RU105530U1 - Радиоспектроскоп - Google Patents

Abstract

1. Радиоспектроскоп, содержащий магнитный экран, катушку для создания однородного магнитного поля, теплоизолирующую камеру, внутри которой размещены спектральная лампа, наполненная рубидием 87, ячейка-фильтр, наполненная рубидием 85 и буферным газом, и резонатор с нагревателем, фотодетектором и газовой ячейкой, наполненной рубидием 87 и смесью буферных газов, отличающийся тем, что магнитная катушка выполнена в виде не менее двух ортогонально ориентированных по отношению друг к другу идентичных секций, причем одна из секций - для создания магнитного поля вдоль оптической оси, другая - для создания магнитного поля перпендикулярно оптической оси радиоспектроскопа, и снабжена переключателем секций. ! 2. Радиоспектроскоп по п.1, отличающийся тем, что магнитная катушка выполнена в виде трех ортогонально ориентированных по отношению друг к другу идентичных секций, причем две из них - для создания магнитного поля перпендикулярно оптической оси радиоспектроскопа. ! 3. Радиоспектроскоп по п.1 или 2, отличающийся тем, что газовая ячейка помещена в радиочастотную катушку. ! 4. Радиоспектроскоп по п.1 или 2, отличающийся тем, что он снабжен магнитометром.

Description

Полезная модель относится к технике квантовых устройств и может быть использована 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.

К аналогам полезной модели относятся 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.Григорьянц, 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.].

Известен квантовый стандарт частоты [RU 2220499, H03L 7/16, H01S 3/10, опубл. 27.12.2003], содержащий последовательно соединенные в замкнутое кольцо автоматической подстройки частоты (АПЧ) подстраиваемый кварцевый генератор, умножитель частоты, преобразователь частоты, квантовый дискриминатор и формирователь управляющего напряжения, выход которого подключен к управляющему входу подстраиваемого кварцевого генератора, а также синтезатор частоты, первый и второй выходы которого соединены соответственно с вторым входом преобразователя частоты и вторым входом формирователя управляющего напряжения, а вход соединен с выходом подстраиваемого кварцевого генератора. Дополнительно введен делитель частоты, вход которого подключен к выходу умножителя частоты, при этом выход делителя частоты образует выход квантового стандарта частоты.

Недостатком известного устройства является зависимость его резонансной частоты от рабочего магнитного поля, вариации которого по величине и направлению приводят к уменьшению относительной стабильности частоты подстраиваемого кварцевого генератора.

Ближайшим аналогом заявляемой полезной модели является радиоспектроскоп на газовой ячейке [SU, №1671103, H01S 1/06, опубл. 10.05.1995]. Радиоспектроскоп содержит магнитный экран, катушку для создания однородного магнитного поля, теплоизолирующую камеру, внутри которой размещены спектральная лампа, наполненная рубидием 87 (⁸⁷Rb.), ячейка-фильтр, наполненная рубидием 85 (⁸⁵Rb) и буферным газом, и резонатор с нагревателем, датчиком температуры, фотодетектором и газовой ячейкой, наполненной рубидием 87 и смесью буферных газов,

Недостатком известного устройства, принятого за прототип, является нестабильность резонансной частоты радиоспектроскопа, вызванная ее ориентационной зависимостью от угла между направлением магнитного поля и лучом света накачки. Изменение этого угла может быть обусловлено различными причинами, например, изменением ориентации датчика в пространстве, изменением коэффициента экранирования магнитных экранов, наличием внешних магнитных наводок и т.п.

Задачей полезной модели является разработка радиоспектроскопа с повышенной стабильностью резонансной частоты в условиях медленного дрейфа остаточного магнитного поля.

Поставленная задача достигается тем, что в радиоспектроскопе, содержащем магнитный экран, катушку для создания однородного магнитного поля, теплоизолирующую камеру, внутри которой размещены спектральная лампа, наполненная рубидием 87, ячейка-фильтр, наполненная рубидием 85 и буферным газом, и резонатор с нагревателем, фотодетектором и газовой ячейкой, наполненной рубидием 87 и смесью буферных газов, магнитная катушка выполнена в виде не менее двух ортогонально ориентированных по отношению друг к другу идентичных секций, причем одна из секций - для создания магнитного поля вдоль оптической оси, другая - для создания магнитного поля перпендикулярно оптической оси радиоспектроскопа, и снабжена переключателем секций.

В радиоспектроскопе магнитная катушка может быть выполнена в виде трех ортогонально ориентированных по отношению друг к другу идентичных секций, причем две из них - для создания магнитного поля перпендикулярно оптической оси радиоспектроскопа.

Газовая ячейка может быть помещена в радиочастотную катушку, переменное поле которой индуцирует магнитодипольные переходы в рабочем веществе газовой ячейки, либо радиоспектроскоп может быть снабжен магнитометром.

Сущность полезной модели поясняется графическими материалами, на которых изображены:

фиг.1 Компоненты векторов магнитного поля секций катушки (Н₀), остаточного магнитного поля (Н_ОСТ) и суммарных векторов магнитного поля (Н₁, Н₂, Н₃, Н₄) в декартовой системе координат.

фиг.2 - схема предлагаемой полезной модели рубидиевого радиоспектроскопа на газовой ячейке с оптической накачкой в частном случае выполнения магнитной катушки в виде трех секций, где 1 - магнитный экран 2, 3, 4 - секции катушки, 5 - теплоизолирующая камера, 6 - спектральная лампа, 7 - ячейка-фильтр, 8 - резонатор, 9 - нагреватель, 10 - фотодетектор, 11 - газовая ячейка, 12 - радиочастотная катушка, 13 - переключатель, 14 - блок питания.

Происхождение ориентационной погрешности измерений частоты связано с так называемым световым сдвигом частоты радиооптического СВЧ резонанса, который применительно к парам щелочных металлов с оптической накачкой неполяризованным светом содержит две составляющих [W.Happer, B.S.Mathur, Phys. Rev. - 1967. - v 163. - №1, P.12-25]:

1) Скалярный сдвиг Δν₀, одинаковый для всех магнитных подуровней сверхтонкой структуры F либо F*.

2) Тензорный сдвиг Δν_T, связанный с эффектом выстраивания атомов основного состояния и зависящий от магнитного квантового числа m_F.

Действие световых сдвигов является главным дестабилизирующим фактором в квантовых стандартах частоты с оптической накачкой, при этом погрешности подобных устройств определяются главным образом действием скалярной компоненты светового сдвига в условиях классической схемы оптической накачки с изотопической фильтрацией спектральных линий головного дублета.

В случае оптической накачки паров ⁸⁷Rb нерезонансным светом второго изотопа вклад тензорной компоненты в результирующий световой сдвиг 0-0 перехода не превышает 15 и 2% соответственно для линий накачки D₁ и D₂ [B.S.Mathur, H.Tang, W.Happer, Phys. Rev. - 1968. - v 171. - №1, P.11]. Как показывает расчет, выполненный в работе [В.В.Семенов, Известия ВУЗов, Физика. - 1999. - №2 с.86-90], ситуация радикально меняется, если оптическая накачка паров ⁸⁷Rb осуществляется от спектральной лампы с использованием изотопической фильтрации резонансного света в ячейке с парами ⁸⁵Rb. Так например, в случае использования линии накачки D₁ значения Δν_T для магнитонезависимых СВЧ переходов могут значительно (в несколько раз) превышать величину скалярного сдвига частоты Δν₀. При этом характерной особенностью тензорной компоненты светового сдвига является ее ориентационная зависимость от угла θ между направлением внешнего магнитного поля и лучом света накачки, пропорциональная множителю (1-3 cos²θ) [Е.Б.Александров, Г.И.Хвостенко, Чайка М.П. Интерференция атомных состояний. - М.: Наука, с.256, 1991]. Присутствие этого множителя налагает жесткие требования по поддержанию постоянства угла θ особенно при использовании рубидиевых стандартов на движущихся и вращающихся носителях. Достаточно сказать, что в условиях оптической накачки паров рубидия естественной смесью линий накачки D₁ и D₂ головного дублета, вариация угла θ всего лишь в один градус дает такое же относительное смещение резонансной частоты (10^-12) что и 30% изменение величины рабочего магнитного поля напряженностью 0,8 А/м. Как показано в работе [В.В.Семенов, ЖПС - 1998. -, v.65, №6 с.832-838] при соизмеримых интенсивностях линий накачки D₁ и D₂ значение тензорной компоненты светового сдвига Δν_T для линии накачки D₁ (ответственной за ориентационный сдвиг частоты радиооптического резонанса на 0-0 переходе) более чем на порядок больше в сравнении с тензорной компонентой линии накачки D₂ в диапазоне температур ячейки фильтра 30-80°C. При этом значения Δν_T для линий накачки D₁ и D₂ имеют противоположные знаки.

Величина угла θ зависит как от направления, так и абсолютного значения остаточного магнитного поля H_ОСТ внутри магнитного экрана. Если в газовой ячейке индуцировать магнитозависимые переходы между соседними зеемановскими подуровнями и зафиксировать эти переходы по сигналу магнитного резонанса, можно по измеренной частоте таких переходов определить величину и направление остаточного поля H_ОСТ. Это, в свою очередь, позволяет однозначно определить в декартовой системе координат углы между вектором рабочего магнитного поля и осями координат (фиг.1). При выполнении магнитной катушки в виде трех ортогонально ориентированных по отношению друг к другу идентичных секций 2, 3, 4, (фиг.2), причем секция 3 - для создания магнитного поля вдоль оптической оси, а секции 2, 4 - для создания магнитного поля перпендикулярно оптической оси радиоспектроскопа, рабочее магнитное поле в зоне размещения газовой ячейки представляет векторную сумму вектора H_ОСТ и магнитного поля H₀, создаваемого одной из секций магнитной катушки в период ее подключения к блоку питания. При этом величина поля H₀ известна и соответствует частоте зеемановского резонанса ω₀. Значение H_ОСТ несложно определить, измеряя резонансные частоты, соответствующие двум противоположным ориентациям поля H₀ вдоль оптической оси радиоспектроскопа, что может быть выполнено инверсией тока в соответствующей секции магнитной катушки. При прямом включении секции 3 катушки геометрическая сумма полей H₀ и H_ОСТ образует вектор H₁, которому соответствует резонансная частота ω₁. При инверсии тока в секции 3 катушки геометрическая сумма полей H₀ и H_ОСТ образует вектор Н₂, которому соответствует резонансная частота ω₂. При включении секции 2 катушки геометрическая сумма полей H₀ и H_ОСТ образует вектор H₃, которому соответствует резонансная частота ω₃. При включении секции 4 катушки геометрическая сумма полей H₀ и H_ОСТ образует вектор Н₄, которому соответствует резонансная частота ω₄.

При медленном (в сравнении с временем измерения резонансных частот ω₁, ω₂, ω₃ и ω₄) дрейфе величины и направления поля H_ОСТ можно определить косинусы углов между вектором рабочего магнитного поля и осями координат. Поскольку эти косинусы входят квадратичным образом в функцию ориентационной зависимости частоты радиооптического резонанса на 0-0 переходе их несложно определить, измеряя частоты ω₁, ω₂, ω₃ и ω₄. Их последующий учет при работе радиоспектроскопа в составе квантового стандарта частоты позволяет скомпенсировать ориентационную погрешность измерений частоты перестраиваемого кварцевого генератора схемы АПЧ (например, программируемой коррекцией вырабатываемого схемой АПЧ сигнала ошибки). Таким образом, в каждом цикле измерений, соответствующих различным направлениям магнитного поля H₀ частота кварцевого генератора не будет зависеть (в пределах точности определения соответствующих косинусов углов ориентации по отношению к осям декартовой системы координат) от величины и направления остаточного магнитного поля. Точность определения этих косинусов, в свою очередь, зависит от точности измерения резонансных частот ω₁, ω₂, ω₃ и ω₄, определяемой отношением сигнал-шум и шириной линии радиооптического резонанса. Для паров щелочных металлов типичные значения ширины резонансной линии составляет величину 500 Гц при отношении сигнал к шуму 10³ в полосе регистрации 1 Гц. Для рубидия - 87 частоте ω₀=10000 Гц при указанных выше параметрах линии магнитного резонанса относительная погрешность измерений частот ω₁, ω₂, ω₃ и ω₄ будет составлять менее 0,01%.

Для детектирования как СВЧ резонанса, так и зеемановского магнитного резонанса одним приемным фотодетектором может быть использована стандартная модуляционная методика сканирования частоты соответствующих генераторов на двух различающихся частотах модуляции, что обеспечивает развязку каналов детектирования низкочастотного и СВЧ радиооптических резонансов.

Таким образом, по измеренным значениям частот зеемановского магнитного резонанса ω₀, ω₁, ω₂, ω₃, ω₄ и работе радиоспектроскопа в составе квантовой меры частоты можно скорректировать в цепи АПЧ задающего кварцевого генератора управляющий сигнал, позволяющий выполнить его настройку на одно и то же значение частоты вне зависимости от ориентации вектора остаточного магнитного поля, то есть такое устройство будет обладать большей относительной стабильностью в сравнении с аналогичными устройствами в условиях медленного дрейфа остаточного магнитного поля.

Радиоспектроскоп содержит (фиг.2) магнитный экран 1, катушку для создания магнитного поля в виде трех ортогонально ориентированных по отношению друг к другу идентичных секций 2, 3, 4, теплоизолирующую камеру 5, внутри которой размещены спектральная лампа 6, наполненная рубидием 87, ячейка-фильтр 7, наполненная рубидием 85 и буферным газом, и резонатор 8 с нагревателем 9, фотодетектором 10 и газовой ячейкой 11, наполненной рубидием 87 и смесью буферных газов. Газовая ячейка 11 снабжена радиочастотной катушкой 12. Ось секции 3 катушки направлена вдоль оптической оси радиоспектроскопа, оси секций 2 и 4 взаимно ортогональны и ориентированы перпендикулярно оптической оси радиоспектроскопа. Для последовательного переключения секций 2, 3, 4 магнитная катушка снабжена переключателем 13, подключенным к блоку питания 14.

Радиоспектроскоп в составе квантового стандарта частоты работает следующим образом.

При включении поджигается разряд в спектральной лампе 6, излучение которой, проходя через ячейку-фильтр 7, обеспечивает накачку атомов рубидия в газовой ячейке 11. Температура газовой ячейки 11, нагретой с помощью нагревателя 9, устанавливается в окрестности значения, при котором достигается максимальное отношение сигнал-шум радиооптического резонанса на входе приемного фотодетектора 10. Фотодетектор 10 регистрирует сигнал, характеризующий взаимодействие накаченных атомов с СВЧ-полем, возбуждаемым в резонаторе 8. Одновременно с СВЧ полем с помощью, например, радиочастотной катушки 12, в атомах индуцируются магнитодипольные переходы между соседними магнитными подуровнями состояний сверхтонкой структуры. При совпадении частоты перехода F=2, m_F=0↔F=1, m_F=0 основного состояния атомов ⁸⁷Rb с частотой СВЧ-поля, а также при совпадении электромагнитного поля радиочастотной катушки 12 с частотой магнитодипольных переходов интенсивность излучения, попадающего на фотодетектор 10, минимальна. Это объясняется тем, что приложение резонансных полей на частотах рабочих переходов выравнивает населенности на магнитных подуровнях сверхтонкой структуры, что приводит к увеличению поглощения света накачки и к уменьшению интенсивности света, прошедшего через газовую ячейку 11. При этом сигнал резонанса невелик и для изотопа ⁸⁷Rb обычно составляет 0,1-1% от уровня засветки, определяемого фоновыми линиями излучения лампы 6 и нерезонансными линиями рабочего вещества. Для увеличения отношения сигнал-шум используется модуляция частоты приложенных радио и СВЧ полей, благодаря которой оптический сигнал на выходе газовой ячейки 11 регистрируется фотодетектором 10 на частоте модуляции и содержит информацию не только о величине, но и о знаке расстройки электромагнитного поля относительно частоты рабочего перехода. Для развязки каналов детектирования СВЧ и зеемановского радиооптического резонанса выбираются разные частоты модуляции соответствующих электромагнитных полей. Таким образом, приемный фотодетектор 10 детектирует одновременно сигналы радиооптического резонанса, связанные с индуцированием как магнитонезависимого 0-0 перехода, так и низкочастотного зеемановского перехода, частота которого однозначно определена внешним магнитным полем, создаваемым векторами остаточного магнитного поля и магнитного поля секций 2, 3, 4. Эта частота измеряется по сигналу радиооптического резонанса, возбуждаемого в газовой ячейке 11 с помощью электромагнитного поля радиочастотной катушки 12, подключенной к выходу задающего перестраиваемого генератора, либо квантовым магнитометром (на рис.2 не показан), помещенным в радиоспектроскоп. До момента переключения секций производится замер частоты ω₁, соответствующей прямому включению секции 3 магнитной катушки. Затем в секции катушки 3 осуществляется инверсия тока. При этом измеряется резонансная частота ω₂. С помощью переключателя 13 секции 2, 3, 4 магнитной катушки переключаются в следующей последовательности: с секции 3 на секцию 2. При включенной секции 2 измеряется частота радиооптического зеемановского резонанса ω₃. Далее выполняется переключение с секции 2 на секцию 4. При включенной секции 4 измеряется частота радиооптического зеемановского резонанса ω₄. Далее выполняется переключение с секции 4 на секцию 3. При этом производится замер частоты ω₁. Далее процесс переключения секций повторяется в той же последовательности: 3, 2, 4 и т.д. Таким образом, при произвольной ориентации вектора остаточного магнитного поля в декартовой системе координат частоты зеемановского магнитного резонанса ω₁, ω₂, ω₃, ω₄ будут соответствовать значениям векторов магнитного поля H₁, Н₂, Н₃, Н₄, ориентированных соответственно под углами α, φ, β, γ по отношению к осям координат (фиг.1). Значению поля H₀ соответствует известная резонансная частота ω₀. Далее определяют косинусы углов α, φ, β, γ по известной теореме косинусов:

где

В соответствии с формулами (1)-(4) относительная погрешность определения косинусов углов α, φ, β, γ зависит от стоящей в числителе разности частот ω₀, ω₁, ω₂, ω₃ и ω₄. Эту погрешность определяют по формуле относительной погрешности разности двух измеряемых величин A и B:

где ΔA и ΔB - абсолютные погрешности измерений величин A и B.

По теореме Лагранжа абсолютная погрешность определения функции многих переменных y=F(x₁, х₂, …x_N) имеет вид:

Используя выражения (5) и (6) оценивают относительную погрешность определения косинусов углов α, φ, β, γ и вносят корректировку в сигнал схемы АПЧ. В соответствии с (6) абсолютная погрешность искомой величины будет определяться погрешностью измерения частот ω₀, ω₁, ω₂, ω₃ и ω₄. Для оценки относительной погрешности, например, cosα, необходимо вычислить абсолютное значение cosα При коэффициенте магнитного экранирования магнитного экрана 10³ значение остаточного геомагнитного магнитного поля в зоне размещения газовой ячейки не будет превышать 10% от выбранного выше значения магнитного поля H₀ (которое соответствует резонансной частоте ω₀=10000 Гц). Таким образом, значения рабочих частот ω₁ и ω₂ в формуле (1) будут отличаться от ω₀ на те же 10%. Аддитивный характер вкладов абсолютных погрешностей измеряемых частот ω₀, ω₁ и ω₂ примерно на порядок ухудшает относительную погрешность δ(cosα) по сравнению с этим параметром при измерении частот ω₀, ω₁ и ω₂. Как указывалось выше, относительная погрешность измерений этих частот составляет при ω₀=10000 Гц примерно 0,01%. Поскольку при выбранном выше коэффициенте экранирования выполняются неравенства и , cosα будет отличаться от единицы не более, чем на 20%, при этом относительная погрешность его определения не превышает 0,1%. Этот параметр может быть улучшен при работе радиоспектроскопа на более высокой частоте ω₀, либо при использовании магнитного экрана с большим коэффициентом экранирования.

Указанный уровень погрешности достигается при двух обязательных условиях работы радиоспектроскопа:

- за время измерений частот ω₁, ω₂, ω₃ и ω₄ поле H_ОСТ не успевает измениться ни по величине, ни по направлению,

- частота переключений с секции на секцию магнитной катушки должна быть меньше полос пропускания кольца АПЧ как радиочастотного генератора в блоке его АПЧ, так и в кольце автоматической подстройки частоты кварцевого генератора в составе схемы обработки сигнала радиооптического СВЧ резонанса на 0-0 переходе.

Как известно, [А.А.Баранов, С.В.Ермак, В.В.Семенов Ориентационная зависимость светового сдвига частоты радиооптического СВЧ резонанса в парах рубидия НТВ СПбГПУ 3(104)2010, стр.95-98 Раздел Физическая оптика] в случае естественной смеси линий накачки D₂ и D₁ имеет место значительная ориентационная зависимость частоты наблюдаемого резонанса на 0-0 переходе. Эта зависимость может быть однозначно определена и использована для коррекции сигнала ошибки в схеме АПЧ кварцевого генератора при работе радиоспектроскопа в составе квантовой меры частоты. Для этого осуществляется измерение косинусов углов α, φ, β, γ, определяющих ориентационную зависимость резонансной частоты по закону (1-3 cos²θ), где θ принимает значения α, φ, β, γ. Согласно этой зависимости схема АПЧ перестраиваемого кварцевого генератора осуществляет его перестройку таким образом, чтобы скомпенсировать вклад ориентационного сдвига частоты радиооптического резонанса на 0-0 переходе. Такая перестройка осуществляется аналогично тому, как это описано в указанном выше аналоге [RU 2220499, H03L 7/16, H01S 3/10, опубл. 27.12.2003]. В подобном устройстве, включающем радиоспектроскоп в качестве репера частоты, стабильность кварцевого генератора определяется стабильностью линии атомного 0-0 перехода и не зависит (в пределах указанной выше относительной погрешности определения косинусов углов α, φ, β, γ) от ориентации радиоспектроскопа в магнитном пространстве. Для приведенного выше примера значений остаточного магнитного поля (соответствующего 10% рабочей частоты 10000 Гц) медленный дрейф ориентации вектора остаточного поля в пределах 0-90° будет соответствовать относительной нестабильности резонансной частоты прототипа радиоспектроскопа на уровне 10^-10. В квантовом стандарте частоты, использующим предложенную полезную модель относительная нестабильность при том же дрейфе ориентации остаточного магнитного поля уменьшается с 10^-10 до уровня 10^-13

Claims (4)

1. Радиоспектроскоп, содержащий магнитный экран, катушку для создания однородного магнитного поля, теплоизолирующую камеру, внутри которой размещены спектральная лампа, наполненная рубидием 87, ячейка-фильтр, наполненная рубидием 85 и буферным газом, и резонатор с нагревателем, фотодетектором и газовой ячейкой, наполненной рубидием 87 и смесью буферных газов, отличающийся тем, что магнитная катушка выполнена в виде не менее двух ортогонально ориентированных по отношению друг к другу идентичных секций, причем одна из секций - для создания магнитного поля вдоль оптической оси, другая - для создания магнитного поля перпендикулярно оптической оси радиоспектроскопа, и снабжена переключателем секций.

2. Радиоспектроскоп по п.1, отличающийся тем, что магнитная катушка выполнена в виде трех ортогонально ориентированных по отношению друг к другу идентичных секций, причем две из них - для создания магнитного поля перпендикулярно оптической оси радиоспектроскопа.

3. Радиоспектроскоп по п.1 или 2, отличающийся тем, что газовая ячейка помещена в радиочастотную катушку.

4. Радиоспектроскоп по п.1 или 2, отличающийся тем, что он снабжен магнитометром.