, 1977, с.957-961. Взаимное и противоположное по знаку влияние компонентов смеси на ТКЧ позволяет добиться уменьшения ТКЧ (в определенном диапазоне температур) с одновременным сохранением узкой спектральной линии рабочего атомного перехода. При этом, однако, имеет место увеличение дрейфа частоты рабочего атомного перехода во времени, что обусловлено деградацией и изменением состава смеси во времени, вызванными физико-химическими процессами взаимодействия веществ, заполняющих внутренний объем ячейки, друг с другом и со стенками ячейки.

Уменьшение временного дрейфа частоты рабочего атомного перехода с одновременным сохранением узкой спектральной линии рабочего атомного перехода обеспечивается в ячейках поглощения путем нанесения на внутреннюю поверхность ячейки поглощения антирелаксационного покрытия, преимущественно парафинового, см., например, [7] - В.В.Григорьянц, М.Е.Жаботинский, В.Ф.Золин. Квантовые стандарты частоты // М., Наука, 1968, с.190 - 193; [8] - Г.А.Казаков, А.Н.Литвинов, Б.Г.Матисов, И.Е.Мазец. Резонанс когерентного пленения населенностей (электромагнитно-индуцированной прозрачности) в ячейках конечного размера // Журнал технической физики, 2008, том 78, вып.4, с.108-114; [9] - А.Н.Литвинов, Г.А.Казаков, Б.Г.Матисов, И.Е.Мазец. Двойной радиооптический резонанс в атомарных парах ⁸⁷Rb в ячейке с антирелаксационным стеночным покрытием // Журнал технической физики, 2009, том 79, вып.2, с.104-111. Получаемый эффект уменьшения дрейфа частоты с одновременным сохранением узкой спектральной линии рабочего атомного перехода объясняется стабилизирующим действием антирелаксационного покрытия, исключающего непосредственное взаимодействие рубидия со стенками ячейки поглощения и, соответственно, образование нежелательных продуктов взаимодействия, способных изменять частоту рабочего атомного перехода и ширину спектральной линии.

Типичным примером применения ячейки поглощения с антирелаксационным покрытием является рубидиевая ячейка поглощения квантового дискриминатора рубидиевого квантового стандарта частоты, представленная в патенте [10] - US 4405905, H03L 7/26, 20.09.1983. Типичная технология нанесения антирелаксационного покрытия (парафинового) в рубидиевой ячейке поглощения представлена в авторском свидетельстве [11] - SU 445900 A1, G01N 27/72, G01V 3/14, 15.12.1974.

Наиболее близкой к заявляемой ячейке поглощения является рубидиевая ячейка поглощения, описанная в работе [12] - Т.Bandi, С.Affolderbach, G.Mileti. Study of 0-0 hyperfine double-resonance transition in a wall-coated cell // EFTF 2010. 24^th European Frequency and Time Forum. Programme & abstract book. 13-16 April 2010, p.67. Эта рубидиевая ячейка поглощения выбрана в качестве прототипа.

Рубидиевая ячейка поглощения, выбранная в качестве прототипа, содержит откачанный замкнутый стеклянный баллон, наполненный парами рубидия ⁸⁷Rb, внутренняя поверхность которого покрыта антирелаксационным покрытием из парафина. Наличие парафинового антирелаксационного покрытия позволяет уменьшить дрейф частоты рабочего атомного перехода с одновременным сохранением узкой спектральной линии. При этом, однако, имеет место сильная температурная зависимость частоты рабочего атомного перехода (ТКЧ≈-2,4 Гц/град), что является недостатком прототипа.

Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание рубидиевой ячейки поглощения, в которой обеспечивается слабая температурная зависимость частоты рабочего атомного перехода (атомного 0-0 перехода) с одновременным сохранением узкой спектральной линии и малым дрейфом частоты рабочего атомного перехода во времени.

Сущность изобретения заключается в следующем. В рубидиевой ячейке поглощения, содержащей откачанный замкнутый стеклянный баллон, наполненный парами рубидия ⁸⁷Rb, внутренняя поверхность которого покрыта антирелаксационным покрытием, в качестве материала антирелаксационного покрытия используется тетраконтан, при этом во внутреннее пространство ячейки введен дополнительно буферный газ-азот или неон, причем давление азота составляет от 3 до 4 мм рт.ст., а давление неона - от 12 до 17 мм рт.ст.

Конструктивно заявляемая рубидиевая ячейка поглощения представляет собой герметично запаянный баллон с откачанным воздухом, выполненный из щелочеустойчивого стекла, например молибденового стекла марки С51-1. Внутренняя поверхность баллона, образующая внутреннюю поверхность ячейки поглощения, покрыта антирелаксационным покрытием. В качестве материала антирелаксационного покрытия применен тетраконтан (C₄₀H₈₂) - вещество, относящееся к предельным углеводородам длинных цепей, имеющее сравнительно высокую температуру плавления 81,5°C, что позволяет использовать ячейку поглощения в заданном диапазоне рабочих температур от 50 до 60°C. Баллон наполнен парами рубидия ⁸⁷Rb и однокомпонентным буферным газом - азотом или неоном. Количество рубидия выбирается исходя из условий обеспечения возможности возникновения и индицирования атомного резонанса. Указанное давление буферного газа (от 3 до 4 мм рт.ст. для азота и от 12 до 17 мм рт.ст. для неона) выбирается из условия минимизации температурной зависимости частоты рабочего атомного перехода в ячейке поглощения в заданном диапазоне рабочих температур от 50 до 60°C, т.е. получения минимального значения ТКЧ.

Азот или неон среди известных буферных газов при наполнении ячейки поглощения позволяют получить минимальные значения ТКЧ при наименьшем сдвиге частоты рабочего атомного перехода. При этом выбор азота является предпочтительным из-за меньшего сдвига частоты и поглощения переизлученного атомами ⁸⁷Rb света.

Механизм обеспечения слабой температурной зависимости частоты рабочего атомного перехода в заявляемой ячейке поглощения заключается во взаимной компенсации влияния, оказываемого на ТКЧ ячейки поглощения антирелаксационным тетраконтановым покрытием и буферным газом, где антирелаксационное тетраконтановое покрытие имеет отрицательный температурный коэффициент смещения частоты рабочего атомного перехода, а буферный газ (как азот, так и неон) - положительный.

Эффект получения узкой спектральной линии при малом дрейфе частоты рабочего атомного перехода обусловлен, как и в прототипе, стабилизирующим действием антирелаксационного покрытия, исключающего непосредственное взаимодействие рубидия со стенками ячейки поглощения и, соответственно, образование нежелательных продуктов взаимодействия, способных изменять частоту рабочего атомного перехода и ширину спектральной линии.

С технологической точки зрения процесс изготовления заявляемой ячейки поглощения состоит из известных стандартных операций. Так, нанесение тетраконтанового антирелаксационного покрытия на внутреннюю поверхность ячейки поглощения и наполнение ячейки поглощения рубидием может быть осуществлено, например, по технологии, аналогичной представленной в [11], а наполнение ячейки поглощения буферным газом может быть осуществлено по технологии, аналогичной описанной в [1, с.111-119].

Таким образом, рассмотренное показывает, что заявляемое изобретение осуществимо и обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в создании рубидиевой ячейки поглощения для пассивных квантовых мер частоты, в которой обеспечивается слабая температурная зависимость частоты рабочего атомного перехода (атомного 0-0 перехода) с одновременным сохранением узкой спектральной линии и малого дрейфа частоты рабочего атомного перехода.

Источники информации

1. А.И.Пихтелев, А.А.Ульянов, Б.П.Фатеев и др. Стандарты частоты и времени на основе квантовых генераторов и дискриминаторов // М., Сов. радио, 1978.

2. US 5387881, H01S 1/06, H03B 17/00, H03L 7/26, опубл. 07.02.1995.

3. US 5657340, H01S 3/09, H01S 1/06, H01S 1/00, опубл. 12.08.1997.

4. В.В.Батыгин, B.C.Жолнеров. Температурная зависимость частоты сверхтонкого перехода основного состояния Rb⁸⁷ в буферной среде // Оптика и спектроскопия, том XXXIX, вып.3, 1975, с.449-452.

5. B.C.Жолнеров, О.П.Харчев. Температурные коэффициенты сдвигов частоты сверхтонкого перехода основного состояния Rb⁸⁷, обусловленных изотопами буферных газов // Вопросы радиоэлектроники, серия ОТ, вып.10, 1976, с.87-89.

6. B.C.Жолнеров. Буферные смеси для газовой ячейки стандарта частоты с оптической накачкой // Оптика и спектроскопия, том 43, выпуск 5, 1977, с.957-961.

7. В.В.Григорьянц, М.Е.Жаботинский, В.Ф.Золин. Квантовые стандарты частоты // М., Наука, 1968, с.190-193.

8. Г.А.Казаков, А.Н.Литвинов, Б.Г.Матисов, И.Е.Мазец. Резонанс когерентного пленения населенностей (электромагнитно-индуцированной прозрачности) в ячейках конечного размера // Журнал технической физики, 2008, том 78, вып.4, с.108-114.

9. А.Н.Литвинов, Г.А.Казаков, Б.Г.Матисов, И.Е.Мазец. Двойной радиооптический резонанс в атомарных парах ⁸⁷Rb в ячейке с антирелаксационным стеночным покрытием // Журнал технической физики, 2009, том 79, вып.2, с.104-111.

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

11. SU 445900 A1, G01N 27/72, G01V 3/14, опубл. 15.12.1974.

12. T. Bandi, С.Affolderbach, G. Mileti. Study of 0-0 hyperfine double-resonance transition in a wall-coated cell // EFTF 2010. 24^th European Frequency and Time Forum. Programme & abstract book. 13-16 April 2010, p.67.

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано в пассивных квантовых мерах частоты на парах рубидия. Ячейка поглощения содержит откачанный замкнутый стеклянный баллон, наполненный парами рубидия ⁷⁸Rb, внутренняя поверхность которого покрыта антирелаксационным покрытием из тетраконтана. Дополнительно во внутреннее пространство ячейки введен буферный газ - азот или неон. Давление азота составляет от 3 до 4 мм рт.ст., а давление неона - от 12 до 17 мм рт.ст. Технический результат заключается в обеспечении слабой температурной зависимости частоты рабочего атомного перехода с одновременным сохранением узкой спектральной линии и малого дрейфа частоты рабочего атомного перехода.

Рубидиевая ячейка поглощения, содержащая откаченный замкнутый стеклянный баллон, наполненный парами рубидия ⁸⁷Rb, внутренняя поверхность которого покрыта антирелаксационным покрытием, отличающаяся тем, что в качестве материала антирелаксационного покрытия используется тетраконтан, при этом во внутреннее пространство ячейки введен дополнительно буферный газ - азот или неон, причем давление азота составляет от 3 до 4 мм рт.ст., а давление неона - от 12 до 17 мм рт.ст.