КВАНТОВЫЙ ГЕНЕРАТОР Российский патент 2022 года по МПК H03L7/26 H01S1/06 

Назначение и область применения

Изобретение относится к технике квантовых устройств и может быть использовано в квантовых стандартах частоты на газовой ячейке с оптической накачкой. Подобные устройства широко применяются в дальней космической связи, службе точного времени, а также при уточнении фундаментальных констант и проверке положений теории относительности.

Предшествующий уровень техники.

Атомные стандарты частоты и времени, работающие по принципу двойного радиооптического резонанса в парах атомов щелочных металлов (чаще всего на цезии и рубидии), совершенствуются уже более 50 лет. При этом, к числу традиционно используемых источников оптической накачки могут быть отнесены безэлектродные спектральные лампы на парах, например, рубидия.

Из предшествующего уровня техники известны рубидиевые радиоспектроскопы с изотопической фильтрацией света накачки, составляющие основу пассивных стандартов частоты на газовой ячейке. Принцип работы таких устройств основан на стабилизации частоты подстраиваемого кварцевого генератора относительно частоты спектральной линии, соответствующей квантовому переходу в сверхтонкой структуре основного состояния атомов рубидия, см. например [В.В.Григрьянц, М.Е.Жаботинский, В.Ф.Золин. Квантовые стандарты частоты. Наука, 1967, 288 с], [ 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, 304 с.], [Ф.Риле. Стандарты частоты. Принципы и приложения//Пер. с англ.- М.: ФИЗМАТЛИТ. 2009. - 512 С.].

Структурная схема квантового стандарта частоты содержит последовательно соединенные в замкнутое кольцо автоматической подстройки частоты (АПЧ) подстраиваемый кварцевый генератор, блок формирования сигнала радиочастотного возбуждения, квантовый дискриминатор и блок формирования управляющего напряжения, выход которого подключен к управляющему входу подстраиваемого кварцевого генератора, а также блок формирования опорных сигналов, связанный своими выходами с соответствующими входами блока формирования сигнала радиочастотного возбуждения и блока формирования управляющего напряжения, а входом - с выходом подстраиваемого кварцевого генератора, см. например, патент РФ [О.П.Харчев, Квантовый стандарт частоты, RU 2220499 С2, H03L 7/16, H01S 3/10, 27.12.2003]. Блок формирования сигнала радиочастотного возбуждения формирует из выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора (гармонического сигнала с частотой f₁) модулированный по фазе (частоте) СВЧ - сигнал радиочастотного возбуждения, номинальное значение частоты f₂ которого соответствует частоте f₀ рабочего атомного перехода квантового дискриминатора. В условиях постоянства внешних условий частота f₀ - стабильна и поэтому используется в качестве эталона для подстройки частоты подстраиваемого кварцевого генератора. Квантовый дискриминатор формирует на своем выходе сигнал, несущий информацию об отклонении текущего значения частоты f₂ от эталонной частоты f₀ . Блок формирования управляющего напряжения с помощью выходного сигнала квантового дискриминатора формирует сигнал ошибки, а затем путем интегрирования формирует управляющее напряжение для подстраиваемого кварцевого генератора. Под действием управляющего напряжения частота f₁ выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора и связанная с ней частота f₂ сигнала радиочастотного возбуждения изменяются в сторону уменьшения сигнала ошибки, осуществляя тем самым стабилизацию частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора относительно эталонной частоты f₀.

Недостатком известного устройства является невозможность существенного уменьшения габаритов конструкции при сохранении значений основных электрических параметров, вследствие наличия множества названных функциональных блоков, реализованных на дискретных компонентах и ограничений, связанных с физическими принципами распространения сигналов и распределения тепловых потоков.

Ближайшим аналогом заявляемого решения является радиоспектроскоп на газовой рубидиевой ячейке, описанный в авторском свидетельстве [Радиоспектроскоп на газовой ячейке SU 1671103 А1 , НO1S 1/06, 10.05.1995]. Радиоспектроскоп на газовой ячейке содержит магнитный экран, катушку для создания однородного магнитного поля, теплоизолирующую камеру, внутри которой размещены спектральная лампа, наполненная рубидием 87 (Rb⁸⁷), ячейка-фильтр, наполненная рубидием 85 (Rb⁸⁵) и буферным газом аргоном, и резонатор с нагревателем, датчиком температуры, фотодетектором и газовой ячейкой, наполненной Rb⁸⁷ и смесью буферных газов (аргон+азот). В резонатор введены две металлические пластины, газовая ячейка установлена в резонаторе между двумя металлическими пластинами в тепловом контакте с последними.

Радиоспектроскоп работает следующим образом: при включении поджигается разряд в спектральной лампе, излучение которой, проходя через ячейку-фильтр, обеспечивает накачку атомов рубидия в газовой ячейке, и фотодетектор регистрирует сигнал, характеризующий, взаимодействие накаченных атомов с СВЧ-полем, возбуждаемым в резонаторе с помощью СВЧ-диода, размещенного между одной из пластин и поверхностью резонатора. При совпадении частоты перехода F =2, m_F = 0 <-> F =1, m_F = 0 основного состояния атомов Rb с частотой СВЧ-поля интенсивность излучения, попадающего на фотодетектор, минимальна. Таким образом, в радиоспектроскопе формируется сигнал радиоспектроскопического резонанса. Для получения наибольшего сигнала газовая ячейка разогревается с помощью нагревателя до температуры 70°С, которая контролируется датчиком температуры. Магнитный экран и постоянное магнитное поле служат для выделения независимого рабочего перехода F =2, m_F = 0 <-> F =1, m_F = 0 основного состояния атомов Rb⁸⁷. При вариации частоты СВЧ-поля по отношению к частоте атомного расщепления интенсивность света, регистрируемая фотодетектором, изменяется и это изменение используется для подстройки частоты СВЧ-поля в схеме квантового стандарта на газовой ячейке. Система возбуждения СВЧ поля в конструкции прототипа не чувствительна к вибрациям, что обеспечивает высокую чувствительность радиоспектроскопа.

Недостатком данного решения, выбранного в качестве прототипа, как и других рассмотренных аналогов, является техническая и технологическая сложность реализации, обуславливающая увеличение риска нестабильности выходного сигнала и габаритных размеров устройства. Необходимость применения в конструкции сложных радиотехнических средств, используемых для некратного преобразования частоты сигнала кварцевого генератора и выделения сигнала ошибки, за счет свойственной радиотехническим средствам собственной нестабильности вносит свой вклад в нестабильность температурного режима функционирования (термостабильность) и частоты выходного сигнала кварцевого генератора, причем, чем больше этих средств, тем больше вносимый ими вклад в нестабильность выходного сигнала и технологических и эксплуатационных характеристик устройства.

Сущность изобретения

Техническая проблема, решаемая заявленным изобретением, заключается в предложении миниатюрного квантового генератора, обладающего высокой стабильностью сигнала на выходе устройства при сохранении его малых габаритов и малого энергопотребления, с возможностью поддержания данных эксплуатационных характеристик в широком диапазоне температур.

Достигаемый технический результат заключается в создании более надежного и экономичного квантового генератора на газовой ячейке с повышенной термоустойчивостью и работоспособностью устройства в расширенном диапазоне температур с одновременным сохранением высокой стабильности частоты на выходе устройства при сохранении его малых габаритов и малого энергопотребления.

Заявленный технический результат достигается применением сверхминиатюрного квантового генератора на основе эффекта двойного радиооптического резонанса, включающего установленные в корпусе теплоизолирующую камеру с размещенной внутри спектральной лампой, снабженной модулем розжига, и квантовый дискриминатор, содержащий магнитный экран с модулем создания постоянного магнитного поля, СВЧ резонатор с газовыми рабочей ячейкой и ячейкой-фильтром, возбудителем СВЧ поля и фотодетектором, опорный ВЧ- генератор и электронную систему управления, где рабочая газовые ячейки с фотодетектором установлены на оптической оси со спектральной лампой, с формированием единого оптического тракта, отличающийся тем, что корпус снабжен, размещенной внутри корпуса панелью теплоотвода, закрепленной на корпусе с возможностью подразделения внутреннего пространства на объемы, а квантовый дискриминатор содержит последовательно расположенные по оси оптического тракта спектральную лампу с парами Rb⁸⁷, термостат которой закреплен на одной из сторон теплоотвода, а к другой прикреплен совмещенный с СВЧ-резонатором термостат с размещенными внутри стеклянными газовой ячейкой-фильтром с парами Rb⁸⁵ и рабочей ячейкой с парами Rb⁸⁷, снабженный средствами термостабилизации и сопряженный с магнитным экраном, при этом система управления снабжена программируемой логической интегральной схемой с предустановленными программно-аппаратным образом алгоритмами детектирования атомного резонанса, формирования сигнала подстройки опорного генератора, установки, декодирования температуры и формирования управляющего сигнала для термостатов лампы и ячейки, посредством прямого цифрового синтеза частоты с возможностью модуляции НЧ сигналом.

В предпочтительном варианте осуществления заявленного изобретения, спектральная лампа установлена в термостат лампы и снабжена модулем розжига, сопряженным с соленоидом возбуждения лампы.

В еще одном возможном варианте осуществления, теплоотвод закреплен на корпусе и выполнен из материала с теплопроводностью порядка 0.2-0.3Вт/(м⋅K), с обеспечением перенаправления потока тепловой энергии от термостата лампы к термостату ячейки, разность температур которых составляет ~30 градусов, при максимальной температуре работы генератора так, чтобы поток энергии от теплоотвода к термостату ячейки не превышал поток энергии термостата ячейки к корпусу, потоки от термостата лампы к корпусу и от термостата ячейки к корпусу были существенно меньше потока от теплоотвода к корпусу, а поток от теплоотвода к термостату ячейки существенно меньше потока от термостат лампы к теплоотводу, а потоки от термостата лампы к теплоотводу и от термостата лампы к корпусу в совокупности не менее потока от модуля розжига спектральной лампы к термостату лампы при максимальной температуре работы генератора.

В соответствии с любым из возможных вариантов осуществления заявленным изобретением, алгоритм детектирования атомного резонанса программируемой логической интегральной схема выполнен на основе алгоритма Гёрцеля.

При этом в другом возможном варианте осуществления система управления может быть реализована программно-аппаратным способом на основе программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС), а управление режимами работы термостатов спектральной лампы и ячеек реализовано посредством соответствующих пропорционально-интегральных-дифференциальных регуляторов (ПИД-регуляторов), вход которых соединен с выходом соответствующего термостата для контроля температурного режима, а выход с выходами соответствующих термостатов для передачи управляющих команд, при этом ПЛИС дополнительно снабжена выполненным программно-аппаратным образом ПИД-регулятором подстройки опорного ВЧ-генератора, первый вход которого сопряжен с выходом модуля детектирования, реализованного программно-аппаратным образом на ПЛИС, вход которого сопряжен с выходом фотодетектора, а один из выходов соединен со входом опорного ВЧ-генератора, один из выходов которого соединен со входом сумматора, выполняющего функции модулятора, а второй - со входом реализованного программно-аппаратным образом на ПЛИС делителя частоты, снабженного синтезатором прямого цифрового синтеза с функцией НЧ модуляции, выход которого соединен со вторым входом сумматора, выход которого соединен со входом модуля умножения, сопряженного с термостатом газовых ячеек.

Краткий перечень чертежей

Сущность изобретения и возможность его осуществления поясняются иллюстративными материалами, представленными на фиг.1-2, где

фиг.1 - схемное представление квантового генератора в соответствии с заявленным решением;

фиг. 2 - схемное представление распределения тепловых потоков.

Следует отметить, что прилагаемые чертежи иллюстрируют только один из наиболее предпочтительных вариантов осуществления изобретения и не может рассматриваться в качестве ограничений содержания изобретения, которое включает и другие варианты его осуществления.

Осуществимость изобретения

Заявляемый квантовый генератор, как следует из представленной схему фиг.1, состоит из корпуса 1 с установленным на нем теплоотводом 2, выполненным, например, в форме пластины, из материала теплопроводность порядка 0.2-0.3Вт/(м⋅K), например, Zedex 510, на оппозитно расположенных сторонах которого закреплены элементы квантового дискриминатора: с одной из сторон - термостат с размещенной внутри спектральной лампой 4 (термостат лампы 3), а с другой (противоположной) - термостат 5 (термостат ячеек 5) с размещенными внутри газовыми ячейками (рабочей и фильтр-ячейкой (на схемах не показаны)). Термостат 5 с газовыми ячейками совмещен с СВЧ резонатором и сопряжен с фотодетектором 6. Внутри термостата 5 ячеек размещены стеклянные ячейка-фильтр с парами щелочного металла Rb⁸⁵ и рабочая ячейка с парами Rb⁸⁷. Термостат ячеек снабжен системой термостабилизации, реализованной программно-аппаратным образом, посредством системы управления реализованной на базе программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС) 7, сопряженной коммуникационными линиями с термостатом ячеек, и устройством 8 магнитного экранирования, состоящим из магнитного экрана и модуля создания магнитного поля (на схемах не показаны), например, содержащего катушку. Термостат лампы снабжен спектральной лампой и сопряжен с модулем 9 розжига лампы, установленным на термостате лампы. При этом термостат лампы также снабжен системой термостабилизации, реализованной программно-аппаратным образом, посредством системы управления реализованной на базе программируемой логической интегральной схемы, сопряженной коммуникационными линиями с термостатом.

Возможности миниатюризации конструкции квантового генератора на щелочных парах сильно ограничена, т.к. при продольном размещении компонентов (термостат спектральной лампы с модулем розжига, термостат ячеек, совмещенный с СВЧ-резонатором и окруженный магнитным экраном с модулем формирующем постоянное магнитное поле), в силу физических особенностей распространения стоячих волн в СВЧ-резонаторе и их связи с длиной волны и габаритными размерами СВЧ-резонатора, который в случае генератора на парах Rb⁸⁷ (~6.8ГГц) не может быть меньше ~25 мм в длину при сохранении добротности на уровне 300, а также в силу особенностей технологического процесса изготовления и заполнения рабочим изотопом спектральных ламп, противодействия эффекту самообращения в лампе (поглощение собственного излученного света), габаритным размерам катушки розжига и необходимости формирования различных тепловых режимов для резервуара со щелочным металлом в спектральной лампе и основного рабочего тела лампы, минимальная длина лампы составляет 12-16 мм. Исходя из этого единственным способом уменьшения габаритов квантового дискриминатора является уменьшение теплового зазора между термостатами и перераспределение тепловых потоков.

Возможность уменьшения габаритов квантового генератора, согласно заявленному решению, достигается за счет замены принципа термоизоляции (через воздушную прослойку) двух термостатов (термостат лампы и термостат ячеек) друг от друга на двустороннее крепление элементов квантового дискриминатора (термостата лампы с одной стороны, а термостата газовых ячеек к противоположной) к теплоотводу, смонтированного на основание корпуса изделия, с возможностью разделения внутреннего пространства корпуса на объемы и обеспечением перенаправления потока тепловой энергии от термостата лампы к термостату ячеек (без нарушения условий формирования оптического тракта генератора), разность температур которых составляет ~30 градусов, при максимальной температуре работы генератора так, чтобы поток энергии 11 от термостат лампы к теплоотводу (фиг.2) не превышал поток энергии 14 от термостата ячеек к корпусу, потоки 12 (от термостат лампы к корпусу) и 14 (от термостата ячеек к корпусу) были существенно меньше потока 13 (от теплоотвода к корпусу), а поток 11 (от теплоотвода к термостату ячеек) существенно меньше потока 10 (от термостата лампы к теплоотводу), что достигается за счет того, что тепловые потоки 12 (от термостата лампы к корпусу) и 14 (от термостат ячеек к корпусу) обеспечиваются воздушными прослойками с соответствующей малой теплопроводностью, материал теплоотвода Zedex 510 имеет теплопроводность порядка 0.2-0.3Вт/(м⋅K), а сам теплоотвод 2 крепится непосредственно к корпусу 1 генератора. Поток 10 (от термостата лампы к теплоотводу) и 12 (от термостата лампы к корпусу) в совокупности должны быть не менее потока 15 (от модуля розжига спектральной лампы к термостату лампы) при максимальной температуре работы генератора. Подобная конструкция позволяет обеспечить работу генератора до 85°C на корпусе при сохранении девиации Аллана за 1с на уровне 2..2.5E-11. При этом за счет данного перераспределения тепловых потоков также обеспечивается снижение энергопотребления квантового генератора в целом.

Вместе с тем малое энергопотребление квантового генератора на уровне 4 Вт достигается также за счет размещения части модуля розжига спектральной лампы на термостате лампы так, чтобы при тепловом равновесии (описанном выше) при максимальной температуре корпуса токи нагрева термостата лампы и термостата ячеек стремились к 0, а энергия затрачивалась только на обеспечение работы управляющей электроники и поддержание тлеющего разряда спектральной лампы.

Для детектирования сигнала атомного резонанса, традиционно, наиболее распространенными решениями являются использование методики синхронного детектирования и алгоритма быстрого преобразования Фурье. Однако применение методики синхронного детектирования в схеме с цифровой обработкой сигналов вызывает ряд трудностей, связанных с реализацией операций умножения сигналов, последующей фильтрацией полученного сигнала и выделения его фазы, информация о которой требуется для определения направления корректировки частоты опорного генератора (увеличение частоты, либо уменьшение).

В соответствии с заявленным решением, для решения задач детектирования сигнала атомного резонанса предлагается применение алгоритма Гёрцеля. Данный алгоритм, являясь цифровым алгоритмом, отличается помехозащищенностью по сравнению с аналоговым синхронным детектированием и меньшим числом необходимых вычислительных операций по сравнению с дискретным преобразованием Фурье или синхронным детектированием, реализованным цифровым способом (умножение + фильтр низких частот высокого порядка). Для сравнения, алгоритм Гёрцеля содержит: 2N+4 умножений, 4N+4 сложений/вычитаний, тогда как БПФ: 4N умножений и 4N сложений/вычитаний +таблица коэффициентов (где N - длина последовательности). При применении цифрового синхронного детектора (перемножение + фильтрация) только на фильтрацию требуется 2М умножений и 2М сложений (М - порядок фильтра), выполняемых одновременно.

Например, применительно к частному случаю квантовых генераторов как стандартов частоты детектируемые частоты известны заранее, так как генерируются на том же устройстве, интерес представляют лишь амплитуда и фаза принимаемого сигнала, поэтому нет необходимости вычисления всех спектральных составляющих (как, например, в БПФ), достаточно ограничиться лишь необходимой гармоникой, что позволяет обеспечить выигрыш в используемых ресурсах вычислительного блока.

Другим преимуществом применения данного алгоритма является отсутствие необходимости вычисления и хранения таблицы коэффициентов, которые, в общем случае, представляют собой числа с плавающей запятой, а операции с такими числами требуют дополнительных ресурсов. Для работы алгоритма Гёрцеля требуется вычисление одного коэффициента. При этом путем варьирования частоты модуляции (частоты детектирования) и частотой преобразования АЦП можно добиться целочисленного значения этого коэффициента, когда значение тригонометрической функции имеет целое или полуцелое значение.

Простота и применимость использования этого алгоритма достигается за счет известной заранее детектируемой частоты, отсутствия необходимости расчета набора коэффициентов Бесселя (как в Фурье) и отсутствия необходимости точного определения начальной фазы сигнала. Неоспоримым преимуществом алгоритма Гёрцеля также является то, что эти данные доступны уже в ходе вычисления амплитуды сигнала и могут быть определены по знаку функции синус, которая имеет неотрицательные значения в области от 0 до π.

Квантовый генератор, согласно заявленному решению, работает следующим образом.

После подачи питания, реализованная на базе ПЛИС система управления осуществляет проверку температуры спектральной лампы, т.к. розжиг тлеющего разряда в необходимом, установленным программно-аппаратным образом, режиме возможен только в определенном, установленном программно-аппаратным образом в памяти ПЛИС алгоритмом, диапазоне температур (и, соответственно, плотности паров рубидия). Поскольку, в заявленном решении ситуация с розжигом осложняется вследствие уменьшенных по сравнению с аналогами габаритами термостата лампы, который, за счет более близкого расположения к стеклянной кювете спектральной лампы, увеличивает взаимную индукцию, т.е. энергетические потери, катушки розжига и термостата лампы, тем самым еще больше сужая оптимальный диапазон розжига, с целью обеспечения быстрого розжига спектральной лампы система управления согласно предустановленному программно-аппаратным образом алгоритму инициирует процесс розжига в режиме «кольцевая мода», при котором до момента розжига температура поддерживается в диапазоне от 70° до 100°C (значения установлены экспериментально). В том случае, если при включении температура термостата лампы превышает 100°С (горячий пуск), фиксируемых системой управления посредством ПИД-регулятора (пропорционально-интегральный-дифференциальный регулятор) температуры спектральной лампы 16, система управления программно-аппаратным образом формирует управляющий сигнал на прекращение нагрева лампы и схема розжига модуля розжига лампы выключается для быстрого охлаждения модуля 9. Таким же образом алгоритм отрабатывает режим, в том случае, когда спектральная лампа не успевает разгореться до достижения температуры 100°С (холодный пуск).

После успешного розжига спектральной лампы, контролируемого системой управления, термостаты ячеек 5 и лампы 3 переходят в предустановленный программно-аппаратным образом режим по стандартному алгоритму, а их температуры, в соответствии с предустановленным программным алгоритмом, поддерживаются на уровне <±0.005°С при помощи цифровых ПИД-регуляторов 16 и 17, реализованных в программе ПЛИС, на которой выполнен соответствующий ПИД-регулятор.

Одновременно с работой термостатов система управления инициирует алгоритм поиска частоты атомного резонанса (эталонного атомного перехода) и его синхронного детектирования, в частном случае, реализованный на основе алгоритма Гёрцеля. Поиск частоты перехода осуществляется за счет плавного изменения частоты опорного ВЧ-генератора 19 и выполнения спектрального анализа сигнала фотодетектора посредством предустановленного алгоритма, например, алгоритма Гёрцеля, реализованного модулем детектирования 20 ПЛИС. На данном этапе программно заданный порог определения искомого резонанса сравнивается с интенсивностью и фазой спектральной составляющей на частоте НЧ модуляции, получаемых на выходе модуля детектирования 20. После преодоления порога генератор переходит из режима поиска резонанса в режим подстройки опорного ВЧ-генератора 19, для которого сигнал «ошибки» формирует модуль подстройки опорного ВЧ-генератора, реализованный в виде соответствующего ПИД-регулятора 18 на основе ПЛИС. Один из выходов опорного ВЧ генератора соединен со входом сумматора 21, выполняющего функции модулятора, а второй - со входом реализованного программно-аппаратным образом на ПЛИС делителя частоты 22, снабженного синтезатором 23 прямого цифрового синтеза с функцией НЧ модуляции, выход которого соединен со вторым входом сумматора 21, выход которого соединен со входом модуля умножения 24, непосредственно сопряженного с термостатом газовых ячеек 5.

Как правило, «захват» частоты атомного перехода происходит до момента достижения термостатами 3 и 5 установленных температур. Более того, отношение сигнал/шум на фотодетекторе 6 достигает своего пика при температуре рабочей газовой ячейки меньше устанавливаемого значения. Это зависимость носит фундаментальный характер и связана с тепловой энергией, пропорциональной kT (где T - температура паров рабочего вещества, в данном случае Rb⁸⁷ в резонансной ячейке) и вносящей вклад в шумовую составляющую спектра. При этом величина отношения сигнал/шум является определяющим для ряда характеристик конечного устройства. К таким характеристикам, в частности, относятся девиация Аллана (Кратковременная нестабильность частоты) и фазовые шумы. Большая температура термостатов устанавливается с целью расширения температурного диапазона работы генератора, т.е. чтобы избежать их перегрева при повышении температуры корпуса устройства. Как экспериментально установлено, заиленное решение, обеспечивает работу генератора в диапазоне температур от -40° до +80°С на корпусе.

Таким образом, квантовый генератор, согласно заявленному решению, обеспечивает работу в существенно более широком, по сравнению с известными аналогами, диапазоне температур при сохранении те же точностных характеристики, что и генераторы, работающие в меньшем диапазоне температур (при тех же и больших габаритах). Данный результат достигается за счет конструкции термостатов и перераспределении тепловых потоков между ними, что позволяет установить температуры термостатов достаточно маленькими для достижения указанных точностных характеристик (2-3E-11@1с).

Таким образом, заявляемое решение квантового генератора осуществимо и обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в создании более надежного и экономичного квантового генератора на газовой ячейке с повышенной термоустойчивостью и работоспособностью устройства в расширенном диапазоне температур с одновременным сохранением высокой стабильности частоты на выходе устройства при снижении его габаритов и малом энергопотреблении.

Изобретение относится к технике квантовых устройств и может быть использовано в квантовых стандартах частоты на газовой ячейке с оптической накачкой. Технический результат - повышение термоустойчивости и работоспособности устройства в расширенном диапазоне температур с одновременным сохранением высокой стабильности частоты на выходе устройства при сохранении его малых габаритов и малого энергопотребления. Квантовый генератор на основе эффекта двойного радиооптического резонанса содержит установленные в корпусе квантовый дискриминатор, содержащий магнитный экран с модулем создания постоянного магнитного поля, СВЧ резонатор с газовой ячейкой, возбудителем СВЧ поля и фотодетектором, опорный ВЧ-генератор и электронную систему управления. Корпус снабжен панелью теплоотвода, а квантовый дискриминатор содержит последовательно расположенные в оптической схеме спектральную лампу с парами Rb⁸⁷, термостат которой установлен с одной из сторон теплоотвода, а к другой прикреплен совмещенный с СВЧ-резонатором термостат с размещенными внутри стеклянными газовой ячейкой-фильтром с парами Rb⁸⁵ и рабочей ячейкой с парами Rb⁸⁷, снабженный средствами термостабилизации и сопряженный с магнитным экраном. Система управления снабжена программируемой логической интегральной схемой с предустановленными программно-аппаратным образом алгоритмами детектирования атомного резонанса, формирования сигнала подстройки опорного генератора, установки, декодирования температуры и формирования управляющего сигнала для термостатов лампы и ячейки, посредством прямого цифрового синтеза частоты с возможностью модуляции НЧ сигналом. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Квантовый генератор на основе эффекта двойного радиооптического резонанса, включающий установленные в корпусе теплоизолирующую камеру с размещенной внутри спектральной лампой, снабженной модулем розжига, и квантовый дискриминатор, содержащий магнитный экран с модулем создания постоянного магнитного поля, СВЧ резонатор с газовыми рабочей ячейкой и ячейкой-фильтром, возбудителем СВЧ поля и фотодетектором, опорный ВЧ-генератор и электронную систему управления, где рабочая газовые ячейки с фотодетектором установлены на оптической оси со спектральной лампой, с формированием единого оптического тракта, отличающийся тем, что корпус снабжен размещенной внутри корпуса панелью теплоотвода, закрепленной на корпусе с возможностью подразделения внутреннего пространства на объемы, а квантовый дискриминатор содержит последовательно расположенные по оси оптического тракта спектральную лампу с парами Rb⁸⁷, термостат которой закреплен на одной из сторон теплоотвода, а к другой прикреплен совмещенный с СВЧ резонатором термостат с размещенными внутри стеклянными газовой ячейкой-фильтром с парами Rb⁸⁵ и рабочей ячейкой с парами Rb⁸⁷, снабженный средствами термостабилизации и сопряженный с магнитным экраном, при этом система управления снабжена программируемой логической интегральной схемой с предустановленными программно-аппаратным образом алгоритмами детектирования атомного резонанса, формирования сигнала подстройки опорного генератора, установки, декодирования температуры и формирования управляющего сигнала для термостатов лампы и ячейки, посредством прямого цифрового синтеза частоты с возможностью модуляции НЧ сигналом.

2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что спектральная лампа установлена в термостат лампы и снабжена модулем розжига, сопряженным с соленоидом возбуждения лампы.

3. Генератор по п.1, отличающийся тем, что теплоотвод закреплен на корпусе и выполнен из материала с теплопроводностью порядка 0.2-0.3Вт/(м·K), с обеспечением перенаправления потока тепловой энергии от термостата лампы к термостату ячейки, разность температур которых составляет ~30 градусов, при максимальной температуре работы генератора так, чтобы поток энергии от теплоотвода к термостату ячейки не превышал поток энергии термостата ячейки к корпусу, потоки от термостата лампы к корпусу и от термостата ячейки к корпусу были существенно меньше потока от теплоотвода к корпусу, а поток от теплоотвода к термостату ячейки существенно меньше потока от термостат лампы к теплоотводу, а потоки от термостата лампы к теплоотводу и от термостата лампы к корпусу в совокупности не менее потока от модуля розжига спектральной лампы к термостату лампы при максимальной температуре работы генератора,

4. Генератор по любому из пп.1-3 отличающийся тем, что алгоритм детектирования атомного резонанса программируемой логической интегральной схемы выполнен на основе алгоритма Гёрцеля.

5. Генератор по п.4, отличающийся тем, что система управления реализован программно-аппаратным способом на основе программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС), а управление режимами работы термостатов спектральной лампы и ячеек реализовано посредством соответствующих пропорционально-интегральных-дифференциальных регуляторов (ПИД-регуляторов), вход которых соединён с выходом соответствующего термостата для контроля температурного режима, а выход с выходами соответствующих термостатов для передачи управляющих команд, при этом ПЛИС дополнительно снабжена выполненным программно-аппаратным образом ПИД-регулятором подстройки опорного ВЧ-генератора, первый вход которого сопряжен с выходом модуля детектирования, реализованного программно-аппаратным образом на ПЛИС, вход которого сопряжён с выходом фотодетектора, а один из выходов соединен со входом опорного ВЧ-генератора, один из выходов которого соединен со входом сумматора, выполняющего функции модулятора, а второй - со входом реализованного программно-аппаратным образом на ПЛИС делителя частоты, снабженного синтезатором прямого цифрового синтеза с функцией НЧ модуляции, выход которого соединен со вторым входом сумматора, выход которого соединен со входом модуля умножения, сопряжённого с термостатом ячеек.