КВАНТОВОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ СТАНДАРТА ЧАСТОТЫ Советский патент 1997 года по МПК H01S1/06 

Изобретение относится к квантовой радиофизике и используется в квантовых стандартах частоты.

Известно квантовое устройство для стандарта частоты с оптической накачкой на парах щелочного элемента, которое содержит колбу с парами щелочного элемента и смесь газов различных атомных весов, расположенную в СВЧ поле возбуждения, выполненного в виде рупора [1]
Недостатком этого устройства является отсутствие системы измерения постоянного магнитного поля, пронизывающего колбу, что снижает точность стандарта частоты, так как значения частоты квантового радиочастотного перехода V в сильной степени определяется величиной напряженности магнитного поля, согласно зависимости.

V V_o + kH²
где V₀ значение частоты квантового радиочастотного перехода при нулевой напряженности магнитного поля;
K-коэффициент для Rb⁸⁷ K=574 Гц/Э².

Из известных квантовых устройств для стандарта частоты с оптической накачкой наиболее близким по технической сущности является квантовое устройство для стандарта частоты, содержащее колбу с парами щелочного элемента и возбудитель СВЧ поля, расположенные в электропроводном корпусе термостата, и индуктор магнитного поля, подключенный к генератору [2]
Катушка изготовлена и размещена на отдельном каркасе, что требует дополнительных затрат на изготовление и место для размещения. Кроме того катушка расположена между корпусом термостата и колбой, тем самым ухудшается теплопроводность между ними, уменьшается точность поддержания температуры колбы. Последнее уменьшает точность стандарта частоты с таким квантовым устройством.

Целью изобретения является повышение точности и упрощения устройства.

Цель достигается тем, что индуктор образован корпусом термостата, к противоположным сторонам которого подключен генератор.

На чертеже схематически изображено квантовое устройство для стандарта частоты.

Квантовое устройство для стандарта частоты содержит безэлектродную спектральную лампу 1 с парами Pb⁸⁷, размещенную между витками катушки 2 возбуждения высокочастотного генератора 3, оптический фильтр 4 с парами Pb⁸⁵, возбудитель штырь 5 СВЧ поля, вход которого служит для подключения к стандарту частоты (приложение 1), колбу 6 с парами щелочного элемента Pb⁸⁵ и смесью газов различных атомных весов, фотодиод 7, выход которого также служит для подключения к стандарту частоты, индуктор магнитного поля, образованный электропроводным корпусом 8 термостата, к противоположным торцам которого подключен генератор 9 зеемановской частоты. Узлы 1 4 образуют систему оптической накачки паров щелочного элемента в колбе 6. Узлы 4 6 расположены в корпусе 8.

На внешней поверхности корпуса 8 размещена обмотка нагревателя 10, которая подключена к терморегулятору 11. Кроме того квантовое устройство содержит магнитный экран 12, наполненный теплоизоляцией 13, с внутренней стороны которого прикреплены наконечники 14, 15 с подмагничивающими обмотками 16 и 17 соответственно, которые последовательно подключены к источнику 18 постоянного тока.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. В безэлектродной спектральной лампе 1 с помощью катушки 2 высокочастотного генератора 3 возбуждается газовый разряд. Часть спектра излучения лампы 1 поглощается парами Pb⁸⁵ в оптическом фильтре 4. Сквозь фильтр 4 проходит лишь излучение, содержащее, главным образом, слабо поглощаемое парами Pb⁸⁵ высокочастотные сверхтонкие компоненты резонансного оптического излучения Pb⁸⁵, в результате чего в колбе 6 увеличивается населенность верхнего уровня (F=2) основного состояния атомов Pb⁸⁷ за счет нижнего уровня (F=1), где P квантовое число полного момента.

Вероятность перехода атомов Pb⁸⁷ из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией под действием СВЧ поля сигнала, образуемое возбудителем 5, зависит от расстройки между частотами внешнего СВЧ сигнала, поступающего на вход устройства, и атомного перехода. При совпадении частот вероятность перехода максимальна, максимально и поглощение света.

По изменению и интенсивности света, попадающего на фотодиод 7, контролируется частота этого СВЧ сигнала. Ток фотодиода 7 на выходе устройства является непрерывной функцией расстройки частоты внешнего СВЧ сигнала.

Стабильная температура корпуса 8 термостата поддерживается выше температуры окружающей среды терморегулятором 11 с подключенной обмоткой 10 нагревателя. Экран 12 защищает колбу 6 от внешних магнитных полей. Для увеличения точности квантового устройства наконечниками 14 и 15 с обмотками 16 и 17 создается слабое поперечное магнитное поле, величиной не более 0,1,Э. Точное значение частоты, согласно формуле (1), устанавливают подбором величины тока, протекающего через обмотки 16 и 17, который определяет напряженность магнитного поля.

Для измерения напряженности "H" магнитного поля, пронизывающего колбу 6, плавно изменяют частоту генератора 9 зеемановской частоты, одновременно наблюдают за амплитудой сигнала на выходе квантового устройства. При совпадении частоты генератора 9 с частотой резонансных низкочастотных зеемановских переходов Δm±1, F= 0 амплитуда сигнала достигает минимального значения. Здесь m-квантовое число, характеризующее проекцию момент а количества движения электрона на некоторое произвольное направление в пространстве. Значение частоты F зеем. генератора 9, соответствующее минимуму амплитуды сигнала, подставляют в формулу
H=Fзеем./7•10⁵Гц/Э, (2)
по которой вычисляют напряженность магнитного поля. Затем подставляют вычисленную величину в формулу (1), получают значение частоты квантового радиочастотного перехода.

В результате отпадает необходимость в изготовлении катушки-индуктора и снижается трудоемкость изготовления и сохраняются преимущества контроля магнитного поля. Благодаря концентрическому распределению магнитных линий внутри усовершенствованного индуктора измеряют напряженность магнитного поля в квантовых устройствах различной конструкции как с поперечным, так и с продольным (соленоидальным) подмагничивающим полем без изменения конструкции индуктора.

Квантовое устройство для стандарта частоты с оптической накачкой, содержащее колбу с парами щелочного металла и возбудитель СВЧ-поля, расположенные в электропроводном корпусе термостата, и индуктор магнитного поля, подключенный к генератору, отличающееся тем, что, с целью повышения точности и упрощения устройства, индуктор образован корпусом термостата, к противоположным сторонам которого подключен генератор.

Квантовое устройство для стандарта частоты с оптической накачкой, содержащее колбу с парами щелочного металла и возбудитель СВЧ-поля, расположенные в электропроводном корпусе термостата, и индуктор магнитного поля, подключенный к генератору, отличающееся тем, что, с целью повышения точности и упрощения устройства, индуктор образован корпусом термостата, к противоположным сторонам которого подключен генератор.