Квантовый стандарт частоты Российский патент 2024 года по МПК H03B17/00 H03L7/00 

Изобретение относится к квантовым стандартам частоты (КСЧ), устройствам для генерирования гармонических электрических сигналов с высокой стабильностью частоты, и может быть использовано в электронных приборах в качестве задающего генератора мегагерцового диапазона.

Известен квантовый стандарт частоты на основе эффекта когерентного пленения населенностей (КСЧ-КПН) на основе вертикально-излучающего лазера (VCSEL) и газовой ячейки с парами Rb⁸⁷ или Cs [1]. Данный аналог имеет меньшие размеры и массу, а также меньшее потребление энергии по сравнению с рубидиевым КСЧ на основе лампы. Однако, надежность и долговременную работоспособность устройства, использующего лазер VCSEL, гарантировать затруднительно, поскольку надежность лазера во многом определяется технологией его производства. Иногда, после нескольких лет, или даже месяцев работы структура лазерного диода начинала проявлять признаки деградации.

Наиболее близким по своему техническому решению является устройство [2]. Устройство использует спектральную газоразрядную лампу с Rb⁸⁷. При этом, он использует фильтрующую ячейку с Rb⁸⁵, для создания в рабочей ячейке неравновесной населенности уровней основного состояния атомов Rb⁸⁷ за счет поглощения фильтрующей ячейкой некоторых компонент спектра лампы. Рабочая ячейка находится в сверхвысокочастотном (СВЧ) резонаторе, в котором возбуждается частота микроволнового перехода атомов Rb⁸⁷. Размеры такого резонатора определяются длиной волны СВЧ колебаний, и не могут быть произвольно уменьшены. При этом резонатор с ячейкой размещается в термостате и расход мощности на поддержание заданной температуры во многом определяется площадью поверхности термостата. Кроме того, спектральная лампа возбуждается индуктором, и в катушке индуктора, а также в выходных каскадах усилителя выделяется значительная мощность.

Техническим результатом, получаемым от внедрения изобретения, является создание надежного и долговечного квантового стандарта частоты, который исключает использование лазера и реализует новый режим работы КСЧ, а в случае замены Rb⁸⁷ на Cs имеет габариты, массу и потребляемую мощность меньше, чем у рубидиевого КСЧ на основе лампы.

Уменьшение потребляемой мощности при одновременном снижении массы и габаритов КСЧ возможны за счет замены Rb⁸⁷ на Cs, как в лампе, так и в рабочей ячейке.

Однако, в конструкции [2] невозможно просто заменить активное вещество Rb⁸⁷ на Cs, сохранив неизменным конструкцию и алгоритм работы устройства. Однако, функцию фильтрующей ячейки в [2] можно реализовать иначе, создавая неравновесную населенность уровней основного состояния Cs в рабочей ячейке не статически, а динамически, реализовав Ларморову прецессию намагниченности паров Cs в рабочей ячейке, подобно тому, как это происходит в квантовых магнитометрах с автогенерацией.

Уменьшение габаритов, массы и потребляемой мощности производятся за счет уменьшения размера резонатора и КСЧ в целом при переходе от частоты микроволнового перехода 6,835 ГГц у Rb⁸⁷ на 9,193 ГГц у Cs. Так как квадрат отношения частот равен 0,55, а куб 0,4, т.е. площадь поверхности термостата в этом случае составит примерно 55%, а объем 40% по сравнению с КСЧ на Rb⁸⁷, а требуемая мощность термостата будет в результате этого меньше. Замена щелочного металла на Cs уменьшает объем и массу СВЧ резонатора и содержащего его магнитного экрана и термостата. Одновременно можно ожидать увеличение срока службы и надежности КСЧ, так как Cs является химически менее активным элементом по сравнению с Rb и при рабочих температурах лампы и ячейки срок службы КСЧ увеличится.

Создание неравновесной населенности позволяет настроить частоту СВЧ генератора точно на частоту микроволнового перехода за счет обработки принятого фотодиодом сигнала, а именно за счет изменения прозрачности ячейки при точном совпадении частот. Для этого в СВЧ резонатор подается частота микроволнового перехода F₀ примерно равная 6,8 ГГц, одновременно проводится ее частотная модуляция с частотой F_sk порядка единиц или десятков тысяч Герц и с подходящей амплитудой.

Изобретение поясняется чертежом.

На Фиг. 1 представлена общая схема заявленного устройства, где:

1. Безэлектродная газоразрядную лампа

2. Газовая ячейка

3. Резонатор

4. Термостат

5. Магнитный экран ячейки

6. Катушка подмагничивания

7. Фотоприемник

8. Усилитель фототока

9. Электронная схема управления

10. Кварцевый управляемый генератор выходного сигнала стандарта

11. Линзы конденсора

12. Поляризатор

13. Четвертьволновая пластинка

14. Дополнительная катушка возбуждения поля переменным током

На общей схеме также обозначены цепи:

15. Выходной сигнал устройства

16. Тактирование электронной схемы управления

17. Управление частотой и фазой кварцевого генератора

18. Питание газоразрядной лампы

19. Усиленный сигнал фототока

20. Сигнал возбуждения резонатора СВЧ диапазона

21. Управление нагревателем термостата

22. Контроль температуры термостата

23. Ток подмагничивания катушки постоянного магнитного поля

24. Сигнал переменного тока дополнительной катушки возбуждения поля, реализующий режим Ларморовой прецессии атомов в газовой ячейке.

В предлагаемом изобретении неравновесная населенность создается не статически, а динамически. Для этого реализуется механизм, используемый широко в магнитометрах [3], в которых в режиме самовозбуждения возбуждается Ларморова прецессия намагниченности паров активного вещества. И вместе с частотой Ларморовой прецессии (примерно равной 30-100 кГц) меняются соотношения населенностей уровней и прозрачность ячейки. Таким образом, неравновесность населенностей уровней образуется не статически, а динамически на частоте Ларморовой прецессии.

Поставленный технический результат достигается тем, что предлагается миниатюрный квантовый стандарт частоты (Фиг. 1), содержащий безэлектродную газоразрядную лампу (1), газовую ячейку (2), размещенную в резонаторе (3), термостат (4), магнитный экран ячейки (5), катушка подмагничивания (6), фотоприемник (7), усилитель фототока (8), электронную схему управления (9) и кварцевый управляемый генератор выходного сигнала стандарта (10). Стандарт дополнительно содержит линзы конденсора (11), поляризатор (12), четвертьволновую пластинку (13) и дополнительную катушку (14) возбуждения поля переменным током, причем управление кварцевым генератором проводится согласно сигналу квантового дискриминатора частоты, вырабатываемого по формуле:

,

где

S_ML(t_X) - квантовый дискриминатор частоты КСЧ,

S(t) - выход усилителя сигнала фотоприемника,

Т - время усреднения (равное, например, 1 мс),

F_sk - частота частотной модуляции СВЧ генератора,

f_HL - частота Ларморовой прецессии,

ϕ_M и ϕ_L - фазы (подбираются экспериментально),

t_X - время в момент выработки сигнала дискриминатора,

A_L и B_L - константы (возможен выбор A_L=0).

Магнитное поле катушки подмагничивания регулируется по сигналу дискриминатора частоты и фазы Ларморовой прецессии S_L(t_X), вызываемой катушкой возбуждения.

Кварцевый генератор вырабатывает выходной сигнал устройства (15), при этом по цепи (16) он осуществляет тактирование электронной схемы управления, а по цепи (17) управляющая электроника подстраивает частоту и фазу кварцевого генератора. По цепи (18) на газоразрядную лампу подается питание требуемой мощности. По цепи (19) принятый фотодиодами усиленный сигнал фототока поступает для обработки, при этом по цепи (20) осуществляется подача СВЧ сигнала на резонатор. По цепи (21) производится управление температурой термостата, при этом по цепи (22) контролируется температура термостата. По цепи (23) в катушке подмагничивания создается магнитное поле в зоне расположения ячейки, причем направление поля составляет с направлением оптической оси лампа-фотоприемник угол примерно равный 45°, а на дополнительную катушку по цепи (24) осуществляется подача сигнала, реализующего режим Ларморовой прецессии намагниченных паров Cs за счет автогенерации при выработке усиленного сигнала фототока и требуемого поворота его фазы, аналогично режиму работы магнитометров с самовозбуждением.

1. Пат.197054 Российская Федерация, МПК H03L 7/26, H01S 1/06. Сверхминиатюрный квантовый стандарт частоты / С.Н. Атутов, С.Н. Багаев, М.Ю. Басалаев [и др.]; заявитель и патентообладатель ИФ ИЛФ СО РАН, ФГУП "ВНИИФТРИ". - №2019141134; заявл. 12.12.2019; опубл. 26.03.2020, Бюл. №9.

https://yandex.ru/patents/doc/RU197054Ul_20200326

2. PC. Robison, "Tuning arrangement utilizing optical pumping", U.S. Patent 3038126, June 5, 1962.

https://patentimages.storage.googleapis.com/9a/d4/ab/30d31e1d54593e/US3038126.pdf

3. Александров Е.Б., Балабас M.B., Вершовский A.K. и др. Экспериментальная демонстрация разрешающей способности квантового магнитометра с оптической накачкой // Журнал технической физики, 2004, т. 74, вып. 4.

Изобретение относится к квантовым стандартам частоты. Технический результат заключается в создании надежного и долговечного квантового стандарта частоты, который исключает использование лазера, а также в снижении габаритов, массы и потребляемой мощности при использовании лампы и ячейки с природным цезием. Для этого предложен квантовый стандарт частоты, содержащий последовательно связанные оптически безэлектродную спектральную лампу, газовую ячейку, размещенную в резонаторе, термостате и магнитном экране, содержащем также катушку подмагничивания, связанный оптически с лампой и ячейкой фотоприемник; усилитель фототока, электронную схему управления и кварцевый управляемый генератор выходного сигнала стандарта. Стандарт дополнительно содержит линзы конденсора, поляризатор, четвертьволновую пластинку и дополнительную катушку возбуждения поля переменным током, при этом катушка подмагничивания постоянного тока размещена наклонно к оптической оси, причем управление генератором проводится согласно сигналу квантового дискриминатора частоты, а магнитное поле катушки подмагничивания регулируется по сигналу дискриминатора частоты и фазы Ларморовой прецессии, вызываемой катушкой возбуждения. 1 ил.

1. Квантовый стандарт частоты, содержащий последовательно связанные оптически безэлектродную спектральную лампу, газовую ячейку со щелочным металлом, размещенную в резонаторе, термостате и магнитном экране, содержащем также катушку подмагничивания постоянного тока, связанный оптически с лампой и ячейкой фотоприемник; усилитель фототока, электронную схему управления и кварцевый управляемый генератор выходного сигнала стандарта, отличающийся тем, что стандарт дополнительно содержит лежащие на оптической оси «лампа-фотоприемник» линзу конденсора, поляризатор, четвертьволновую пластинку, размещенные между лампой и газовой ячейкой в магнитном экране, а также дополнительную катушку возбуждения поля переменным током расположенную внутри магнитного экрана и вторую линзу конденсора, размещенную между газовой ячейкой в магнитном экране и фотоприемником, при этом катушка подмагничивания постоянного тока размещена наклонно к оптической оси, а управление кварцевым генератором проводится согласно сигналу квантового дискриминатора частоты, вырабатываемого по формуле:

где

S_ML(t_X) - квантовый дискриминатор частоты квантового стандарта частоты,

S(t) - выход усилителя сигнала фотоприемника,

Т - время усреднения,

F_sk - частота частотной модуляции СВЧ генератора,

ƒ_HL - частота Ларморовой прецессии,

ϕ_M и ϕ_L - фазы,

t_X - время в момент выработки сигнала дискриминатора,

A_L и B_L - константы;

магнитное поле катушки подмагничивания поддерживается постоянным путем регулирования по сигналу дискриминатора частоты и фазы Ларморовой прецессии S_L(t_X), вызываемой дополнительной катушкой возбуждения поля переменным током

где θ_L - фаза,

причем Ларморова прецессия магнитного момента паров щелочного металла в ячейке создается за счет автогенерации при выработке усиленного сигнала фототока и подачи его в дополнительную катушку возбуждения поля переменным током с требуемым поворотом его фазы.

2. Стандарт частоты по п. 1, отличающийся тем, что в качестве щелочного металла газовой ячейки выбран природный Cs.