АТОМНО-ЛУЧЕВАЯ ТРУБКА Российский патент 2022 года по МПК H03L7/26 

Изобретение относится к технике квантовых дискриминаторов частоты (КДЧ). Точностные характеристики стандарта частоты определяются характеристиками его основного элемента - атомно-лучевой трубки (АЛТ) с магнитной селекцией (АЛТ-МС) или атомно-лучевой трубки с лазерной накачкой и лазерным детектированием (АЛТ-ЛН), использование которых позволяет обеспечить генерацию чрезвычайно точных сигналов частоты, относительная нестабильность таких сигналов находится на уровне 10^-14.

Известны атомно-лучевой трубки с лазерной накачкой и лазерным детектированием. Рабочие характеристики АЛТ и срок службы прибора определяются уровнем вакуума в вакуумном пространстве АЛТ. Для обеспечения высокого вакуума в приборе в вакуумной области АЛТ вводятся газопоглотители (геттеры), расположенные вдоль траектории движения атомов цезия, в так называемом пролетном пространстве АЛТ. (См., например, Стандарты частоты и времени на основе квантовых генераторов и дискриминаторов. // ред. Б.П. Фатеева, Москва «Советское радио», 1978; Евсеева Л.И., Лысогоров О.С. Термодинамические свойства системы пористый титан-водород. Электронная техника, сер. 1, СВЧ-техника, вып. 4, 1968, с. 141-152.).

В классических АЛТ с магнитной селекцией атомных состояний применяют, наряду с графитовым геттером, дополнительный геттер в виде шайбы, изготовленной из порошка титан-ванадия с пропиткой готового геттера коллоидно-водным раствором графита (ЦМТ). Шайбу устанавливают в области индикаторного узла (патент РФ №2374822, 2009 г.), поскольку в индикаторном узле образуются ионы цезия и необходимо обеспечить низкий уровень шумов выходного тока АЛТ. Упомянутый геттер обладает температурой активации 500°С.

Наиболее близкой к предлагаемой АЛТ-ЛН является атомно-лучевая трубка с лазерной накачкой и детектированием атомов цезия, изготовленная в вакуумном корпусе (Цезиевые атомно-лучевые трубки с магнитной селекцией и лазерной накачкой / М.П. Лещенко, С.А. Плешанов, И.И. Самарцев, Ю.А. Турутин, В.В. Чугунов // Электронная техника, Сер. 1, СВЧ-техника - 2013. - Вып. 4 (519). с. 114-120).

Материал газопоглотителей, помимо большой емкости по отношению к цезию и большой скорости реакции с ним, должен удовлетворять ряду специальных требований, таких как: температура активации, пористость геттера, прочность, скорость сорбции и сорбционная емкость по водороду, азоту и углекислому и угарному газу. Необходимость удовлетворения указанным требованиям чрезвычайно ограничивает возможности выбора материалов, пригодных для использования в качестве геттеров в АЛТ-ЛН.

Конструкция АЛТ-ЛН существенно отличается от конструкции классической АЛТ с магнитной селекцией атомных состояний. В АЛТ-ЛН индикаторный узел отсутствует, поскольку детектирование атомного пучка проводится с помощью лазерного излучения в специально разработанной оптической камере детектирования. Также в состав АЛТ-ЛН входят оптические окна в камерах накачки и детектирования атомного пучка, поэтому технологические операции не позволяют нагревать прибор выше 420°С. Таким образом, активировать титан-ванадиевую шайбу с пропиткой ЦМТ не представляется возможным.

АЛТ-ЛН выполнена в виде отпаянного герметизированного электровакуумного прибора с металлокерамическими вводами и оптическими окнами, в котором в рабочем режиме поддерживается давление остаточных газов не хуже 10^-7 мм рт.ст. в течение всего срока службы.

Недостатками АЛТ-ЛН указанной конструкции являются: недостаточный уровень вакуума, обеспечиваемый с помощью магниторазрядного насоса (МЭН) и системы газопоглотителей АЛТ-ЛН; наличие задержки между подачей питающего напряжения и моментом включения насоса МЭН; постепенное ухудшение вакуума в рабочем режиме в процессе непрерывного функционирования АЛТ-ЛН.

На устранение указанных недостатков направлено заявляемое техническое решение.

Техническим результатом является улучшение вакуума в пролетном пространстве АЛТ-ЛН в рабочем режиме и удержание вакуума в режиме хранения, уменьшение времени задержки между подачей питающего напряжения и моментом включения магниторазрядного насоса (МЭН), увеличение срока службы прибора.

Предлагаемая атомно-лучевая трубка с лазерной накачкой и детектированием атомов цезия, содержит в вакуумном корпусе источник пучка атомов цезия, первую оптическую камеру для накачки атомов цезия, системы торцевой магнитной защиты, СВЧ-резонатор, катушку соленоида, вторую оптическую камеру детектирования атомов цезия, магниторазрядный насос, систему магнитной защиты и геттеры, расположенные вдоль траектории прохождения пучка, а в области между второй оптической камерой детектирования атомного пучка и магниторазрядным насосом дополнительно установлен комбинированный геттер в виде графитового вкладыша с внешним диаметром D_вкл и с внутренним отверстием диаметром d_вкл и титан-ванадиевой вставкой с внутренним отверстием диаметром d_вст≥10 мм, причем d_вкл>d_вст, и D_вст/d_вст≥2, где D_вст - внешний и d_вст - внутренний диаметры вставки; отношение частей комбинированного геттера составляет 3≤H/h_вст≤4, где Н - общая толщина графитовой части, h_вст - толщина титан-ванадиевой вставки; в графитовом вкладыше с одной стороны выполнена выемка, в которую помещена титан-ванадиевая вставка, кроме того, в графитовом вкладыше на глубине (Н-h_вст)/2 выполнена проточка диаметром d_вклl<d<D_вст и шириной 2-3 мм.

В предложенной АЛТ-ЛН система газопоглотителей ориентирована на поддержание уровня высокого вакуума, прежде всего, за счет поглощения атомов цезия и остаточных газов.

Сигнал АЛТ регистрируется в оптической камере детектирования, расположенной на выходе стороне U-образного СВЧ-резонатора. Именно в этой области требуется обеспечить минимальный уровень шумов выходного сигнала (спектральная плотность мощности 8-10^-6 В⋅Гц^-1/2 на частоте 30 Гц), который существенно зависит от наличия остаточных газов и паров атомарного цезия, а контроль вакуума ведется по измерению тока магниторазрядного насоса, размещенного вблизи. Указанная задача решается за счет использования в вакуумном пространстве АЛТ в области между второй оптической камерой детектирования атомного пучка и магниторазрядным насосом компактного комбинированного геттера в виде графитового вкладыша с титан-ванадиевой вставкой.

Графитовый вкладыш используется для утилизации отработавшего атомарного цезия, а титан-ванадиевая вставка - для поглощения остаточных газов: водорода, азота, углекислого газа и др.

Наличие центрального отверстия вставки диаметром d_вст≥10 мм необходимо для прямого прохождения отработавших цезиевых атомов. Его диаметр не должен быть меньше диаметра атомного пучка, определяемого расходимостью атомного потока. Диаметр атомного пучка, определяемого расходимостью атомного потока, составляет порядка 10 мм.

Графитовый вкладыш поглощает атомы цезия на поверхности, после чего они диффундируют внутрь его объема. В графитовом вкладыше с одной стороны выполнена выемка, в которую помещается титан-ванадиевая вставка, поглощающая остаточные газы. Важнейшее значение имеет скорость откачки остаточных газов. С целью обеспечения достаточной скорости откачки в процессе обезгаживания прибора в процессе изготовления в упомянутом графитовом вкладыше на глубине = (Н-h_вст)/2 выполнена проточка диаметром d_вкл<d<D_вст и шириной 2-3 мм. Такая проточка служит для увеличения рабочей поверхности графитового вкладыша, поскольку глубина диффузии атомарного цезия составляет порядка 3 мм.

На размеры комбинированного геттера, и в частности, на отношение толщины графитового вкладыша и титан-ванадиевой вставки 3≤H/h_вст≤4, на отношение внешних и внутренних диаметров графитового вкладыша и титан-ванадиевой вставки, накладывается ограничение, связанное с необходимостью обеспечения компактности АЛТ-ЛН - прибора космического назначения.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 представлено схематическое изображение предлагаемой АЛТ-ЛН с установленным комбинированным геттером (графитовым вкладышем с титан-ванадиевой вставкой), где:

1 - вакуумный корпус прибора;

2 - источник цезиевого атомного пучка;

3 - оптическая камера накачки атомного пучка;

4 - СВЧ-резонатор;

5 - катушки для создания слабого магнитного поля;

6 - оптическая камера детектирования атомного пучка;

7 - комбинированный геттер;

8 - система магнитных экранов АЛТ;

9 - магниторазрядный насос;

10 - графитовый геттер.

На фиг. 2 представлен разрез комбинированного геттера с титан-ванадиевой вставкой, где 1 - графитовый вкладыш; 2 - титан-ванадиевая вставка.

Устройство работает следующим образом. В вакуумном корпусе 1 расположены: источник пучка цезиевого атомного пучка 2, оптическая камера 3 накачки атомного пучка, СВЧ резонатор 4, катушки для создания слабого магнитного поля 5, оптическая камера 6 детектирования атомного пучка, комбинированный геттер 7, система магнитных экранов АЛТ 8; магниторазрядный насос 9, компактные графитовые поглотители 10 цезия.

Источник атомного пучка 2, при нагреве до рабочей температуры, формирует в АЛТ-ЛН коллимированный поток атомов цезия, летящих через оптическую камеру 3 накачки, СВЧ резонатор 4, находящиеся в слабом магнитном поле. В исходном состоянии атомы равновероятно распределены по всем магнитным квантовым состояниям (m-состояниям) нижнего энергетического уровня. Атомы цезия селектируются по магнитным квантовым состояниям в оптической камере накачки и проходят через СВЧ резонатор 4. Взаимодействие с СВЧ полем на определенной частоте изменяет их квантовое состояние. Оптическая камера 6 детектирования атомного пучка служит для детектирования атомов, совершивших переходы по току флоуресценции, регистрируемому фотодиодом. Система автоматической подстройки частоты (на чертеже не показана), управляемая выходным током АЛТ-ЛН, обеспечивает чрезвычайно высокую стабильность частоты выходного сигнала (См. подробнее: М.П. Лещенко, С.А. Плешанов, И.И. Самарцев, Ю.А. Турутин, В.В. Чугунов // Электронная техника, Сер. 1, СВЧ-техника - 2013- Вып. 4 (519). с. 114-120). После прохождения оптической камеры 6 поток атомов цезия проходит комбинированный геттер 7 в виде графитового вкладыша с титан-ванадиевой вставкой, размещенный между экранами 8 торцевой магнитной защиты (показано пунктиром). Контроль вакуума в АЛН-ЛН осуществляется по току МЭН - магниторазрядного насоса 9.

Пример конкретного исполнения. Для испытания электрических и вакуумных характеристик атомно-лучевых трубок с лазерной селекцией атомных состояний были изготовлены два экспериментальных образца цезиевых АЛТ-ЛН, причем образец №1 без графитового вкладыша и титан-ванадиевой вставки, а образец №2 содержит комбинированный геттер, расположенный в области между оптической камерой детектирования и МЭН.

Для использования в АЛТ-ЛН был исследован комбинированный геттер с вставкой из порошка сплава титан-ванадий марки ПТФ ТУ 14-1-4699-2003 г.

Графитовый вкладыш выполнен из материала марки МПГ-6, отожженного в вакууме при температуре 1300°С. Диаметр его составил D_вкл=51,5 мм, толщина Н=12,6 мм, масса 26,4 г.

Титан-ванадиевая вставка изготовлена толщиной h_вст=4 мм, имеет внешний диаметр D_вст=40 мм и внутренний диаметр d_вст=12 мм, массу 11,7 г. Средний размер пор спеченного сплава титан-ванадий составил σ=70 мкм. Наличие центрального отверстия вставки диаметром d_вст необходимо для прямого прохождения отработавших цезиевых атомов. Его диаметр не должен быть меньше диаметра атомного пучка, определяемого расходимостью атомного потока. В АЛТ-ЛН на расстоянии 380 мм от коллиматора источника цезия диаметр составляет около 12 мм.

Эффективная площадь поверхности комбинированного геттера с титан-ванадиевой вставкой составила 1200 см², что обеспечило улучшение вакуумных характеристик прибора.

В таблице 1 приведены результаты измерения скорости сорбции и сорбционной емкости титан-ванадиевой вставки.

При испытании образцов измерялись следующие параметры: время задержки t_зад между подачей питающего питания и включением МЭН, величина броска тока I_бросок в момент включения МЭН, значение тока насоса I_o в установившемся режиме без включения цезиевого источника, а также величина тока I_Cs насоса в рабочем режиме АЛТ-ЛН с включенным источником атомов цезия. Давление Р в макетах АЛТ-ЛН рассчитывалось по току встроенного магниторядрядного насоса МЭН, расположенного в зоне детектирования цезиевого атомного пучка.

Результаты испытаний экспериментальных образцов АЛТ-ЛН приведены в таблице 2.

Результаты измерения давления Р в пролетном пространстве АЛТ-ЛН показали, что прибор с встроенной титан-ванадиевой вставкой позволяет добиться более глубокого вакуума в пролетном пространстве в области оптической камеры детектирования АЛТ-ЛН.

Установлено, что в образцах АЛТ-ЛН с графитовым вкладышем с титан-ванадиевой вставкой величина броска тока I_бросок магниторазрядного насоса в момент включения насоса значительно ниже, чем у образцов без титан-ванадиевой вставки. Это говорит о том, что в процессе хранения приборов, вакуум в образцах АЛТ-ЛН с титан-ванадиевой вставкой сохраняется лучше.

Разработанная цезиевая АЛТ-ЛН с комбинированным графитовым вкладышем с титан-ванадиевой вставкой характеризуется глубоким вакуумом - менее 10^-8 мм рт.ст. на протяжении длительного времени работы приборов.

Испытания АЛТ-ЛН с комбинированным геттером подтвердили достижение заявленного технического результата.

Таким образом, АЛТ-ЛН с комбинированным геттером в виде графитового вкладыша с встроенной титан-ванадиевой вставкой позволяет улучшить вакуум в пролетном пространстве АЛТ-ЛН в рабочем режиме и удержать вакуум в режиме хранения, уменьшить время задержки между подачей питающего напряжения и моментом включения магниторазрядного насоса (МЭН), увеличить срок службы прибора.

Изобретение относится к квантовым дискриминаторам частоты. Атомно-лучевая трубка с лазерной накачкой и детектированием атомов Cs содержит в вакуумном корпусе источник пучка атомов Cs, первую оптическую камеру накачки атомов Cs, первую систему торцевой магнитной защиты, СВЧ-резонатор, катушку соленоида, вторую систему торцевой магнитной защиты, вторую оптическую камеру детектирования, магниторазрядный насос, систему магнитной защиты и геттеры, расположенные вдоль траектории прохождения пучка, согласно изобретению между второй оптической камерой детектирования и магниторазрядным насосом установлен комбинированный геттер - графитовый вкладыш с внутренним отверстием диаметром d_вкл и титан-ванадиевой вставкой с отверстием диаметром d_вст≥10 мм, причем d_вкл>d_вст и D_вст/d_вст≥2, где D_вст - внешний и d_вст - внутренний диаметры вставки; отношение частей геттера составляет 3≤H/h_вст≤4, где Н - толщина графитовой части, h_вст - толщина титан-ванадиевой вставки; в графитовом вкладыше с одной стороны выполнена выемка, в которую помещена титан-ванадиевая вставка; в вкладыше на глубине (Н-h_вст)/2 выполнена проточка диаметром d_вкл<d<D_вст и шириной 2-3 мм. Технический результат - улучшение вакуума в рабочем режиме и режиме хранения, уменьшение времени задержки подачи питающего напряжения и включения магниторазрядного насоса, увеличение срока службы прибора. 2 ил., 2 табл.

Атомно-лучевая трубка с лазерной накачкой и детектированием атомов цезия, содержащая в вакуумном корпусе источник пучка атомов цезия, первую оптическую камеру для накачки атомов цезия, системы торцевой магнитной защиты, СВЧ-резонатор, катушку соленоида, вторую оптическую камеру детектирования атомов цезия, магниторазрядный насос, систему магнитной защиты и геттеры, расположенные вдоль траектории прохождения пучка, отличающаяся тем, что в области между второй оптической камерой детектирования атомного пучка и магниторазрядным насосом дополнительно установлен комбинированный геттер в виде графитового вкладыша с внутренним отверстием диаметром d_вкл и титан-ванадиевой вставкой с внутренним отверстием диаметром d_вст≥10 мм, причем d_вкл>d_вст и D_вст/d_вст≥2, где D_вст - внешний и d_вст - внутренний диаметры вставки; отношение частей комбинированного геттера составляет 3≤H/h_вст≤4, где Н - общая толщина графитовой части, h_вст - толщина титан-ванадиевой вставки; в графитовом вкладыше с одной стороны выполнена выемка, в которую помещена титан-ванадиевая вставка; кроме того, в графитовом вкладыше на глубине (Н-h_вст)/2 выполнена проточка диаметром d_вкл<d<D_вст и шириной 2-3 мм.