Способ уменьшения вариаций частоты атомных часов Российский патент 2024 года по МПК H03L7/26 

Изобретение относится к технике стабилизации частоты и может быть использовано в квантовых стандартах частоты (КСЧ) бортовой аппаратуры подвижных носителей.

В соответствии с работами [Ф.Риле. - Стандарты частоты. Принципы и приложения// Пер. с англ.- М.: ФИЗМАТЛИТ. 2009.-512 С.], [В.В.Семенов. - О вкладе тензорной компоненты в световой сдвиг частоты радиооптического СВЧ резонанса в парах рубидия// Изв. Вузов. Физика. - 1999, №2 , стр. 86-90] зависимости частоты КСЧ на 0-0 переходе имеют следующий вид:

где ν₀ - частота атомного перехода, Н - напряженность магнитного поля внутри экранной конструкции КСЧ (в зоне размещения газовой ячейки с рабочим веществом), α и β - масштабные коэффициенты, θ - угол между оптической осью и вектором напряженности магнитного поля.

Применительно к атомам рубидия-87 величины ν₀ и β соответственно равны: 6835 МГц и 0,089 Гц·м²/А². В варианте ламповой оптической накачки паров рубидия-87 с изотопическим фильтром величина α колеблется в пределах от единиц до десятков герц в зависимости от темпа накачки и температуры ячейки фильтра при вариации угла θ в диапазоне 0-90° [А.А.Баранов, С.В.Ермак, В.В.Семенов Ориентационная зависимость светового сдвига частоты радиооптического СВЧ резонанса в парах рубидия, НТВ, №3(104) 2010 "Физическая оптика", стр. 95-98].

В соответствии с выражениями (1) и (2) вариации величины и направления магнитного поля Н, вызванные вариациями величины и направления внешнего геомагнитного поля, приводят соответственно к вариациям резонансной частоты 0-0 перехода.

Численно эти вариации характеризуются дисперсией Аллана, являющейся основной характеристикой квантовых стандартов частоты и определяющих кратковременную и долговременную стабильность атомных часов. Она также известна как квадрат СКДО (среднее квадратичное относительное двухвыборочное отклонение) [Ф.Риле. - Стандарты частоты. Принципы и приложения// Пер. с англ.- М.: ФИЗМАТЛИТ. 2009.-512 С.].

Экранные конструкции КСЧ ослабляют вариации внешнего геомагнитного поля в меру фактора экранирования, однако вследствие неизбежных дефектов конструкции экранов (наличие швов и коммуникационных отверстий) не позволяют полностью исключить негативное влияние этих вариаций на стабильность измеряемой частоты. Последнее связано с тем, что для существующих магнитных экранов характерно резкое различие поперечного и продольного (вдоль оси экрана) коэффициентов экранирования геомагнитного поля. Так, по данным работы [Donley E.A., Hodby E., Hollberg L., Kitching J. / / Rev. of Scientic Instr. 2007. V. 78, No. 8. Art. no. 083102. doi:10.1063/1.2767533], отношение этих коэффициентов для малогабаритных рубидиевых атомных часов, объемом менее 3 см³, достигает величины 10⁴. Подобная ситуация возникает при движении атомных часов по круговой орбите в составе бортовой аппаратуры навигационных систем спутников связи. При таком движении вектор внешнего геомагнитного поля периодически изменяет свое направление по отношению к ориентации оптической оси атомных часов, что приводит к снижению стабильности их частоты из-за существенного различия поперечного и продольного коэффициентов экранирования магнитного экрана атомных часов. В связи с этим возникает необходимость улучшения стабильности частоты бортовых атомных часов.

Аналогом предлагаемого способа уменьшения вариаций частоты атомных часов является способ выделения гироскопического сдвига частоты в системе двух квантовых магнитометров на ядерных парамагнетиках (изотопах ртути) в условиях вариаций напряженности магнитного поля Н. [Н.М.Померанцев, В.М.Рыжков, Г.В.Скроцкий Физические основы квантовой магнитометрии, Из-во Наука, М., 1972, 448 С.] Способ заключается в использовании камеры поглощения с двумя изотопами рубидия, частоты прецессии которых соответственно равны:

где и - гиромагнитные отношения изотопов рубидия, δ - гироскопический сдвиг частоты под влиянием вращения устройства.

Согласно (3) и (4) измерение двух частот прецессии в одном и том же магнитном поле позволяет измерить гироскопический сдвиг частоты δ вне зависимости от вариаций величины поля.

Принципиальным недостатком известного способа является его неработоспособность применительно к электронным парамагнетикам, используемых в технике атомных часов с рабочими частотами сантиметрового диапазона. Так, например, при использовании в аналоге двух изотопов рубидия для контроля гироскопического сдвига величиной 1 Гц, требуется измерять разность резонансных частот с относительной погрешностью 10^-10, что на семь порядков превышает относительную измерительную погрешность в аналогичном устройстве на изотопах ртути.

Аналогом предлагаемого способа является метод стабилизации магнитного поля по сигналу радиооптического СВЧ резонанса на магнитозависимом переходе. [Петров, А.А. Некоторые направления модернизации КСЧ на атомах цезия - 133 / А.А. Петров, В.П. Кильговатов, В.И. Григорьев, Д.В. Залетов, В.Е. Шабанов, Д.В. Шаповалов // Сборник тезисов 6-го Международного симпозиума Метрология времени и пространства, Менделеево, 2018, с. 39-42]. В КСЧ на атомном пучке паров цезия такая стабилизация осуществляется на переходе F=3, m_F=1 - F=4, m_F = 1, в аналоге на парах рубидия с оптической накачкой - на переходе F=2, m_F=1 - F=1, m_F = 1. Недостатком аналога является циклический характер автоподстройки магнитного поля при периодическом замыкании кольца автоподстройки на центральном (0-0) и соседнем магнитозависимом переходе. В варианте КСЧ с оптической накачкой кольцо автоподстройки магнитного поля вносит неизбежную измерительную погрешность, обусловленную вариациями светового сдвига частоты. При этом, поскольку подобные изменения никак не связаны с вариациями магнитного поля, любое изменение интенсивности света накачки, либо изменения окружающей температуры немедленно будут отслеживаться системой стабилизации поля, внося соответствующую ошибку в измерение резонансной частоты КСЧ.

Ближайшим аналогом предлагаемого способа, взятым за прототип, является традиционный способ магнитного экранирования зоны взаимодействия атомов рабочего вещества КСЧ с электромагнитным полем [Ф.Риле Стандарты частоты. Принципы и приложения// Пер. с англ.- М.: ФИЗМАТЛИТ. 2009.-512 С. /Fritz Riehle - Frequency Standards: Basics and ApplicationsWiley-VCH, 2005]. В способе-прототипе для уменьшения влияния внешнего магнитного поля на резонансную частоту КСЧ, и, соответственно, для уменьшения ее вариаций, используется магнитный экран, который ослабляет вариации магнитного поля в зоне размещения камеры поглощения КСЧ в меру коэффициента экранирования материала экрана.

Недостатком известного способа является повышенная чувствительность резонансной частоты КСЧ к вариациям магнитного поля Н и вариациям ориентации вектора этого поля по отношению к оптической оси устройства, вызванные, как указывалось выше, различием продольного и поперечного коэффициентов экранирования магнитного экрана. При этом функциональные зависимости резонансной частоты 0-0 перехода ν от напряженности магнитного поля Н и угла θ определяются выражениями (1) и (2). В соответствии с этими выражениями, изменение направления геомагнитного поля по отношению к оптической оси (например, в процессе движения спутника по орбите) автоматически должно приводить к вариациям напряженности магнитного поля внутри экранной конструкции КСЧ, а, следовательно, и к вариациям резонансной частоты КСЧ.

Технической задачей предлагаемого способа является уменьшение вариаций резонансной частоты бортовых атомных часов, размещенных в магнитном экране, в условиях изменения величины и направления геомагнитного поля.

Решение указанной технической задачи достигается тем, что в известном способе уменьшения вариаций частоты атомных часов в изменяющемся по величине и направлению геомагнитном поле, состоящих из датчика на радиооптическом микроволновом резонансе, подключенного к схеме обработки и размещенного в магнитном экране, внутри которого вдоль оси экрана, совпадающей с оптической осью, создается постоянное магнитное поле, а снаружи магнитного экрана создается постоянное дополнительное магнитное поле Н_доп, напряженность которого устанавливается из эмпирической зависимости относительного коэффициента экранирования магнитного экрана от напряженности дополнительного магнитного поля Н_доп в соответствии с последовательностью выполнения следующих процедур:

- магнитный экран, внутри которого находится датчик на радиооптическом микроволновом резонансе, помещается в пространство (например, в магнитный экран или систему катушек Гельмгольца), в котором магнитное поле равно нулю;

- далее в зоне размещения магнитного экрана создается циркулярно поляризованное магнитное поле, вращающееся с частотой f_m в плоскости, проходящей через оптическую ось датчика и измеряется среднеквадратичное двухвыборочное отклонение частоты ∆ω₀ атомных часов в зависимости от времени наблюдения t;

- далее в зоне размещения магнитного экрана создается постоянное дополнительное магнитное поле Н_доп и измеряется среднеквадратичное двухвыборочное отклонение частоты ∆ω_доп атомных часов в зависимости от времени наблюдения t;

- далее строится зависимость отношения ∆ω_о/∆ω_доп, равного относительному коэффициенту экранирования магнитного экрана атомных часов, в функции постоянного дополнительного магнитного поля Н_доп, и из полученной зависимости выбирается напряженность этого поля, соответствующая неравенству ∆ω_о/∆ω_доп > 1.

Технический результат заключается в уменьшении вариации частоты за счет повышения фактора экранирования магнитного экрана путем его намагничивания внешним дополнительным магнитным полем, что позволяет уменьшить влияние вариаций величины и направления геомагнитного поля на резонансную частоту атомных часов.

Сущность предлагаемого способа уменьшения вариаций частоты КСЧ поясняется графическим материалом (фиг.1), (фиг. 2), (фиг. 3), (фиг. 4), (фиг. 5), (фиг. 6), (фиг. 7), (фиг. 8), (фиг. 9), (фиг. 10), (фиг. 11), (фиг. 12) и (фиг. 13)

На фиг. 1 представлены полученные авторами заявляемого способа экспериментальные графики вариации частоты, выраженной в виде относительной разности частоты малогабаритного рубидиевого КСЧ и частоты эталона для множества выборок.

На фиг. 2 представлены зависимости девиации Аллана от времени наблюдения в условиях низкочастотной модуляции внешнего магнитного поля амплитудой 24 А/м в плоскости оптической оси устройства.

На фиг. 3. изображена схема атомных часов, реализующая предлагаемый способ компенсации вариаций резонансной частоты.

На фиг. 3 использованы следующие обозначения элементов:

1 - источник накачки, 2 - фильтрующая ячейка, 3 - газовая ячейка, 4 - объемный резонатор, 5 - магнитный экран, 6 - фотодетектор, 7 - катушки постоянного тока, 8 - блок питания, 9 - схема управления СВЧ генератором.

На фиг. 4 изображены типичные зависимости магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля: 1- для пермаллоя, 2- для чистого железа.

На фиг. 5 представлен экспериментальный график зависимости девиации Аллана от времени в нулевом магнитном поле при отключенном дополнительном магнитном поле Н_доп.

На фиг. 6 представлен экспериментальный график зависимости девиации Аллана от времени при нулевом дополнительном магнитном поле.

На фиг. 7 представлен экспериментальный график зависимости девиации Аллана от времени в дополнительном магнитном поле Н_доп = 4,24 А/м.

На фиг. 8 представлен экспериментальный график зависимости девиации Аллана от времени в дополнительном магнитном поле Н_доп = 8,48А/м.

На фиг. 9 представлен экспериментальный график зависимости девиации Аллана от времени в дополнительном магнитном поле Н_доп = 12,8 А/м.

На фиг. 10 представлен экспериментальный график зависимости девиации Аллана от времени в дополнительном магнитном поле Н_доп = 4 А/м.

На фиг. 11 представлен экспериментальный график зависимости девиации Аллана от времени в дополнительном магнитном поле Н_доп = 8 А/м.

На фиг. 12 представлен экспериментальный график зависимости девиации Аллана от времени в дополнительном магнитном поле Н_доп = 12,8 А/м.

На фиг. 13 показана экспериментальная зависимость отношения ∆ω_о/∆ω_доп (относительного коэффициента экранирования коммерческих атомных часов) от напряженности внешнего дополнительного магнитного поля. Символами и на фиг. 13 отмечены экспериментальные значения отношения ∆ω_о/∆ω_доп, определяющего относительный коэффициент экранирования соответственно для поперечной и продольной ориентации вектора напряженности дополнительного магнитного поля Н_доп относительно оси магнитного экрана коммерческого КСЧ.

Зависимостям на фиг. 7, фиг. 8 и фиг. 9 соответствует ориентация вектора напряженности дополнительного магнитного поля вдоль оси магнитного экрана атомных часов.

Зависимостям на фиг. 10, фиг. 11 и фиг. 12 соответствует ориентация вектора напряженности дополнительного магнитного поля перпендикулярная оси магнитного экрана атомных часов.

Зависимостям на фиг. 5-12 соответствует низкочастотная модуляция магнитного поля амплитудой 2,4 А/м вращающегося с частотой 0,01 Гц в плоскости оптической оси атомных часов.

В нижеследующих таблицах 1-9 указаны значения девиации Аллана при заданном времени измерения t соответственно для графиков зависимостей, представленных на фиг. 2, фиг. 5, фиг. 6, фиг. 7, фиг. 8, фиг. 9, фиг. 10, фиг. 11 и фиг. 12.

Таблица 1. Численные значения девиации Аллана для некоторых моментов времени в соответствии с фиг. 2.

Интервал времени, ∆t (с) 1 2 5 10 20 50 100 Девиация Аллана, (отн, ед.) 6,9∙10^-12 5,4∙10^-12 5,6∙10^-12 9,9∙10^-12 1,7∙10^-11 1,9∙10^-11 1,3∙10^-11

Таблица 2. Численные значения девиации Аллана для некоторых моментов времени в соответствии с фиг. 5.

Интервал времени, ∆t (с) 1 2 5 10 20 50 100 Девиация Аллана,
(отн, ед.) 6,4∙10^-12 4,6∙10^-12 3,1∙10^-12 2,5∙10^-12 2,3∙10^-12 1,6∙10^-12 1,2∙10^-12

Таблица 3. Численные значения девиации Аллана для некоторых моментов времени в соответствии с фиг. 6.

Интервал времени, ∆t (с) 1 2 5 10 20 50 100 Девиация Аллана,
(отн, ед.) 6∙10^-12 4,3∙10^-12 3,4∙10^-12 3,5∙10^-12 4,2∙10^-12 1,9∙10^-11 1,3∙10^-11

Таблица 4. Численные значения девиации Аллана для некоторых моментов времени в соответствии с фиг. 7.

Интервал времени, ∆t (с) 1 2 5 10 20 50 100 Девиация Аллана, (отн, ед.) 5,9∙10^-12 4,5∙10^-12 3,0∙10^-12 3,2∙10^-12 3,6∙10^-12 1,7∙10^-11 1,4∙10^-11

Таблица 5. Численные значения девиации Аллана для некоторых моментов времени в соответствии с фиг. 8.

Интервал времени, ∆t (с) 1 2 5 10 20 50 100 Девиация Аллана, (отн, ед.) 6,1∙10^-12 4,8∙10^-12 3,3∙10^-12 3,2∙10^-12 3,7∙10^-12 5,7∙10^-12 3,3∙10^-12

Таблица 6. Численные значения девиации Аллана для некоторых моментов времени в соответствии с фиг. 9.

Интервал времени, ∆t (с) 1 2 5 10 20 50 100 Девиация Аллана, (отн, ед.) 6,8∙10^-12 5∙10^-12 3,5∙10^-12 3,7∙10^-12 4,1∙10^-12 2,5∙10^-12 1,4∙10^-12

Таблица 7. Численные значения девиации Аллана для некоторых моментов времени в соответствии с фиг. 10.

Интервал времени, ∆t (с) 1 2 5 10 20 50 100 Девиация Аллана, (отн, ед.) 7,6∙10^-12 5,1∙10^-12 3,4∙10^-12 3,1∙10^-12 4,2∙10^-12 1,8∙10^-11 1,6∙10^-11

Таблица 8. Численные значения девиации Аллана для некоторых моментов времени в соответствии с фиг. 11.

Интервал времени, ∆t (с) 1 2 5 10 20 50 100 Девиация Аллана, (отн, ед.) 8,2∙10^-12 5,5∙10^-12 3,4∙10^-12 3,4∙10^-12 4,3∙10^-12 1,6∙10^-11 8,0∙10^-12

Таблица 9. Численные значения девиации Аллана для некоторых моментов времени в соответствии с фиг. 12

Интервал времени, ∆t (с) 1 2 5 10 20 50 100 Девиация Аллана, (отн, ед.) 7,3∙10^-12 4,7∙10^-12 3,5∙10^-12 3,5∙10^-12 5,1∙10^-12 2,9∙10^-12 2,3∙10^-12

Как указывалось выше, изменение направления геомагнитного поля по отношению к оптической оси (например, в процессе движения спутника по орбите) автоматически должно приводить к вариациям магнитного поля внутри экранной конструкции КСЧ, а, следовательно, и к ориентационным измерительным погрешностям. В качестве примера на фиг.1 представлены полученные авторами заявляемого способа экспериментальные графики вариации резонансной частоты малогабаритного рубидиевого КСЧ относительно частоты эталона. На фиг.2 представлены соответствующие зависимости девиации Аллана от времени наблюдения в условиях низкочастотной модуляции внешнего магнитного поля амплитудой 24 А/м в плоскости оптической оси устройства.

В соответствии с предлагаемым способом, девиации частоты КСЧ могут быть существенно уменьшены путем намагничивания внешнего магнитного экрана атомных часов. Работа такого устройства (см. фиг. 3), с помощью которого реализуется предлагаемый способ уменьшения вариаций частоты атомных часов, осуществляется следующим образом. Источником накачки является спектральная лампа 1, излучение которой проходит через фильтрующую ячейку 2 с изотопом рубидий-85. Это излучение осуществляет оптическую накачку атомов рубидия-87, находящихся в газовой ячейке 3, которая размещена в объемном резонаторе 4. Для ослабления влияния внешнего магнитного поля и его градиентов на резонансную частоту устройства осуществляется магнитное экранирование его элементов с помощью магнитного экрана 5. Ось магнитного экрана совпадает с оптической осью КСЧ. При возбуждении объемного резонатора 4. на частоте микроволнового резонанса в камере поглощения 3 имеет место уменьшение интенсивности проходящего света, которое фиксируется приемным фотодетектором 6. Магнитное поле в области газовой ячейки 3 создается катушками постоянного тока 7, подключенные к блоку питания 8. Сигнал с фотодетектора 6 используется в схеме управления СВЧ генератором 9 таким образом, чтобы частота генератора настраивалась на резонансную частоту центрального атомного 0-0 перехода атомов рубидия-87.

Для реализации положительного эффекта в соответствии с формулой изобретения снаружи магнитного экрана 5 создается постоянное дополнительное магнитное поле Н_доп, напряженность которого устанавливается из эмпирической зависимости коэффициента экранирования S от напряженности дополнительного магнитного поля Н_доп. Как известно, величина этого коэффициента зависит от материала и размеров экранной конструкции. Так например, в соответствии с работой [E. A. Donley; E. Hodby; L. Hollberg; J. Kitching. - Demonstration of high-performance compact magnetic shields for chip-scale atomic devices. - Rev. Sci. Instrum. 78, 083102 (2007). https://doi.org/10.1063/1.2767533], коэффициент экранирования однослойного магнитного экрана сферической формы определяется выражением:

где μ - магнитная проницаемость материала магнитного экрана, t - толщина слоя, D - диаметр экрана.

Параметр μ в выражении (5) зависит от материала экрана и величины внешнего магнитного поля. Типичные зависимости параметра μ от напряженности внешнего магнитного поля представлены на фиг. 4 для двух основных материалов (пермаллой и армко), используемых в технике атомных часов. Поскольку в этих устройствах используются многослойные магнитные экраны, различающиеся дефектами конструкции, а также ее материалом и размерами, расчет суммарного коэффициента S представляет достаточно сложную задачу. С другой стороны, решение этой задачи осложняется присутствием внутреннего магнитного поля, использование которого необходимо для разрешения СВЧ спектра атомов рабочего вещества атомных часов. В этой связи для достижения поставленной задачи - уменьшения вариаций частоты атомных часов - целесообразно использовать эмпирический подход, согласно которому экспериментальным образом определяется максимум параметра μ для конкретной экранной конструкции атомных часов.

Согласно формуле изобретения, реализация этого подхода осуществляется следующим образом:

1. Магнитный экран 5 помещается в пространство, в котором внешнее магнитное поле равно нулю. Подобная операция может быть осуществлена либо с помощью магнитного экранирования атомных часов, либо с помощью магнитной системы из трех пар катушек Гельмгольца, которые позволяют скомпенсировать внешнее лабораторное магнитное поле независимо от его направления.

2. В зоне размещения магнитного экрана 5 атомных часов создается циркулярно поляризованное магнитное поле, вращающееся с частотой модуляции f_m в плоскости, проходящей через оптическую ось атомных часов, и измеряется среднеквадратичное относительное двухвыборочное отклонение ∆ω₀ атомных часов, характеризующее значение девиации Аллана в зависимости от времени наблюдения t.

3. В зоне размещения магнитного экрана 5 атомных часов создается постоянное дополнительное магнитное поле Н_доп и измеряется среднеквадратичное относительное двухвыборочное отклонение ∆ω_доп атомных часов в функции времени наблюдения t;

4. Строится зависимость отношения ∆ω_о/∆ω_доп, равного относительному коэффициенту экранирования магнитного экрана 5 атомных часов, в функции постоянного, и из полученной зависимости выбирается напряженность дополнительного магнитного поля Н_доп, соответствующая неравенству ∆ω_о/∆ω_доп > 1. Подтверждением этого неравенства является динамика зависимостей параметра μ от внешнего магнитного поля, представленных на фиг.4, из которых следует, что минимальное значение μ (так называемая начальная магнитная проницаемость), а, следовательно, и минимальное значение коэффициента экранирования S достигается в нулевом внешнем магнитном поле.

В соответствии с вышеуказанной в п.2 последовательностью операций магнитный экран 5 размещается во вращающемся магнитном поле определенной амплитуды. Этот случай характерен для бортового варианта атомных часов, которые перемещаются в геомагнитном пространстве на подвижном носителе. Последнее приводит к изменению угла θ между оптической осью атомных часов и направлением вектора геомагнитного поля. Различная чувствительность к вариациям этого поля атомных часов при ориентации их оптической оси при разных углах θ обуславивает существенное влияние на стабильность частоты атомных часов.

Если этот магнитный экран атомных часов поместить в дополнительное магнитное поле определенной напряженности, то, согласно предлагаемому способу, выражению (5) и фиг. 4, можно увеличить коэффициент экранирования S и, тем самым, повысить стабильность частоты бортовых атомных часов.

Экспериментальное подтверждение положительного эффекта в заявляемом способе уменьшения вариаций атомных часов было реализовано авторами заявки в эксперименте с коммерческим рубидиевым стандартом частоты с двухслойным цилиндрическим магнитным экраном, который размещался в центре системы катушек Гельмгольца, предназначенных для компенсации компонент лабораторного магнитного поля. С помощью дополнительных катушек в зоне размещения стандарта создавалось вращающееся на частоте 0.01 Гц дополнительное магнитное поле Н_доп с постоянной амплитудой 2,4 А/м, которое по порядку величины соответствовала напряженности геомагнитного поля на орбите спутника. С помощью системы катушек Гельмгольца в зоне размещения квантового стандарта частоты создавалось постоянное дополнительное магнитное поле Н_доп для двух вариантов ориентации его вектора относительно оси симметрии атомных часов - вдоль и поперек оптической оси. При этом измерялись вариации частоты КСЧ относительно эталонного значения, соответствующего резонансной частоте 0-0 перехода атомов рубидия. Измерения проводились с помощью компаратора Ч308-А, на один вход которого подался СВЧ сигнал с выхода стандарта частоты, на другой - сигнал от эталонного СВЧ генератора. Измеренные значения вариаций обрабатывались компьютером, программное обеспечение которого позволяло установить временную зависимость девиации Аллана, являющуюся основной характеристикой стабильности КСЧ. Результаты обработки данных представлены на фиг. 5-12 в условиях вращающегося вектора внешнего магнитного поля в плоскости оси магнитного экрана испытуемого устройства. В таблицах 2-9 указаны значения девиации Аллана, выраженной в относительных единицах, для некоторых характерных интервалов времени усреднения данных.

Характер представленных экспериментальных зависимостей отражает динамику девиации Аллана, определяемой масштабным коэффициентом , (где f_m - частота модуляции, - время измерения) в условиях гармонической модуляции магнитного поля [Ф.Риле Стандарты частоты. Принципы и приложения// Пер. с англ.- М.: ФИЗМАТЛИТ. 2009.-512 С. /Fritz Riehle - Frequency Standards: Basics and ApplicationsWiley-VCH, 2005]. Так например, в соответствии с указанным масштабным коэффициентом при времени усреднения 50 с, наблюдается всплеск девиации Аллана, при 100 с усреднения этот коэффициент стремится к нулю.

Полученные экспериментальные данные позволяют построить зависимость относительного коэффициента экранирования (отношения ∆ω_о/∆ω_доп, равного отношению магнитной проницаемости при фиксированной напряженности дополнительного магнитного поля к ее начальному значению) в функции дополнительного магнитного поля Н_доп. Примеры этих зависимостей для двух ориентаций дополнительного магнитного поля представлены на фиг. 13.

Примечательной особенностью экспериментальных зависимостей на фиг.13 является их сходство с динамикой зависимости магнитной проницаемости на начальном участке для армко железа (см. фиг. 4), которое, как правило, используется при изготовлении конструкций внешнего магнитного экрана атомных часов. Сравнение данных таблицы 3 (фиг. 6, Н_доп = 0) и таблицы 9 (фиг. 12, Н_доп= 12,8 А/м) показывает, что введение дополнительно магнитного поля позволяет в 6,5 раз уменьшить девиацию Аллана на характерном времени усреднения 50 секунд. При этом напряженность дополнительного магнитного поля Н_доп (12,8 А/м), при котором удается почти на порядок увеличить стабильность частоты атомных часов, существенно (примерно в три раза) меньше напряженности магнитного поля 32 А/м, превышение которого может привести к падению фактора экранирования магнитного экрана атомных часов, а, следовательно, и к ухудшению стабильности измеряемой частоты.

Приведенные экспериментальные данные подтверждают работоспособность предлагаемого способа увеличения стабильности атомных часов с оптической накачкой и позволяют рассчитывать на положительный эффект его внедрения при разработке водородных аналогов и квантовых стандартов на атомном пучке.

Изобретение относится к технике стабилизации частоты. Технический результат - уменьшение вариаций резонансной частоты бортовых атомных часов, размещенных в магнитном экране, в условиях изменения величины и направления геомагнитного поля путем намагничивания магнитного экрана, что позволяет повысить его динамический фактор экранирования и уменьшить влияние вариаций величины и направления геомагнитного поля на резонансную частоту атомных часов. Для этого предложен способ уменьшения вариаций частоты атомных часов в изменяющемся по величине и направлению геомагнитном поле, состоящих из датчика на радиооптическом микроволновом резонансе, подключенного к схеме обработки и размещенного в магнитном экране, внутри которого вдоль оси экрана создается постоянное рабочее магнитное поле. Причем снаружи магнитного экрана создается постоянное дополнительное магнитное поле Н_доп, напряженность которого устанавливается из эмпирической зависимости коэффициента экранирования магнитного экрана от напряженности дополнительного магнитного поля Н_доп. 1 з.п. ф-лы, 13 ил., 9 табл.

1. Способ уменьшения вариаций частоты атомных часов в изменяющемся по величине и направлению геомагнитном поле, состоящих из датчика на радиооптическом микроволновом резонансе, подключенного к схеме обработки и размещенного в магнитном экране, внутри которого вдоль оси экрана создается постоянное рабочее магнитное поле, отличающийся тем, снаружи магнитного экрана создается постоянное дополнительное магнитное поле Н_доп, напряженность которого устанавливается из эмпирической зависимости коэффициента экранирования магнитного экрана от напряженности дополнительного магнитного поля Н_доп в соответствии с последовательностью выполнения следующих процедур:

- магнитный экран, внутри которого находится датчик на радиооптическом микроволновом резонансе, помещается в пространство, в котором магнитное поле равно нулю;

- далее в зоне размещения магнитного экрана создается циркулярно поляризованное магнитное поле, вращающееся с частотой модуляции f_m в плоскости, проходящей через оптическую ось датчика и измеряется среднеквадратичная девиация частоты атомных часов в зависимости от времени наблюдения t;

- далее в зоне размещения магнитного экрана создается постоянное дополнительное магнитное поле Н_доп и измеряется среднеквадратичная девиация частоты атомных часов в зависимости от времени наблюдения t;

- далее строится зависимость отношения , равного относительному коэффициенту экранирования магнитного экрана атомных часов, в функции постоянного дополнительного магнитного поля Н_доп, и из полученной зависимости выбирается напряженность этого поля, соответствующая неравенству > 1.

2. Способ по п.1, согласно которому датчик на радиооптическом микроволновом резонансе помещается в магнитный экран или систему катушек Гельмгольца.