ПРЕРЫВАТЕЛЬ АТОМНОГО ПУЧКА Российский патент 2019 года по МПК G21K1/04 

Предлагаемое изобретение относится к области квантовой электроники, устройствам для получения управляемого прерывания атомного пучка с регулировкой его интенсивности, и может быть использовано в атомно-лучевых стандартах частоты с пучками, например, стронция, рубидия или цезия.

Принцип действия прерывателя атомного пучка (ПП) основывается на согласованном действии помещенных внутрь вакуумной системы, диафрагмы, через которую пролетает атомный пучок и за заслонки, обеспечивающей перекрытие сечения диафрагмы. Заслонка приводится в движение механическим, электрическим или магнитным приводом.

В оптических стандартах частоты на сегодняшний день существуют два основных сдвига, которые вносят наибольший вклад в неопределенность, например, стронциевых стандартов - это столкновительный сдвиг и тепловой сдвиг.

Процесс, который позволяет получить некоторое количество атомов в оптической решетке в оптических и атомно-лучевых стандартах частоты, начинается с образования потока испаряемого вещества путем нагрева в условиях высокого вакуума, до температуры, при которой давление насыщенного пара вещества в несколько раз выше, чем давление остаточных газов. Пары металла проходят через коллимирующую сборку, вакуумную заслонку или затвор, замедлитель Зеемана в зону захвата в вакуумной камере. Суть метода загрузки атомов в оптическую решетку или магнитооптическую ловушку заключается в покадровости, когда шаги подготовки атомов до получения определенного состояния являются дискретными. Характерное время использования атомного пучка составляет 100-200 мс, время закрытия/открытия прерывателя, т.е. перехода от нулевого количества атомов к максимальному, составляет 15-30 мс. Лазерные пучки для каждого шага получения определенных состояний атомов с пониженной линейной скоростью создаются механическими не вакуумными прерывателями в различных комбинациях. А атомный пучок после стадии накопления в магнитооптической ловушке прерывается высокоскоростным механическим вакуумным ПП. Также при прерывании пучка, можно контролировать интенсивность потока атомов, путем частичного открытия ПП. Данное преимущество может быть достигнуто использованием высокоскоростного шагового двигателя с датчиком угла поворота с высоким разрешением (энкодером) и устройством способным передавать крутящий момент на вал с заслонкой в вакуумную систему.

Необходимость применения ПП заключается в том, что атомный пучок, с большой вероятностью сталкиваясь с захваченными атомами, выбивает часть атомов из ловушки и вызывает неопределенность в определении частоты в оставшихся атомах, тем самым влияя на резонансный переход стандартов частоты в целом. ПП помещается во внутреннее пространство вакуумной трубы между нагревательными элементами и замедлителем Зеемана для того, чтобы блокировать атомный пучок и, что важно отметить, компоненту теплового излучения от нагревательных элементов.

Известен ПП (Patent No: US 5,083,744, Date of Patent: Jan. 28, 1992), содержащий трубчатую заслонку, механически соединенную с валом, который соединен с ротором бесщеточного двигателя постоянного тока, который магнитным образом соединен со статором двигателя постоянного тока, двигатель постоянного тока подсоединен к блоку питания, блок питания обеспечивает контроль силового сигнала, который определяет два положения трубчатой заслонки.

Однако в указанном ПП используется двигатель постоянного тока без обратной связи, который не позволяет обеспечить контроль положения заслонки, т.е. ее частичного открытия, обеспечивая два положения открытое и закрытое, как следствие, высокие ударные вибрационные нагрузки, а также отсутствует возможность герметизировать конструкцию для использования в условиях сверхглубокого вакуума, что делает конструкцию непригодной для использования в оптических и атомно-лучевых стандартах частоты.

Кроме того, известно КСЧ (Patent No: US 7,302,043 В2, Date of Patent: Nov. 27, 2007), являющееся прототипом предлагаемого изобретения и содержащий многощелевую заслонку, механически соединенную с валом, который соединен с ротором бесщеточного двигателя постоянного тока, который магнитным образом соединен со статором двигателя постоянного тока, ротор соединен с оптическим датчиком положения (открыто-закрыто), двигатель постоянного тока подсоединен к блоку питания, блок питания обеспечивает контроль силового сигнала, который определяет два положения многощелевой заслонки.

Однако в указанном устройстве используется двигатель постоянного тока с обеспечением контроля всего двух положений (открыто-закрыто) посредством оптического одноэлементного датчика, и не предусматривает контроля промежуточного положения, как следствие, высокие скорости переключения приводят к высоким вибрационным нагрузкам, также конструкция не предусматривает возможность герметизации для использования в условиях сверхглубокого вакуума, что делает конструкцию непригодной для использования в оптических и атомно-лучевых стандартах частоты.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение быстродействия открытия/закрытия и контролируемости потока атомов в атомном пучке.

Поставленная задача достигается тем, что в известном устройстве ПП, содержащего многощелевую заслонку, один конец которой соединен с валом двигателя механически соединенной с валом, который соединен с ротором бесщеточного двигателя постоянного тока, который магнитным образом соединен со статором двигателя постоянного тока, ротор соединен с оптическим датчиком положения (открыто-закрыто), двигатель постоянного тока подсоединен к блоку питания, блок питания обеспечивает контроль силового сигнала, который определяет два положения многощелевой заслонки, заключающееся в том, что в него введены двухлопастная заслонка, вакуумное крепление, диафрагма, вакуумный ввод, шаговый двигатель с обратной связью при том, диафрагма соединена с вакуумным креплением, вакуумное крепление соединено с вакуумным вводом, двухлопастная заслонка соединяется с валом, который соединен с вакуумным креплением, вакуумный ввод соединен с шаговым двигателем с обратной связью.

Изобретение поясняется чертежами. На Фиг. 1 приведен эскизный чертеж вращающейся заслонки ПП, на Фиг. 2 приведен эскизный чертеж крепления с диафрагмой и заслонкой ПП в вакуумной системе, на Фиг. 3 приведен эскизный чертеж крепления заслонки к вакуумному вводу и шаговому электродвигателю, на Фиг. 4 (помещается в реферат) приведен эскизный чертеж ПП в сборе.

ПП (Фиг. 1) содержит: 1 - вращающуюся двухлопастную заслонку.

ПП (Фиг. 2) содержит: 1 - вращающуюся заслонку, 2 - крепление в вакуумной системе заслонки и диафрагмы, 3 - диафрагму атомного пучка,

ПП (Фиг. 3) содержит: 1 - вращающуюся заслонку, 4 - вакуумный ввод, 5 - шаговый электродвигатель,

ПП (Фиг. 4) содержит: 1 - вращающуюся заслонку, 2 - крепление в вакуумной системе заслонки и диафрагмы, 3 - диафрагму атомного пучка, 4 -вакуумный ввод, 5 - шаговый электродвигатель, 6 - вход атомного пучка (вход), 7 - выход атомного пучка (выход),

При этом одна сторона двухлопастной заслонки 1 соединена с вакуумным креплением 2, через вакуумный ввод 4, к вакуумному креплению 2 присоединяется диафрагма 3, а к вакуумному вводу 4 присоединен шаговый электродвигатель 5.

Двухлопастная заслонка 1 может быть выполнена из нержавеющей стали или сплава алюминия, или титана, вакуумное крепление 2 может представлять собой куб, типа Ideal Vacuum Р104786, из нержавеющей стали с прорезями под фланцы трубы нагревательных элементов или трубы замедлителя Зеемана (CF16 или CF40), диафрагма 3 может быть выполнена из нержавеющей стали или титана так, чтобы плотно входить в отверстие вакуумного крепления 3, вакуумный ввод 4 может представлять собой статор и ротор с вакуумноплотной магнитной жидкостью типа MD16A, как шаговый двигатель 5 можно использовать двигатель MD16NISES1X000Z с драйвером MSMC1-HL1-JS-240.

Устройство работает следующим образом, атомный пучок пролетая диафрагму 3 попадает на лопасти вращающейся заслонки 1, положения заслонки выбираются в зависимости от необходимого потока атомов, заслонка 1, приводится в движение ваккумным вводом, который соединен с шаговым двигателем 5.

Таким образом, посредством применения ПП с двухлопастной вращающейся заслонкой за счет перекрытия отверстия диафрагмы с двух сторон двумя лопастями за один поворот в два раза уменьшается время полного закрытия/открытия отверстия диафрагмы, за счет шагового двигателя с энкодером и вакуумным вводом обеспечивается возможность поворота двухлопастной заслонки на определенный свободно задаваемый угол при работе в условиях сверхглубокого вакуума и, тем самым, обеспечивается повышение быстродействия и контролируемости потока атомов в атомном пучке и уменьшение неопределенности оптических и атомно-лучевых стандартов частоты.

Предлагаемое изобретение относится к области квантовой электроники, устройствам для получения управляемого прерывания атомного пучка с регулировкой его интенсивности, и может быть использовано в атомно-лучевых стандартах частоты с пучками, например, стронция, рубидия или цезия. Изобретение представляет собой прерыватель атомного пучка, содержащий вращающуюся заслонку, один конец которой соединен с двигателем для определения положения заслонки, отличающийся тем, что заслонка, выполнена в виде двух параллельных лопастей, к которой через вакуумный ввод присоединено вакуумное крепление с диафрагмой для ввода атомного пучка, с другой стороны вакуумный ввод соединен с шаговым двигателем с датчиком положения и цифровой обратной связью. Предлагаемое изобретение повышает быстродействие открытия/закрытия и контролируемости потока атомов в атомном пучке. 4 ил.

Прерыватель атомного пучка, содержащий вращающуюся заслонку, один конец которой соединен с двигателем для определения положения заслонки, отличающийся тем, что заслонка выполнена в виде двух параллельных лопастей, к которой через вакуумный ввод присоединено вакуумное крепление с диафрагмой для ввода атомного пучка, с другой стороны вакуумный ввод соединен с шаговым двигателем с датчиком положения и цифровой обратной связью.