Квантовый дискриминатор частоты Российский патент 2020 года по МПК H03L7/26 H01S3/10 

Изобретение относится к квантовым стандартам времени и частоты.

Из уровня техники известны квантовые стандарты частоты, например по патентам RU 2378756, RU 2378757, RU 2408978, а также квантовый дискриминатор по патенту RU 2417922 C2, 10.04.2013, содержащие корпус цилиндрической формы, представляющий собой магнитный экран, катушку, для создания однородного магнитного поля, газовую ячейку. Указанные квантовые (атомные или молекулярные) стандарты времени и частоты устроены по общему принципу: внешним источником электромагнитного излучения (генератором оптической или СВЧ частоты) возбуждаются переходы между атомными или молекулярными уровнями. Оптическими или иными методами такие переходы могут регистрироваться, и величина регистрируемого сигнала зависит от степени совпадения частот внешнего сигнала и атомного перехода. Отсюда можно сформировать сигнал обратной связи для привязки частоты генератора к частоте атомного перехода. Для потребителей из частоты стабилизированного по квантовому переходу генератора различными радиотехническими методами без понижения стабильности формируется стандартный сигнал 5 или 10 МГц. Отсчеты фиксированного числа колебаний дают метки времени.

Однако недостатками данных устройств являются сложность изготовления компонентов, присутствие паразитного магнитного поля, плохая теплоизоляция ячейки, магнитная изоляция ячейки и низкая однородность магнитного поля.

Технической проблемой заявленного изобретения являются устранение указанных недостатков с достижением технического результата, заключающегося в повышении надежности работы устройства при упрощении его изготовления.

Указанный технический результат достигается в квантовом дискриминаторе частоты, содержащем корпус цилиндрической формы, представляющий собой магнитный экран, катушку, для создания однородного магнитного поля, газовую ячейку, отличающемся тем, что корпус выполнен двухслойным, а катушка для создания однородного магнитного поля представляет собой катушку Баркера, кроме того, внешний слой указанного корпуса дополнительно содержит входную и заднюю торцевые заглушки, а также отверстие для установки поляризатора и волновой пластинки; внутренний слой образован полым цилиндром, внутри которого по принципу матрешки расположены катушка Баркера, цилиндрическая теплоизолирующая рубашка, цилиндрическая печка с нагревателем, в основной полости которой размещена газовая ячейка, а в середине боковой поверхности указанной печки выполнены две дополнительные полости для установки в них опорного и контрольного термистора и отверстие, создающее зону минимальной температуры, при этом торцы указанной печки закрыты теплоизолирующими шайбами с осевыми отверстиями для лазерного пучка; торцы внутреннего слоя корпуса закрыты крышками, на которые помещены входной и выходной изоляторы; в выходном изоляторе выполнена ниша для установки фотодетектора, а между задней торцевой заглушкой и нишей для установки фотодетектора расположено промежуточное кольцо, для обеспечения электрической изоляции.

Дополнительной особенностью является то, что в выходной шайбе дополнительно выполнен паз для вывода всех электрических проводов.

Дополнительной особенностью является то, что задняя торцевая заглушка имеет резьбовое соединение с внешним слоем корпуса.

Исключительно важным является то, как сконструирован квантовый дискриминатор частоты – устройство, в котором размещается кювета (ячейка), содержащая атомную среду – газы щелочных металлов и буферных элементов. Оно должно обеспечивать защиту ячейки от внешних магнитных полей, создавать собственное однородное поле для расщепления магнитных подуровней атомов, поддерживать температуру ячейки постоянной, регистрировать оптические сигналы.

На фиг.1 показан разрез квантового дискриминатора частоты.

Преимущества предлагаемого квантового дискриминатора частоты (КДЧ) достигаются следующим:

а) форма большинства компонентов КДЧ максимально приближена к простой цилиндрической. В первую очередь это касается самой газовой ячейки (3). Технология ее изготовления и заполнения (защищена отдельным патентом) обеспечивает ее цилиндрическую форму без наплывов и штенгелей.

б) ячейка помещена в центр цилиндрической печки (14), торцы которой закрываются с обеих сторон винтовыми заглушками (5 и 16). Печка изготавливается из теплопроводящего и немагнитного материала (например, медь М0). В заглушках имеются отверстия для прохождения лазерного излучения. Заглушки фиксируют ячейку в центре печки через шайбы (нарисованы, но не обозначены цифрами) и теплопроводящие подложки (не нарисованы), чем обеспечивается хороший тепловой контакт окошек ячейки с нагревателями во избежание осаждения на них металлических паров. С той же целью в середине боковой поверхности печки выполнено отверстие, которое создает зону минимальной температуры. Также в середине боковой поверхности печки изготовлены две полости (4), в которые вклеиваются теплопроводящим компаундом два термистора – опорный и контрольный. Нагреватель (на рисунке показаны только зоны его размещения) выполнен из бифилярного провода и намотан на цилиндрическую поверхность печки в областях, примыкающих к окошкам ячейки. Правильно изготовленный нагреватель создает при рабочих температурах ячейки паразитное магнитное поле, на порядки меньшее фонового земного.

в) малое энергопотребление КДЧ невозможно без хорошей теплоизоляции ячейки. Материалы с низкой теплопроводностью, как правило, обладают неудовлетворительными механическими свойствами, плохо поддаются обработке. В нашей конструкции печка, как матрешка, вкладывается внутрь цилиндрической теплоизолирующей рубашки (2), выполненной из бальсы. Торцы печки также закрыты теплоизолирующими шайбами с осевыми отверстиями для лазерного пучка – входной (17) и выходной (6). В выходной шайбе дополнительно предусмотрен паз для вывода всех электрических проводов от нагревателя и термисторов.

г) степень однородности магнитного поля, создаваемого в зоне действия лазерного излучения на атомы, определяет качество детектируемого и используемого для стабилизации частоты внешнего источника электромагнитного сигнала. Существуют различные способы создания однородного магнитного поля, из которых наиболее часто используются соленоид или катушки Гельмгольца. В нашем КДЧ используется схема Баркера, которая при сопоставимых размерах с соленоидом или катушками Гельмгольца обеспечивает больший объем зоны однородного магнитного поля. Точный расчет схемы Баркера позволяет добиться симметрии детектируемого сигнала, что свидетельствует об отсутствии существенного поперечного магнитного поля в зоне детектирования. Каркас катушки Баркера (1) выполнен из материала, худшего по теплоизолирующим свойствам в сравнении с бальсой, но более приспособленным к механической обработке. Витки катушки Баркера на рисунке не показаны, видны только четыре зоны их размещения на каркасе.

д) изоляция зоны детектирования КДЧ от внешнего магнитного поля обеспечивается двухслойным магнитным экраном (МЭ). Детали экрана выполнены из пермаллоя, изоляция между слоями из фторопласта. Первый слой магнитного экрана образован полым цилиндром (15), который надевается непосредственно на каркас катушки Баркера. Торцы цилиндра закрываются крышками, закраины которых глубоко перекрываются с цилиндрической поверхностью (18 и 7). На крышки первого слоя МЭ надеваются фторопластовые изоляторы – входной (поз.19) и выходной (поз.12). Выходной изолятор имеет нишу для установки фотодетектора (на рисунке не показан) и пазы для вывода проводов. Внешний (второй) слой МЭ образован деталями (20, 13 и 9). Перекрытие входной торцевой заглушки (20) с цилиндрической частью внешнего слоя МЭ (13) обеспечивается закраинами на цилиндрической части. Задняя торцевая заглушка (9) имеет резьбовое соединение с цилиндрической частью, которое позволяет устранить все зазоры, возникающие при сборке печки, теплоизоляторов, магнитной катушки, фотодетектора и магнитных экранов. Тем самым обеспечивается жесткость всей конструкции КДЧ. Промежуточное кольцо (11) обеспечивает электрическую изоляцию между монтажной платой фотодетектора и резьбовой заглушкой магнитного экрана.

Все провода внутри МЭ собираются в жгут, прокладываются в кольцевом зазоре (8) и выходят через паз (10) в цилиндрической части внешнего слоя МЭ.

Для получения оптимальной величины детектируемого сигнала электромагнитное излучение должно иметь определенную интенсивность и поляризацию. Это достигается установкой поляризатора и волновой пластинки на входе в КДЧ. Место установки этих компонентов (21) расположено на оптической оси КДЧ во входной торцевой заглушке МЭ. Сборка входной торцевой заглушки и оптических деталей производится на отдельном стенде до общей сборки КДЧ. Сначала вклеивается поляризатор, затем на него с промежуточным слоем оптического клея накладывается волновая пластинка. Они взаимно ориентируются, и клей фиксируется ультрафиолетом. Конструкция КДЧ допускает при ослаблении задней торцевой заглушки юстировку входной вместе с оптическими компонентами относительно входного лазерного пучка.

Изобретение относится к квантовым стандартам времени и частоты. Технический результат заключается в обеспечении стабильных параметров среды квантового дискриминатора и упрощении его изготовления. Квантовый дискриминатор частоты содержит двухслойный корпус цилиндрической формы, представляющий собой магнитный экран, катушку Баркера для создания однородного магнитного поля, газовую ячейку, кроме того, внешний слой указанного корпуса дополнительно содержит входную и заднюю торцевые заглушки, а также отверстие для установки поляризатора и волновой пластинки; внутренний слой образован полым цилиндром, внутри которого по принципу матрешки расположены катушка Баркера, цилиндрическая теплоизолирующая рубашка, цилиндрическая печка с нагревателем, в основной полости которой размещена газовая ячейка, а в середине боковой поверхности указанной печки выполнены две дополнительные полости для установки в них опорного и контрольного термистора и отверстие, создающее зону минимальной температуры. Торцы указанной печки закрыты теплоизолирующими шайбами с осевыми отверстиями для лазерного пучка; торцы внутреннего слоя корпуса закрыты крышками, на которые помещены входной и выходной изоляторы; в выходном изоляторе выполнена ниша для установки фотодетектора, а между задней торцевой заглушкой и нишей для установки фотодетектора расположено промежуточное кольцо для обеспечения электрической изоляции. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Квантовый дискриминатор частоты, содержащий корпус цилиндрической формы, представляющий собой магнитный экран, катушку, для создания однородного магнитного поля, газовую ячейку, отличающийся тем, что корпус выполнен двухслойным, а катушка для создания однородного магнитного поля представляет собой катушку Баркера, кроме того, внешний слой указанного корпуса дополнительно содержит входную и заднюю торцевые заглушки, а также отверстие для установки поляризатора и волновой пластинки; внутренний слой образован полым цилиндром, внутри которого по принципу матрешки расположены катушка Баркера, цилиндрическая теплоизолирующая рубашка, цилиндрическая печка с нагревателем, в основной полости которой размещена газовая ячейка, а в середине боковой поверхности указанной печки выполнены две дополнительные полости для установки в них опорного и контрольного термистора и отверстие, создающее зону минимальной температуры, при этом торцы указанной печки закрыты теплоизолирующими шайбами с осевыми отверстиями для лазерного пучка;

торцы внутреннего слоя корпуса закрыты крышками, на которые помещены входной и выходной изоляторы; в выходном изоляторе выполнена ниша для установки фотодетектора, а между задней торцевой заглушкой и нишей для установки фотодетектора расположено промежуточное кольцо для обеспечения электрической изоляции.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в выходной шайбе дополнительно выполнен паз для вывода всех электрических проводов.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что задняя торцевая заглушка имеет резьбовое соединение с внешним слоем корпуса.