RU105531U1 - RADIOSPECTROSCOPE - Google Patents
RADIOSPECTROSCOPE Download PDFInfo
- Publication number
- RU105531U1 RU105531U1 RU2011106520/28U RU2011106520U RU105531U1 RU 105531 U1 RU105531 U1 RU 105531U1 RU 2011106520/28 U RU2011106520/28 U RU 2011106520/28U RU 2011106520 U RU2011106520 U RU 2011106520U RU 105531 U1 RU105531 U1 RU 105531U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- rubidium
- axis
- gas
- frequency
- filled
- Prior art date
Links
Landscapes
- Stabilization Of Oscillater, Synchronisation, Frequency Synthesizers (AREA)
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 расположенные вдоль оси катушки резонатор с нагревателем, фотодетектор и газовая ячейка, наполненная рубидием 87 и смесью буферных газов, отличающийся тем, что теплоизолирующая камера дополнительно содержит вторые резонатор с нагревателем, фотодетектором и газовой ячейкой, наполненной рубидием 87 и смесью буферных газов, расположенные вдоль оси, ортогонально ориентированной по отношению к оси катушки, с возможностью обеспечения равенства световых интенсивностей на входе газовых ячеек. ! 2. Радиоспектроскоп по п.1, отличающийся тем, что теплоизолирующая камера дополнительно содержит третьи резонатор с нагревателем, фотодетектором и газовой ячейкой, наполненной рубидием 87 и смесью буферных газов, расположенные вдоль оси, ортогонально ориентированной по отношению к оси катушки и к оси, вдоль которой расположены вторые резонатор с нагревателем, фотодетектором и газовой ячейкой. ! 3. Радиоспектроскоп по п.1, отличающийся тем, что в теплоизолирующую камеру дополнительно установлена вторая ячейка-фильтр, наполненная рубидием 85 и буферным газом. ! 4. Радиоспектроскоп по п.2, отличающийся тем, что в теплоизолирующую камеру дополнительно установлены две ячейки-фильтр, наполненные рубидием 85 и буферным газом. 1. A radio spectroscope containing a magnetic screen, a coil for creating a uniform magnetic field, a heat insulating chamber, inside which a spectral lamp filled with rubidium 87, a filter cell filled with rubidium 85 and a buffer gas, and a resonator with a heater located along the axis of the coil, a photodetector, and a gas cell filled with rubidium 87 and a mixture of buffer gases, characterized in that the heat-insulating chamber further comprises a second resonator with a heater, a photo detector and a gas cell filled with ruby diem 87 and a mixture of buffer gases located along an axis orthogonally oriented with respect to the axis of the coil, with the possibility of ensuring equal light intensities at the inlet of the gas cells. ! 2. The radio spectroscope according to claim 1, characterized in that the insulating chamber further comprises a third resonator with a heater, a photo detector and a gas cell filled with rubidium 87 and a mixture of buffer gases located along an axis orthogonally oriented with respect to the axis of the coil and to the axis along which are the second resonator with a heater, a photodetector and a gas cell. ! 3. The radio spectroscope according to claim 1, characterized in that a second filter cell is additionally installed in the heat-insulating chamber, filled with rubidium 85 and a buffer gas. ! 4. The radio spectroscope according to claim 2, characterized in that two additional filter cells are installed in the heat-insulating chamber, filled with rubidium 85 and a buffer gas.
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.The utility model relates to the technique of quantum devices and can be used in quantum frequency standards on a gas cell with optical pumping. Such devices are widely used in long-distance space communications, the service of exact time, as well as in the refinement of fundamental constants and verification of the provisions of the theory of relativity.
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.].The analogues of the utility model include rubidium radio spectroscopes with isotopic filtering of pumping light, which form the basis of passive frequency standards on a gas cell. The principle of operation of such devices is based on stabilization of the frequency of the tunable quartz oscillator relative to the frequency of the spectral line corresponding to the quantum transition in the hyperfine structure of the ground state of rubidium atoms, see for example [V.V. Grigoryants, M.E. Zhabotinsky, V.F. Zolin. Quantum frequency standards. Nauka, 1967, 288 pp.], [A.I. Pikhtelev, A.A. Ulyanov, B.P. Fateev et al. Frequency and time standards based on quantum generators and discriminators // M., Sov. Radio, 1978, 304 pp.], [F. Rile Frequency Standards. Principles and Applications // Transl. from English - M .: FIZMATLIT. 2009 - 512 S.].
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, квантовой дискриминатор и формирователь управляющего напряжения, выход которого подключен к управляющему входу перестраиваемого 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 перестраиваемого кварцевого генератора. Дополнительно введен делитель частоты, вход которого подключен к выходу умножителя частоты, при этом выход делителя частоты образует выход квантового стандарта частоты.Known quantum frequency standard [RU 2220499, H03L 7/16, H01S 3/10, publ. 12.27.2003], which contains a tunable quartz oscillator, a frequency multiplier, a frequency converter, a quantum discriminator and a control voltage generator, the output of which is connected to the control input of a tunable crystal oscillator, as well as a frequency synthesizer, first, connected in series into a closed ring of automatic frequency control (AFC), the first and the second outputs of which are connected respectively to the second input of the frequency converter and the second input of the driver of the control voltage, and the input is connected yield tunable crystal oscillator. Additionally, a frequency divider is introduced, the input of which is connected to the output of the frequency multiplier, while the output of the frequency divider forms the output of the quantum frequency standard.
Недостатком известного устройства является зависимость его резонансной частоты от рабочего магнитного поля, вариации которого по величине и направлению приводят к уменьшению относительной стабильности частоты перестраиваемого кварцевого генератора.A disadvantage of the known device is the dependence of its resonant frequency on the working magnetic field, the variations of which in magnitude and direction lead to a decrease in the relative frequency stability of the tunable crystal oscillator.
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 расположенные вдоль оси катушки резонатор с нагревателем, датчиком температуры, фотодетектором и газовой ячейкой, наполненной рубидием 87 и смесью буферных газов.The closest analogue of the claimed utility model is a radio spectroscope on a gas cell [SU, No. 1671103, H01S 1/06, publ. 05/10/1995]. The radio spectroscope contains a magnetic screen, a coil for creating a uniform magnetic field, a heat insulating chamber, inside which a spectral lamp filled with rubidium 87 ( 87 Rb.), A filter cell filled with rubidium 85 ( 85 Rb) and a buffer gas, and located along the axis of the coil are placed a resonator with a heater, a temperature sensor, a photo detector and a gas cell filled with 87 rubidium and a mixture of buffer gases.
Недостатком известного устройства, принятого за прототип, является ориентационная зависимость резонансной частоты от угла между направлением магнитного поля и лучом света накачки, что приводит к ухудшению стабильности квантового стандарта частоты. 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.A disadvantage of the known device adopted for the prototype is the orientation dependence of the resonant frequency on the angle between the direction of the magnetic field and the beam of pumping light, which leads to a deterioration in the stability of the quantum frequency standard. A change in this angle can be due to various reasons, for example, a change in the orientation of the sensor in space, a change in the shielding coefficient of magnetic screens, the presence of external magnetic pickups, etc.
Задачей полезной модели является разработка радиоспектроскопа, обеспечивающего повышенную стабильность частоты квантового стандарта с оптической накачкой в условиях вариаций направления остаточного магнитного поля путем уменьшения ориентационной зависимости резонансной частоты радиоспектроскопа.The objective of the utility model is to develop a radio spectroscope that provides increased frequency stability of a quantum standard with optical pumping under conditions of variations in the direction of the residual magnetic field by reducing the orientation dependence of the resonant frequency of the radio spectroscope.
Поставленная задача достигается тем, что в радиоспектроскопе, содержащим 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 расположенные вдоль оси катушки резонатор с нагревателем, фотодетектор и газовая ячейка, наполненная рубидием 87 и смесью буферных газов, теплоизолирующая камера дополнительно содержит вторые резонатор с нагревателем, фотодетектором и газовой ячейкой, наполненной рубидием 87 и смесью буферных газов, расположенные вдоль оси, ортогонально ориентированной по отношению к оси катушки, с возможностью обеспечения равенства световых интенсивностей на входе газовых ячеек.The problem is achieved in that in a radio spectroscope containing a magnetic screen, a coil for creating a uniform magnetic field, a heat insulating chamber, inside which a spectral lamp filled with rubidium 87 is placed, a filter cell filled with rubidium 85 and a buffer gas, and a resonator located along the axis of the coil with a heater, a photodetector and a gas cell filled with rubidium 87 and a mixture of buffer gases, the heat-insulating chamber further comprises a second resonator with a heater, a photodetector and a gas cell oh, rubidium 87 filled with the mixture and buffer gas along an axis oriented orthogonally relative to the axis of the coil, with the possibility of ensuring the equality of light intensities on the gas inlet cells.
В теплоизолирующую камеру может быть дополнительно введена вторая ячейка-фильтр, наполненная рубидием 85 и буферным газом. расположенная на оси, ортогональной оси магнитной катушки.A second filter cell filled with rubidium 85 and a buffer gas can be additionally introduced into the heat-insulating chamber. located on an axis orthogonal to the axis of the magnetic coil.
Теплоизолирующая камера может дополнительно содержать третьи резонатор с нагревателем, фотодетектором и газовой ячейкой, наполненной рубидием 87 и смесью буферных газов, расположенные вдоль оси, ортогонально ориентированной по отношению к оси катушки и к оси, вдоль которой расположены вторые резонатор с нагревателем, фотодетектором и газовой ячейкой.The heat-insulating chamber may additionally contain a third resonator with a heater, a photodetector and a gas cell filled with rubidium 87 and a mixture of buffer gases located along an axis orthogonally oriented with respect to the axis of the coil and to the axis along which the second resonator with a heater, a photodetector and a gas cell are located .
При таком выполнении радиоспектроскопа сумма частот сигналов радиооптического резонанса, фиксируемых фотодетекторами не будет содержать ориентационных поправок к частоте вследствие их взаимной компенсации. Таким образом, сумма частот радиооптического резонанса будет иметь фиксированную величину, не зависящую от направления магнитного поля, что обуславливает повышенную стабильность частоты квантового стандарта с оптической накачкой в условиях вариаций направления остаточного магнитного поля.With such a radio spectroscope, the sum of the frequencies of the radio-optical resonance signals detected by the photodetectors will not contain orientational corrections to the frequency due to their mutual compensation. Thus, the sum of the frequencies of the radio-optical resonance will have a fixed value that does not depend on the direction of the magnetic field, which leads to increased stability of the frequency of the quantum standard with optical pumping under conditions of variations in the direction of the residual magnetic field.
Сущность полезной модели поясняется графическими материалами, на которых изображены:The essence of the utility model is illustrated by graphic materials, which depict:
фиг.1. Векторы магнитного поля катушек (H0) и остаточного магнитного поля (ΔН) в декартовой системе координат ZXfigure 1. The magnetic field vectors of the coils (H 0 ) and the residual magnetic field (ΔН) in the Cartesian coordinate system ZX
фиг.2. Векторы магнитного поля катушек (H0) и остаточного магнитного поля (ΔН) в декартовой системе координат ZXYfigure 2. The magnetic field vectors of the coils (H 0 ) and the residual magnetic field (ΔН) in the Cartesian coordinate system ZXY
фиг.3 - схема предлагаемой полезной модели рубидиевого радиоспектроскопа на газовой ячейке с оптической накачкойfigure 3 - diagram of the proposed utility model of a rubidium radio spectroscope on a gas cell with optical pumping
Происхождение ориентационной погрешности измерений частоты связано с действием Штарк эффекта, вызывающего так называемый световой сдвиг 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]:The origin of the orientation error of frequency measurements is associated with the Stark effect, which causes the so-called light shift of the frequency of radio-optical microwave resonance, which, in relation to alkali metal pairs with optical pumping by non-polarized light, contains two components [W. Happer, B. S. Mathur, Phys. Rev. - 1967. - v 163. - No. 1, P.12-25]:
1) Скалярный сдвиг Δν0, одинаковый для всех магнитных подуровней сверхтонкой структуры F либо F*.1) The scalar shift Δν 0 , the same for all magnetic sublevels of the hyperfine structure F or F *.
2) Тензорный сдвиг ΔνT, связанный с эффектом выстраивания атомов основного состояния и зависящий от магнитного квантового числа mF.2) The tensor shift Δν T associated with the effect of alignment of the atoms of the ground state and depending on the magnetic quantum number 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.The action of light shifts is the main destabilizing factor in optical-pumped quantum frequency standards, while the errors of such devices are mainly determined by the action of the scalar component of the light shift under the conditions of the classical optical pump scheme with isotopic filtering of the spectral lines of the head doublet.
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 ΔνT 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 (1-3cos2θ) [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 ΔνT 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°С.In the case of the optical pumping of 87 Rb vapor by non-resonant light of the second isotope, the contribution of the tensor component to the resulting light shift of the 0–0 transition does not exceed 15 and 2% for the pump lines D 1 and D 2 , respectively [BSMathur, H. Tang, W. Happer, Phys. Rev. - 1968. - v 171. - No. 1, P.11]. As the calculation shown in the work [VV Semenov, Izvestia VUZov, Physics. - 1999.- No. 2 p.86-90], the situation changes radically if the optical pumping of 87 Rb vapor is carried out from a spectral lamp using isotopic filtering of resonant light in a cell with 85 Rb vapor. For example, in the case of using the pump line D 1, the values of Δν T for magnetically independent microwave transitions can significantly (several times) exceed the magnitude of the scalar frequency shift Δν 0 . In this case, a characteristic feature of the tensor component of the light shift is its orientation dependence on the angle θ between the direction of the external magnetic field and the pump beam, proportional to the factor (1-3cos 2 θ) [E.B. Alexandrov, G.I. Khvostenko, Chaika M. P. The interference of atomic states. - M .: Nauka, p. 256, 1991). The presence of this factor imposes stringent requirements on maintaining the constancy of the angle θ, especially when using rubidium standards on moving and rotating carriers. Suffice it to say that under the conditions of optical pumping of rubidium vapor by a natural mixture of pump lines D 1 and D 2 of the head doublet, a variation of the angle θ of only one degree gives the same relative shift of the resonant frequency (10 -12 ) as a 30% change in the magnitude of the working magnetic field strength 0.8 A / m. As shown in [VV Semenov, ZhPS - 1998. -, v.65, No. 6 p. 832-838) at comparable pump line intensities D 1 and D 2, the value of the tensor component of the light shift Δν T for the pump line D 1 (responsible for the orientational frequency shift of the radio-optical resonance at the 0–0 transition) is more than an order of magnitude greater than the tensor component of the pump line D 2 in the temperature range of the filter cell 30–80 ° C.
В заявленной полезной модели наличие в теплоизолирующей камере дополнительных резонаторов с нагревателями, фотодетекторов и газовых ячеек, дает возможность исключить ориентационную зависимость из показаний радиоспектроскопа, работающего в составе квантового стандарта частоты. Действительно, в варианте радиоспектроскопа, содержащего дополнительно размещенные на оси перпендикулярно оси магнитной катушки резонатор с нагревателем, фотодетектор и газовую ячейку, ориентационные зависимости частоты радиооптического резонанса, детектируемого фотодетекторами, будут в системе координат ZX (фиг.1) иметь вид соответственно (1-3cos2θ) - для оси Z и (1-3sin2θ) - для оси X. Таким образом, сумма частот радиооптического резонанса будет содержать регулярную поправку к номинальному значению частоты, не зависящую от угла θ.In the claimed utility model, the presence in the heat-insulating chamber of additional resonators with heaters, photodetectors and gas cells makes it possible to exclude the orientation dependence from the readings of a radio spectroscope operating as part of a quantum frequency standard. Indeed, in a variant of a radio spectroscope containing an additional resonator with a heater, a photodetector and a gas cell, the orientation dependences of the frequency of the radio-optical resonance detected by photodetectors will additionally be placed on the axis perpendicular to the axis of the magnetic coil in the ZX coordinate system (Fig. 1), respectively (1-3cos 2 θ) for the Z axis and (1-3sin 2 θ) for the X axis. Thus, the sum of the frequencies of the radio-optical resonance will contain a regular correction to the nominal frequency value, independent of the angle θ.
Обеспечить равенство световых интенсивностей на входе газовых ячеек, необходимое для соблюдения одинаковых условий действия Штарк эффекта на положение магнитных подуровней основного состояния атомов рабочего вещества, возможно, например, разместив резонаторы на одинаковых расстояниях от ячейки фильтра либо введя дополнительные оптические элементы.It is necessary to ensure that the light intensities at the entrance of the gas cells are equal, which is necessary to observe the same conditions for the Stark effect on the position of the magnetic sublevels of the ground state of the atoms of the working substance, for example, by placing resonators at equal distances from the filter cell or by introducing additional optical elements.
В частном случае выполнения радиоспектроскопа, содержащего в теплоизолирующей камере вдоль трех взаимно ортогонально ориентированных осей резонаторы с нагревателями, фотодетекторы и газовые ячейки, в системе координат ZXY (фиг.2) ориентационные зависимости частоты радиооптического резонанса, детектируемого фотодетекторами будут иметь вид соответственно (1-3cos2α) - для оси Z, (1-3sin2β) - для оси Х и (1-3sin2γ) для оси Y. Из фиг.2 следует, что косинусы углов α, β и γ связаны между собой соотношениями: Cosβ=sinαcosφ и Cosγ=sinαsinφIn the particular case of a radio spectroscope containing in the heat-insulating chamber along three mutually orthogonally oriented axes resonators with heaters, photodetectors and gas cells, in the ZXY coordinate system (Fig. 2), the orientation dependences of the frequency of the radio-optical resonance detected by photodetectors will have the form respectively (1-3cos 2 α) for the Z axis, (1-3sin 2 β) for the X axis and (1-3sin 2 γ) for the Y axis. From figure 2 it follows that the cosines of the angles α, β and γ are interconnected by the relations: Cosβ = sinαcosφ and Cosγ = sinαsinφ
Подстановка этих соотношений в соответствующие ориентационные зависимости частоты радиооптического резонанса показывает, что, как и в предыдущем случае, сумма частот радиооптического резонанса будет содержать регулярную поправку к номинальному значению частоты, не зависящую от углов α, β, γ, то есть средневзвешенная частота радиоспектроскопа, включенного в состав квантового стандарта частоты не будет зависеть от ориентации вектора магнитного поля относительно оптических осей радиоспектроскопа.Substituting these relations into the corresponding orientational dependences of the frequency of the radio-optical resonance shows that, as in the previous case, the sum of the frequencies of the radio-optical resonance will contain a regular correction to the nominal value of the frequency, independent of the angles α, β, γ, i.e., the weighted average frequency of the radio spectroscope included the frequency standard will not depend on the orientation of the magnetic field vector relative to the optical axes of the radio spectroscope.
Заявляемая полезная модель радиоспектроскопа содержит в частном случае выполнения (фиг.3) магнитный экран 1, катушку 2 для создания однородного магнитного поля, теплоизолирующую камеру 3, внутри которой размещены спектральная лампа 4, наполненная рубидием 87, ячейка-фильтр 5, наполненная рубидием 85 и буферным газом, и расположенные вдоль оси катушки резонатор 6 с нагревателем 8, фотодетектор 10 и газовая ячейка 12, наполненная рубидием 87 и смесью буферных газов. Теплоизолирующая камера 3 дополнительно содержит вторые резонатор 7 с нагревателем 9, фотодетектор 11 и газовую ячейку 13, наполненную рубидием 87 и смесью буферных газов, расположенные вдоль оси, ортогонально ориентированной по отношению к оси катушки. Резонаторы 6 и 7 размещены между ячейкой-фильтром 5 и соответствующими фотодетекторами 10 и 11 на равных расстояниях от ячейки-фильтра 5 для обеспечения равенства световых интенсивностей на входе газовых ячеек 12, 13.The inventive utility model of a radio spectroscope contains in the particular case of execution (Fig. 3) a magnetic screen 1, a coil 2 for creating a uniform magnetic field, a heat-insulating chamber 3, inside which a spectral lamp 4 filled with rubidium 87 is placed, a filter cell 5 filled with rubidium 85 and buffer gas, and a resonator 6 with a heater 8 located along the axis of the coil, a photodetector 10 and a gas cell 12 filled with rubidium 87 and a mixture of buffer gases. The heat-insulating chamber 3 further comprises a second resonator 7 with a heater 9, a photodetector 11 and a gas cell 13 filled with rubidium 87 and a mixture of buffer gases located along an axis orthogonally oriented with respect to the axis of the coil. Resonators 6 and 7 are placed between the filter cell 5 and the corresponding photodetectors 10 and 11 at equal distances from the filter cell 5 to ensure equal light intensities at the inlet of the gas cells 12, 13.
Радиоспектроскоп в составе квантового стандарта частоты работает следующим образом.A radio spectroscope as part of a quantum frequency standard works as follows.
При включении поджигается разряд в спектральной лампе 4, излучение которой, проходя через ячейку-фильтр 5, обеспечивает накачку атомов рубидия в газовых ячейках 12 и 13 (фиг.3). Равенство световых интенсивностей на входе газовых ячеек 12 и 13 обеспечивается, например, равенством расстояний между ячейкой-фильтром 5 и резонаторами 6 и 7. В результате этого ячейки 12 и 13 имеют одинаковую степень поляризации и одинаковые условия действия Штарк эффекта. Далее производят нагрев газовой ячейки 12 нагревателем 8, а газовой ячейки 13 - нагревателем 9 до температуры, обеспечивающей достижение максимального отношения сигнал - шум радиооптического резонанса на входе соответствующих приемных фотодетекторов 10 и 11. При совпадении частоты перехода F=2, mF=0↔F=1, mF=0 основного состояния атомов 87Rb с частотой СВЧ-поля, интенсивности излучений, попадающих на фотодетекторы 10 и 11, минимальны. 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 газовые ячейки 12 и 13. При этом сигнал резонанса невелик и для изотопа 87Rb обычно составляет 0,1-1% от уровня засветки, определяемого фоновыми линиями излучения лампы 4 и нерезонансными линиями рабочего вещества. Сигналы радиооптического резонанса, индуцируемые с помощью СВЧ поля резонатора 6 в газовой ячейке 12 регистрируется фотодетектором 10, а с помощью резонатора 7 в ячейке 13 - фотодетектором 11. Для увеличения отношения сигнал-шум используется модуляция частоты приложенных СВЧ полей, благодаря которой сигнал радиооптического резонанса регистрируется фотодетекторами 10 и 11 на частоте модуляции и содержит информацию не только о величине, но и о знаке расстройки электромагнитного поля относительно частоты рабочего перехода.When turned on, the discharge is ignited in the spectral lamp 4, the radiation of which, passing through the filter cell 5, provides pumping of rubidium atoms in the gas cells 12 and 13 (Fig. 3). The equality of light intensities at the inlet of the gas cells 12 and 13 is ensured, for example, by the equality of the distances between the filter cell 5 and the resonators 6 and 7. As a result, the cells 12 and 13 have the same degree of polarization and the same conditions for the Stark effect. Next, the gas cell 12 is heated by the heater 8, and the gas cell 13 by the heater 9 to a temperature that ensures maximum signal-to-noise ratio of the radio-optical resonance at the input of the corresponding receiving photodetectors 10 and 11. If the transition frequency coincides, F = 2, m F = 0↔ F = 1, m F = 0 of the ground state of 87 Rb atoms with a microwave frequency, radiation intensities incident on photodetectors 10 and 11 are minimal. This is explained by the fact that the application of resonance fields at the frequencies of the working transitions evens out the populations at the magnetic sublevels of the hyperfine structure, which leads to an increase in the absorption of pump light and to a decrease in the intensity of the light transmitted through the gas cells 12 and 13. The resonance signal is also small for the isotope 87 Rb is usually 0.1-1% of the level of illumination, determined by the background lines of radiation of the lamp 4 and the non-resonant lines of the working substance. Radio-optical resonance signals induced by the microwave field of the resonator 6 in the gas cell 12 are detected by the photodetector 10, and by the resonator 7 in the cell 13 by the photodetector 11. To increase the signal-to-noise ratio, frequency modulation of the applied microwave fields is used, due to which the radio-optical resonance signal is recorded photodetectors 10 and 11 at the modulation frequency and contains information not only about the magnitude, but also about the sign of the detuning of the electromagnetic field relative to the frequency of the working transition.
В квантовом стандарте частоты должны быть предусмотрены две схемы обработки сигнала радиооптического резонанса (на фиг. не показан), содержащие селективный усилитель, фазовый детектор, низкочастотный генератор, перестраиваемый кварцевый генератор, умножитель частоты и синтезатор. Если сигналы, поступающие в резонаторы 6, 7 теплоизолирующей камеры 3 радиоспектроскопа, совпадают по частоте с СВЧ переходом в атоме рубидия, то происходит изменение интенсивности света, вызванное одновременным воздействием на атомы СВЧ излучения и света накачки. При этом на входе фотодетекторов 10, 11 (фиг.3) формируются сигналы на частоте низкочастотных генераторов, которые после усиления и фазового детектирования используются для автоподстройки перестраиваемых кварцевых генераторов на частоту резонансного перехода в рубидии с помощью цепи АПЧ. При этом на выходе умножителей частоты формируется частотно модулированный высокочастотный сигнал на несущей частоте, равной частоте 0-0 перехода в парах рубидия-87, помещенных в газовые ячейки 12 и 13. Выходы умножителей частоты подключены к резонаторам 6 и 7, высокочастотное поле которых индуцирует 0-0 резонансные переходы в основном состоянии рабочего вещества, что приводит к изменению прозрачности газовых ячеек 12 и 13 с частотой низкочастотных генераторов. С этой же частотой модулируется свет накачки, проходящий через газовые ячейки 12 и 13, что приводит к соответствующему изменению фототока на входе фотодетекторов 10 и 11 (фиг.3). Сигналы с выхода приемных фотодетекторов поступают на входы селективных усилителей, выходы которых соединены с сигнальным входом фазовых детекторов, на опорные входы которых поступают сигналы со вторых выходов низкочастотных генераторов. При этом на выходе фазовых детекторов формируется сигнал ошибки, осуществляющий перестройку частоты кварцевых генераторов до значений, при которых достигается равенство частот СВЧ поля в объемных резонаторах 6 и 7 и атомного 0-0 перехода. Такая перестройка выполняется с помощью варикапов, емкость которых регулируется формируемым на выходе фазовых детекторов сигналом ошибки.The quantum frequency standard should include two signal processing schemes for radio-optical resonance (not shown in FIG.), Containing a selective amplifier, a phase detector, a low-frequency generator, a tunable crystal oscillator, a frequency multiplier and a synthesizer. If the signals entering the resonators 6, 7 of the heat-insulating chamber 3 of the radio spectroscope coincide in frequency with the microwave transition in the rubidium atom, then a change in the light intensity occurs due to the simultaneous action of microwave radiation and pump light on the atoms. At the same time, signals are generated at the input of photodetectors 10, 11 (Fig. 3) at the frequency of low-frequency generators, which, after amplification and phase detection, are used to automatically tune tunable crystal oscillators to the resonance transition frequency in rubidium using an AFC circuit. At the same time, a frequency-modulated high-frequency signal is generated at the output of the frequency multipliers at the carrier frequency equal to the 0–0 transition frequency in rubidium-87 pairs placed in gas cells 12 and 13. The outputs of the frequency multipliers are connected to resonators 6 and 7, whose high-frequency field induces 0 -0 resonant transitions in the ground state of the working substance, which leads to a change in the transparency of the gas cells 12 and 13 with the frequency of low-frequency generators. At the same frequency, the pump light passing through the gas cells 12 and 13 is modulated, which leads to a corresponding change in the photocurrent at the input of the photodetectors 10 and 11 (Fig. 3). The signals from the output of the receiving photodetectors are fed to the inputs of selective amplifiers, the outputs of which are connected to the signal input of the phase detectors, the reference inputs of which receive signals from the second outputs of the low-frequency generators. In this case, an error signal is generated at the output of the phase detectors, which tunes the frequency of the crystal oscillators to values at which the microwave frequencies in the cavity resonators 6 and 7 are equal and the atomic 0–0 transition. This adjustment is performed using varicaps, the capacity of which is regulated by the error signal generated at the output of the phase detectors.
К перестраиваемым кварцевым генераторам схем обработки предъявляются жесткие требования по обеспечению высокой кратковременной стабильности и низкого уровня фазовых шумов. Последнее связано с тем, что стабильность квантового стандарта частоты за период от 1 до 10 с фактически определяется стабильностью кварцевых генераторов, а вариации его частоты за более длительные времена наблюдения компенсируются схемой автоподстройки.Tunable quartz oscillators of processing circuits have stringent requirements to ensure high short-term stability and low phase noise. The latter is due to the fact that the stability of the quantum frequency standard for a period from 1 to 10 s is actually determined by the stability of quartz oscillators, and variations in its frequency over longer observation times are compensated by the auto-tuning circuit.
Использование умножителя частоты в схеме обработки обусловлено тем, что номинальная частота кварцевых генераторов (5-10 МГц) существенно отличается от частоты атомного перехода (6834 МГц). И, таким образом, необходимо выполнить соответствующее преобразование частоты кварцевых генераторов до значений, близких к частоте атомного 0-0 перехода.. Такая операция реализуется с помощью нелинейного элемента (выполненного, например в виде генератора гармоник), на один из входов которого поступает сигнал от кварцевого генератора, а на второй - сигнал от синтезатора частоты (на фиг. не показан).The use of a frequency multiplier in the processing circuit is due to the fact that the nominal frequency of crystal oscillators (5-10 MHz) differs significantly from the frequency of the atomic transition (6834 MHz). And, therefore, it is necessary to carry out the corresponding frequency conversion of crystal oscillators to values close to the frequency of the atomic 0-0 transition .. This operation is carried out using a nonlinear element (performed, for example, in the form of a harmonic generator), one of whose inputs receives a signal from crystal oscillator, and on the second - a signal from a frequency synthesizer (not shown in Fig.).
В квантовом стандарте частоты долговременная стабильность перестраиваемых кварцевых генераторов будет определяться стабильностью линии атомного 0-0 перехода. При произвольной ориентации рабочего магнитного поля частоты сигналов радиооптического резонанса, фиксируемые фотодетекторами 10 и 11 радиоспектроскопа, будут содержать поправки, вызванные указанными выше ориентационными зависимостями. При суммировании этих частот соответствующие ориентационные поправки взаимно компенсируются и, таким образом, средневзвешенная частота квантового стандарта не зависит от ориентации вектора магнитного поля. Суммирование частот кварцевых генераторов может быть выполнено с помощью промышленного частотомера (например Ч3-38), в котором предусмотрена обработка двух сигналов, подаваемых на входы измерительного устройства.In the quantum frequency standard, the long-term stability of tunable crystal oscillators will be determined by the stability of the atomic 0-0 transition line. For an arbitrary orientation of the working magnetic field, the frequencies of the radio-optical resonance signals detected by the photodetectors 10 and 11 of the radio spectroscope will contain corrections caused by the above orientation dependences. When summing these frequencies, the corresponding orientation corrections are mutually compensated, and thus, the weighted average frequency of the quantum standard does not depend on the orientation of the magnetic field vector. The summation of the frequencies of crystal oscillators can be performed using an industrial frequency meter (for example, Ch3-38), which provides for the processing of two signals supplied to the inputs of the measuring device.
Точность компенсации ориентационной зависимости в заявляемой полезной модели определяется минимальным изменением значений углов α, β и γ, при котором может быть зафиксировано изменение резонансной частоты сигнала радиооптического резонанса, фиксируемого фото детекторам и 10, 11. В качестве примера проведена оценка минимального приращения угла α мин для случая ориентации остаточного магнитного поля в системе координат ZX (фиг.1) Согласно данным работы [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] изменение ориентации рабочего магнитного поля по отношению к направлению оптической оси на 90° приводит к ориентационному сдвигу частоты радиооптического резонанса на 15 Гц. При этом ориентационная поправка к частоте радиооптического резонанса будет иметь вид δ(1-3cos2α), где δ=5 Гц. Для среднестатистического стандарта частоты на парах рубидия при относительной стабильности 10-12 эта стабильность соответствует абсолютной девиации частоты радиооптического резонанса 0,007 Гц. Приравнивая эту девиацию первой производной по углу α выражения δ(1-3cos2α) находим, что минимальный угол αМИН примерно равен 1°. В пределах постоянства этого угла относительные стабильности прототипа и заявляемой полезной модели будут одинаковы. Однако, если вариации угла α будут превышать указанное минимальное значение, в этом случае относительная стабильность частоты прототипа заметно ухудшится. Например, при величине остаточного магнитного поля в пять раз меньше рабочего магнитного поля, создаваемого магнитной системой прототипа, изменение угла α в пределах 0-90° вызовет относительное изменение частоты радиооптического резонанса до значения 10-10, то есть будет на два порядка хуже, чем это достигается в заявляемом устройстве.The accuracy of the compensation of the orientation dependence in the claimed utility model is determined by the minimum change in the values of the angles α, β, and γ, at which a change in the resonant frequency of the radio-optical resonance signal detected by photo detectors and 10, 11 can be recorded. As an example, the minimum increment of the angle α min for cases of orientation of the residual magnetic field in the coordinate system ZX (Fig. 1) According to the data of [A.A. Baranov, S.V. Ermak, V.V. of adiooptical microwave resonance in NTV rubidium vapor SPbSPU 3 (104) 2010, pp. 95-98 Section Physical Optics] a change in the orientation of the working magnetic field with respect to the direction of the optical axis by 90 ° leads to an orientational shift of the frequency of the radio-optical resonance by 15 Hz. In this case, the orientation correction to the frequency of the radio-optical resonance will have the form δ (1-3cos 2 α), where δ = 5 Hz. For the average frequency standard for rubidium vapor with a relative stability of 10 -12, this stability corresponds to an absolute deviation of the frequency of the radio-optical resonance of 0.007 Hz. Equating this deviation of the first derivative with respect to the angle α of the expression δ (1-3cos 2 α) we find that the minimum angle α MIN is approximately equal to 1 °. Within the constancy of this angle, the relative stability of the prototype and the claimed utility model will be the same. However, if the variation of the angle α exceeds the specified minimum value, in this case, the relative frequency stability of the prototype will noticeably worsen. For example, when the residual magnetic field is five times less than the working magnetic field created by the prototype’s magnetic system, a change in the angle α within 0-90 ° will cause a relative change in the frequency of the radio-optical resonance to a value of 10 -10 , that is, it will be two orders of magnitude worse than this is achieved in the inventive device.
Таким образом, сравнение относительных стабильностей заявленной полезной модели и прототипа показывает, что предложенное схемное решение радиоспектроскопа позволяет в условиях вариации направления остаточного магнитного поля на два порядка улучшить относительную стабильность квантового стандарта частоты.Thus, a comparison of the relative stability of the claimed utility model and the prototype shows that the proposed circuit design of the radio spectroscope allows, under conditions of varying the direction of the residual magnetic field, by two orders of magnitude, the relative stability of the quantum frequency standard.
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011106520/28U RU105531U1 (en) | 2011-02-21 | 2011-02-21 | RADIOSPECTROSCOPE |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011106520/28U RU105531U1 (en) | 2011-02-21 | 2011-02-21 | RADIOSPECTROSCOPE |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU105531U1 true RU105531U1 (en) | 2011-06-10 |
Family
ID=44737296
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2011106520/28U RU105531U1 (en) | 2011-02-21 | 2011-02-21 | RADIOSPECTROSCOPE |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU105531U1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU185050U1 (en) * | 2018-06-14 | 2018-11-19 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" (ФГАОУ ВО "СПбПУ") | Optically pumped radio spectrometer |
-
2011
- 2011-02-21 RU RU2011106520/28U patent/RU105531U1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU185050U1 (en) * | 2018-06-14 | 2018-11-19 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" (ФГАОУ ВО "СПбПУ") | Optically pumped radio spectrometer |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Origlia et al. | Towards an optical clock for space: Compact, high-performance optical lattice clock based on bosonic atoms | |
| Yudin et al. | Generalized autobalanced Ramsey spectroscopy of clock transitions | |
| US7825736B2 (en) | Method for suppressing light shift in optical pumping systems | |
| Boyd et al. | Sr 87 lattice clock with inaccuracy below 10− 15 | |
| Ido et al. | Recoil-free spectroscopy of neutral Sr atoms in the Lamb-Dicke regime | |
| Pollinger et al. | Coupled dark state magnetometer for the China Seismo-Electromagnetic Satellite | |
| US9407373B2 (en) | Optical synthesizer tuning using fine and coarse optical frequency combs | |
| WO2004095037A2 (en) | Method and system for operating an atomic clock with simultaneous locking of field and frequency | |
| CN102799103A (en) | Rubidium atomic clock with high contrast ratio frequency discrimination signal | |
| Liu et al. | Realization of closed-loop operation of optical lattice clock based on 171Yb | |
| US8026768B1 (en) | 201Hg+ co-magnetometer for 199Hg+ trapped ion space atomic clocks | |
| Pandey et al. | Isotope shifts and hyperfine structure in the 555.8-nm S 1 0→ P 3 1 line of Yb | |
| EP0526073B1 (en) | Atomic clock system with improved servo system | |
| US3252081A (en) | Optical magnetometer and gradiometer | |
| Oelker et al. | Optical clock intercomparison with $6\times 10^{-19} $ precision in one hour | |
| RU105531U1 (en) | RADIOSPECTROSCOPE | |
| Baranov et al. | Double resonance fequency light shift compensation in optically oriented laser-pumped alkali atoms | |
| Alexandrov et al. | Mx and Mz magnetometers | |
| CN112013828A (en) | Nuclear magnetic resonance gyroscope with integrated pumping laser and atomic gas chamber | |
| Jones et al. | Intercombination line frequencies in 171 Yb validated with the clock transition | |
| US6359917B1 (en) | Detection method and detector for generating a detection signal that quantifies a resonant interaction between a quantum absorber and incident electro-magnetic radiation | |
| RU185050U1 (en) | Optically pumped radio spectrometer | |
| RU105530U1 (en) | RADIOSPECTROSCOPE | |
| Ignatovich et al. | Light shifts in the rubidium CPT atomic clock with laser current modulation at 3.4 and 6.8 GHz | |
| Burt et al. | High-resolution spectroscopy of H 201 g+ hyperfine structure: A sensitive probe of nuclear structure and the hyperfine anomaly |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM1K | Utility model has become invalid (non-payment of fees) |
Effective date: 20160222 |