Квантовый водородный генератор стандарта частоты Российский патент 2020 года по МПК G21K1/93 H01S1/00 

Изобретение относится к области квантовых водородных генераторов (мазеров) стандартов частоты и может быть использовано при разработке квантовых водородных генераторов и квантовых дискриминаторов.

Важной задачей проектирования квантовых водородных (Н) мазеров является повышение выходной мощности его сигнала и стабильности частоты, повышение которых можно обеспечить за счет применения системы двойной магнитной сортировки состояний атомов водорода для получения пучка атомов в одном квантовом состоянии.

В классической конструкции водородного стандарта частоты, например, типа VCH-1003A (разработка АО «Время-Ч») в накопительную колбу квантового генератора стандарта попадают атомы водорода в двух квантовых состояниях: F=1, m_F=0 и F=1, m_F=+1. Атомы водорода во втором состоянии не участвуют в образовании генерации, но участвуют в спин-обменных взаимодействиях с рабочими атомами. Последнее приводит к дополнительному уширению спектральной линии и ограничению роста мощности генерации с увеличением интенсивности пучка, что препятствует повышению стабильности частоты водородного генератора.

В качестве ближайшего аналога предлагаемого технического решения принят способ реализации системы двойной магнитной сортировки состояний атомов водорода (патент на изобретение RU №2692000) для квантовых водородных стандартов частоты активного типа методом встречных полей, в котором производится измерение рассеиваемого поля сортирующими магнитами без экрана и с надетым экраном; проверяется экранирующая система от внешнего поля; осуществляется предварительная сборка и установка системы сортировки в нижнюю вакуумную камеру водородного генератора; определяется область, где выходная мощность наиболее чувствительна к изменению тока и устанавливается конфигурация токов, при которой выходная мощность максимальна.

Основная сложность получения нужного пучка атомов водорода (особенно при жестком ограничении длины всей сортирующей системы и присутствия полей рассеяния сортирующих магнитов) заключается в практическом создании строго определенной, устойчивой к изменению внешних условий конфигурации магнитных полей для достижения наибольшей вероятности инверсионного перехода атомов водорода. Недостатком такого способа реализации системы двойной магнитной сортировки состояний атомов водорода является то обстоятельство, что такая система чувствительна к изменениям внешних магнитных полей и требует сложной настройки силы токов в компенсирующих катушках, поэтому при его реализации не удается получить положительные результаты.

Технической задачей изобретения является увеличение выходной мощности и повышение стабильности частоты серийно выпускаемых водородных генераторов и стандартов частоты на их основе.

Сущность технического решения задачи заключается в том, что квантовый водородный генератор, содержащий помещенные в вакуумный колпак резонатор с накопительной колбой, соединенной с источником пучка атомов водорода вакуумпроводом, в котором расположена система двойной магнитной сортировки состояний атомов водорода, включающая первый и второй сортирующие магниты, согласно изобретению между сортирующими магнитами в магнитном экране расположен соленоид, установленный вдоль оси распространения пучка атомов, внутри каркаса соленоида расположены две катушки для создания поперечного переменного магнитного поля, установленные перпендикулярно оси распространения пучка атомов водорода, соленоид выполнен с переменной плотностью витков его обмотки для создания определенного градиента магнитного поля вдоль оси пучка, при этом количество витков соленоида по длине изменяется согласно соотношению: N_z=N₀×e^(2z/L+1), где N_z - количество витков соленоида в точке с координатой z; N₀ - начальное количество витков; z - продольная координата; L - длина соленоида, е - основание натурального логарифма.

В вариантах выполнения устройства катушки создания переменного магнитного поля расположены в центре каркаса соленоида, что уменьшает влияние неоднородностей магнитного поля на краю соленоида, а выполнение каркаса соленоида с переменным по длине радиусом позволяет более равномерно распределять плотность витков по длине каркаса.

Техническое решение поясняется чертежами, где изображено:

на фиг. 1 - общая схема устройства водородного мазера (генератора);

на фиг. 2 - устройство двойной сортировки состояний атомов водорода;

на фиг. 3 - график определения количества витков соленоида;

на фиг. 4 - схематичное изображение работы устройства двойной магнитной сортировки атомов.

Квантовый водородный генератор содержит (фиг. 1) помещенные в вакуумный колпак 1 СВЧ резонатор 2 с накопительной колбой 3, соединенной с источником пучка атомов водорода 4 вакуумпроводом 5, в котором расположено устройство двойной магнитной сортировки состояний атомов водорода 6 (фиг. 2), включающее расположенный в магнитном экране 7 соленоид переменного радиуса 8, установленный (ориентированный) вдоль оси распространения пучка атомов водорода, внутри (в центре) каркаса соленоида 8 расположены две катушки 9 и 10 создания переменного магнитного поля, установленные (ориентированные) перпендикулярно оси распространения пучка атомов водорода между первым 11 и вторым 12 сортирующими магнитами. Соленоид (длиной 40 мм) выполнен на секционированном каркасе с переменной плотностью витков его обмотки (разное число витков в секциях каркаса), при этом количество витков соленоида по длине изменяется согласно числовому N_z=N₀×e^(2z/L+1), где N_z - количество витков соленоида в точке с координатой z; N₀ - начальное количество витков; z - продольная координата; L - длина соленоида, е -основание натурального логарифма (фиг. 3). Питание соленоида 8 и катушек 9 и 10 осуществляется с блока управления (на рисунках не показано).

Работа квантового водородного генератора стандарта частоты заключается в следующем. Пучок атомов водорода вылетает из источника атомарного водорода 4 в накопительную колбу 3, находящуюся внутри объемного резонатора 2, настроенного на частоту, соответствующую частоте перехода атомов водорода из возбужденного состояния в основное. Резонатор создает обратную связь, необходимую для самовозбуждения генератора, который начинает работать, излучая электромагнитные волны стабильной частоты. Сложность при получении пучка атомов водорода в одном квантовом состоянии (особенного при жестком ограничении длины всей сортирующей системы генератора и присутствия полей рассеяния сортирующих магнитов 11 и 12) заключается в практическом создании определенной конфигурации магнитного поля в области взаимодействия для эффективной вероятности инверсионного перехода атомов водорода из состояния F=1, m_F=+1 в состояние F=1, m_F=-1 (фиг. 4). Инверсионная область устройства состоит из соленоида 8, который должен создавать медленно меняющееся вдоль оси пучка атомов продольное магнитное поле (а его напряженность должна нарастать в высокой степени линейно, т.е. с постоянной величиной градиента), и пары катушек 9 и 10 для создания в центральной части соленоида 8 поперечного переменного (единицы МГц) магнитного поля. Для обеспечения этих условий количество витков соленоида по длине должно изменяться согласно соотношению N_z=N₀×e^(2z/L+1), которое было найдено с помощью численных методов. Задавая длину L соленоида и начальное количество витков N₀ обмотки соленоида определяем количество витков N_z соленоида в точке с координатой z и вдоль всей длины соленоида (фиг. 3).

Взаимодействие магнитного момента атома водорода с суперпозицией этих полей (фиг. 4) приводит к переориентации проекции магнитного момента атома на направление внешнего поля с F=1, m_F=+1 на F=1, m_F=-1. Далее атомы отсортировываются вторым магнитом 12 и в накопительную колбу 3 попадают только атомы в состоянии F=1, m_F=0. Предлагаемое устройство обладает значительно большей устойчивостью по отношению к возмущающему воздействию внешних полей.

Согласно проведенным оценкам, уменьшение предельной нестабильности частоты водородного стандарта частоты за счет исключения атомов в состоянии с F=1, m_F=+1 может достигать 1,6 раза. В результате проведенных экспериментальных исследований было получено уменьшение нестабильности частоты в 1,5 раза по сравнению с промышленно выпускаемыми водородными стандартами частоты.

Изобретение относится к водородному генератору и может быть использовано в квантовых водородных генераторах и квантовых дискриминаторах стандартов частоты. Квантовый водородный генератор содержит помещенные в вакуумный колпак резонатор с накопительной колбой, соединенной с источником пучка атомов водорода вакуумпроводом, в котором расположено устройство двойной магнитной сортировки состояний атомов водорода, включающее расположенный в магнитном экране соленоид, установленный вдоль оси распространения пучка атомов водорода между первым и вторым сортирующими магнитами. Внутри каркаса соленоида расположены две катушки создания поперечного переменного магнитного поля, установленные перпендикулярно оси распространения пучка атомов водорода, соленоид выполнен с переменной плотностью витков его обмотки, при этом количество витков соленоида по длине изменяется согласно соотношению N_z=N₀×e^(2z/L+1), где N_z - количество витков соленоида в точке с координатой z; N₀ - начальное количество витков; z - продольная координата; L - длина соленоида. Техническим результатом является повышение эффективности использования пучка атомов водорода для увеличения выходной мощности водородного генератора. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Квантовый водородный генератор стандарта частоты, содержащий помещенные в вакуумный колпак резонатор с накопительной колбой, соединенной с источником пучка атомов водорода вакуумпроводом, в котором расположена система двойной магнитной сортировки состояний атомов водорода, включающая первый и второй сортирующие магниты, отличающийся тем, что между сортирующими магнитами в магнитном экране расположен соленоид, установленный вдоль оси распространения пучка атомов, внутри каркаса соленоида расположены две катушки для создания поперечного переменного магнитного поля, установленные перпендикулярно оси распространения пучка атомов водорода, соленоид выполнен с переменной плотностью витков его обмотки для создания определенного градиента магнитного поля вдоль оси пучка, при этом количество витков соленоида по длине изменяется согласно соотношению: N_z=N₀×e^(2z/L+1), где N_z - количество витков соленоида в точке с координатой z; N₀ - начальное количество витков; z - продольная координата; L - длина соленоида, е - основание натурального логарифма.

2. Квантовый водородный генератор по п. 1, отличающийся тем, что катушки создания поперечного магнитного поля расположены в центре каркаса соленоида.

3. Квантовый водородный генератор по п. 1, отличающийся тем, что каркас соленоида выполнен с переменным по длине радиусом.

4. Квантовый водородный генератор по п. 3, отличающийся тем, что каркас соленоида выполнен секционированным.