RU216702U1 - Квантовый генератор - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к технике квантовых устройств. Технический результат заключается в создании квантового генератора на газовой ячейке с повышенной термоустойчивостью и работоспособностью устройства в расширенном диапазоне температур с одновременным сохранением высокой стабильности частоты на выходе устройства при сохранении его малых габаритов и малого энергопотребления. Он достигается применением квантового генератора на основе эффекта двойного радиооптического резонанса, причем корпус снабжен размещенной внутри корпуса панелью теплоотвода, закрепленной на корпусе с возможностью подразделения внутреннего пространства на объемы, а квантовый дискриминатор содержит последовательно расположенные по оси оптического тракта спектральную лампу, термостат которой закреплен на одной из сторон панели теплоотвода, а к другой прикреплен совмещенный с СВЧ-резонатором термостат ячеек с размещенными внутри стеклянными газовой ячейкой-фильтром и рабочей ячейкой, снабженный средствами термостабилизации и сопряженный с магнитным экраном, при этом система управления реализована на основе программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС). 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

Description

Назначение и область применения

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.

Предшествующий уровень техники.

Атомные стандарты частоты и времени, работающие по принципу двойного радиооптического резонанса в парах атомов щелочных металлов (чаще всего на цезии и рубидии), совершенствуются уже более 50 лет. При этом к числу традиционно используемых источников оптической накачки могут быть отнесены безэлектродные спектральные лампы на парах, например, рубидия.

Из предшествующего уровня техники известны 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.Григрьянц, 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.].

Структурная схема квантового стандарта частоты содержит последовательно соединенные в замкнутое кольцо автоматической подстройки частоты (АПЧ) подстраиваемый кварцевый генератор, блок формирования сигнала радиочастотного возбуждения, квантовый дискриминатор и блок формирования управляющего напряжения, выход которого подключен к управляющему входу подстраиваемого кварцевого генератора, а также блок формирования опорных сигналов, связанный своими выходами с соответствующими входами блока формирования сигнала радиочастотного возбуждения и блока формирования управляющего напряжения, а входом - с выходом подстраиваемого кварцевого генератора, см., например, патент РФ [О.П.Харчев, Квантовый стандарт частоты, RU 2220499 С2, H03L 7/16, H01S 3/10, 27.12.2003]. Блок формирования сигнала радиочастотного возбуждения формирует из выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора (гармонического сигнала с частотой f₁) модулированный по фазе (частоте) СВЧ-сигнал радиочастотного возбуждения, номинальное значение частоты f₂ которого соответствует частоте f₀ рабочего атомного перехода квантового дискриминатора. В условиях постоянства внешних условий частота f₀ - стабильна и поэтому используется в качестве эталона для подстройки частоты подстраиваемого кварцевого генератора. Квантовый дискриминатор формирует на своем выходе сигнал, несущий информацию об отклонении текущего значения частоты f₂ от эталонной частоты f₀ . Блок формирования управляющего напряжения с помощью выходного сигнала квантового дискриминатора формирует сигнал ошибки, а затем путем интегрирования формирует управляющее напряжение для подстраиваемого кварцевого генератора. Под действием управляющего напряжения частота f₁выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора и связанная с ней частота f₂ сигнала радиочастотного возбуждения изменяются в сторону уменьшения сигнала ошибки, осуществляя тем самым стабилизацию частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора относительно эталонной частоты f₀.

Недостатком известного устройства является невозможность существенного уменьшения габаритов конструкции при сохранении значений основных электрических параметров, вследствие наличия множества названных функциональных блоков, реализованных на дискретных компонентах и ограничений, связанных с физическими принципами распространения сигналов и распределения тепловых потоков.

Ближайшим аналогом заявляемого решения является радиоспектроскоп на газовой рубидиевой ячейке, описанный в авторском свидетельстве [Радиоспектроскоп на газовой ячейке SU 1671103 А1, НО 1S1/06, 10.05.1995]. Радиоспектроскоп на газовой ячейке содержит магнитный экран, катушку для создания однородного магнитного поля, теплоизолирующую камеру, внутри которой размещены спектральная лампа, наполненная рубидием 87 (Rb⁸⁷), ячейка-фильтр, наполненная рубидием 85 (Rb⁸⁵) и буферным газом аргоном, и резонатор с нагревателем, датчиком температуры, фотодетектором и газовой ячейкой, наполненной Rb⁸⁷и смесью буферных газов (аргон+азот). В резонатор введены две металлические пластины, газовая ячейка установлена в резонаторе между двумя металлическими пластинами в тепловом контакте с последними.

Радиоспектроскоп работает следующим образом: при включении поджигается разряд в спектральной лампе, излучение которой, проходя через ячейку-фильтр, обеспечивает накачку атомов рубидия в газовой ячейке, и фотодетектор регистрирует сигнал, характеризующий, взаимодействие накаченных атомов с СВЧ-полем, возбуждаемым в резонаторе с помощью СВЧ-диода, размещенного между одной из пластин и поверхностью резонатора. При совпадении частоты перехода F =2, m_F = 0 <-> F =1, m_F = 0 основного состояния атомов Rb с частотой СВЧ-поля интенсивность излучения, попадающего на фотодетектор, минимальна. Таким образом, в радиоспектроскопе формируется сигнал радиоспектроскопического резонанса. Для получения наибольшего сигнала газовая ячейка разогревается с помощью нагревателя до температуры 70°С, которая контролируется датчиком температуры. Магнитный экран и постоянное магнитное поле служат для выделения независимого рабочего перехода F =2, m_F = 0 <–> F =1, m_F = 0 основного состояния атомов Rb⁸⁷. При вариации частоты СВЧ-поля по отношению к частоте атомного расщепления интенсивность света, регистрируемая фотодетектором, изменяется и это изменение используется для подстройки частоты СВЧ-поля в схеме квантового стандарта на газовой ячейке. Система возбуждения СВЧ-поля в конструкции прототипа не чувствительна к вибрациям, что обеспечивает высокую чувствительность радиоспектроскопа.

Недостатком данного решения, выбранного в качестве прототипа, как и других рассмотренных аналогов, является техническая и технологическая сложность реализации, обуславливающая увеличение риска нестабильности выходного сигнала и габаритных размеров устройства. Необходимость применения в конструкции сложных радиотехнических средств, используемых для некратного преобразования частоты сигнала кварцевого генератора и выделения сигнала ошибки, за счет свойственной радиотехническим средствам собственной нестабильности вносит свой вклад в нестабильность температурного режима функционирования (термостабильность) и частоты выходного сигнала кварцевого генератора, причем, чем больше этих средств, тем больше вносимый ими вклад в нестабильность выходного сигнала и технологических и эксплуатационных характеристик устройства.

Сущность полезной модели

Техническая проблема, решаемая заявленной полезной моделью, заключается в предложении миниатюрного квантового генератора, обладающего высокой стабильностью сигнала на выходе устройства при сохранении его малых габаритов и малого энергопотребления, с возможностью поддержания данных эксплуатационных характеристик в широком диапазоне температур.

Достигаемый технический результат заключается в создании более надежного и экономичного квантового генератора на газовой ячейке с повышенной термоустойчивостью и работоспособностью устройства в расширенном диапазоне температур с одновременным сохранением высокой стабильности частоты на выходе устройства при сохранении его малых габаритов и малого энергопотребления.

Заявленный технический результат достигается применением сверхминиатюрного квантового генератора на основе эффекта двойного радиооптического резонанса, включающего, установленные в корпусе теплоизолирующую камеру, с размещенной внутри спектральной лампой, снабженной модулем розжига и квантовый дискриминатор, содержащий магнитный экран с модулем создания постоянного магнитного поля, СВЧ-резонатор с газовыми рабочей ячейкой и ячейкой-фильтром, возбудителем СВЧ-поля и фотодетектором, опорный ВЧ-генератор и электронную систему управления, где рабочая газовая ячейка с фотодетектором установлена на оптической оси со спектральной лампой, с формированием единого оптического тракта, отличающийся от прототипа тем, что корпус снабжен, размещенной внутри корпуса панелью теплоотвода, закрепленной на корпусе с возможностью подразделения внутреннего пространства на объемы, а квантовый дискриминатор содержит последовательно расположенные по оси оптического тракта спектральную лампу, термостат которой закреплен на одной из сторон панели теплоотвода, а к другой прикреплен совмещенный с СВЧ-резонатором термостат ячеек с размещенными внутри стеклянными газовой ячейкой-фильтром и рабочей ячейкой, снабженный средствами термостабилизации и сопряженный с магнитным экраном, при этом система управления реализована программно-аппаратным способом на основе программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС), и снабжена сопряженными с ПЛИС средствами управления режимами работы термостатов спектральной лампы и ячеек.

В предпочтительном варианте осуществления заявленной полезной модели, спектральная лампа установлена в термостат лампы и снабжена модулем розжига, сопряженным с соленоидом возбуждения лампы.

В еще одном возможном варианте осуществления, теплоотвод может быть закреплен на корпусе и выполнен из материала с теплопроводностью порядка 0.2-0.3Вт/(м·К), с обеспечением перенаправления потока тепловой энергии от термостата лампы к термостату ячеек, разность температур которых составляет ~30 градусов, при максимальной температуре работы генератора так, чтобы поток энергии от теплоотвода к термостату ячеек не превышал поток энергии термостата ячеек к корпусу, потоки от термостата лампы к корпусу и от термостата ячеек к корпусу были существенно меньше потока от теплоотвода к корпусу, а поток от теплоотвода к термостату ячеек существенно меньше потока от термостат лампы к теплоотводу, а потоки от термостата лампы к теплоотводу и от термостата лампы к корпусу в совокупности не менее потока от модуля розжига спектральной лампы к термостату лампы при максимальной температуре работы генератора.

В другом еще в возможном варианте осуществления, система управления, предпочтительно, снабжена ПЛИС с предустановленными программно-аппаратным образом алгоритмами детектирования атомного резонанса, формирования сигнала подстройки опорного генератора, установки, декодирования температуры и формирования управляющего сигнала для термостатов лампы и ячеек, посредством прямого цифрового синтеза частоты с возможностью модуляции НЧ-сигналом.

При этом возможен вариант осуществления, согласно которому средства управления режимами работы термостатов спектральной лампы и ячеек системы управления могут быть реализованы посредством ПИД-регуляторов, вход которых соединён с выходом соответствующего термостата для контроля температурного режима, а выход с выходами соответствующих термостатов для передачи управляющих команд, при этом ПЛИС дополнительно снабжена выполненным программно-аппаратным образом ПИД-регулятором подстройки опорного ВЧ-генератора, первый вход которого сопряжен с выходом модуля детектирования, реализованного программно-аппаратным образом на ПЛИС, вход которого сопряжён с выходом фотодетектора, а один из выходов соединен со входом опорного ВЧ-генератора, один из выходов которого соединен со входом сумматора, выполняющего функции модулятора, а второй - со входом, реализованного программно-аппаратным образом на ПЛИС делителем частоты, снабженным синтезатором прямого цифрового синтеза с функцией НЧ-модуляции, выход которого соединен со вторым входом сумматора, выход которого соединен со входом модуля умножения, сопряжённого с термостатом ячеек.

В соответствии с любым из возможных вариантов осуществления заявленной полезной модели квантовый дискриминатор содержит спектральную лампу с парами Rb87, а термостат ячеек содержит стеклянные газовую ячейку-фильтр с парами Rb85 и рабочую ячейку с парами Rb87.

При этом, в еще одном возможном варианте осуществления, алгоритм детектирования атомного резонанса программируемой логической интегральной схема может быть выполнен на основе алгоритма Гёрцеля.

Краткий перечень чертежей

Сущность полезной модели и возможность ее осуществления поясняются иллюстративными материалами, представленными на фиг. 1, 2, где

фиг. 1 - схемное представление квантового генератора в соответствии с заявленным решением;

фиг. 2 - схемное представление распределения тепловых потоков.

Следует отметить, что прилагаемые чертежи иллюстрируют только один из наиболее предпочтительных вариантов осуществления полезной модели и не могут рассматриваться в качестве ограничений содержания полезной модели, решение которой включает и другие варианты ее осуществления.

Осуществимость полезной модели

Заявляемый квантовый генератор, как следует из представленной схемы фиг.1, состоит из корпуса 1 с установленным на нём теплоотводом 2,выполненным, например, в форме пластины, из материала теплопроводность порядка 0.2-0.3Вт/(м·К), например, Zedex 510, на оппозитно расположенных сторонах которого закреплены элементы квантового дискриминатора: с одной из сторон - термостат с размещенной внутри спектральной лампой 4 (термостат лампы 3), а с другой (противоположной) - термостат 5 (термостат ячеек 5) с размещенными внутри газовыми ячейками (рабочей и фильтр-ячейкой (на схемах не показаны)). Термостат 5 с газовыми ячейками совмещен с СВЧ-резонатором и сопряжен с фотодетектором 6. Внутри термостата 5 ячеек размещены стеклянные ячейка-фильтр с парами щелочного металла Rb⁸⁵ и рабочая ячейка с парами Rb⁸⁷. Термостат ячеек снабжен системой термостабилизации, реализованной программно-аппаратным образом, посредством системы управления реализованной на базе программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС) 7, сопряженной коммуникационными линиями с термостатом ячеек, и устройством 8 магнитного экранирования, состоящим из магнитного экрана и модуля создания магнитного поля (на схемах не показаны), например, содержащего катушку. Термостат лампы снабжен спектральной лампой и сопряжен с модулем 9 розжига лампы, установленным на термостате лампы. При этом, термостат лампы также снабжен системой термостаблизации реализованной программно-аппаратным образом, посредством системы управления реализованной на базе программируемой логической интегральной схемы, сопряженной коммуникационными линиями с термостатом и снабженной сопряженными с ПЛИС средствами управления режимами работы термостатов спектральной лампы и ячеек, реализованных на основе соответствующих ПИД-регуляторов(пропорционально-интегральных-дифференциальных регуляторов).

Возможности миниатюризации конструкции квантового генератора на щелочных парах сильно ограничена, т.к. при продольном размещении компонентов (термостат спектральной лампы с модулем розжига, термостат ячеек, совмещенный с СВЧ-резонатором и окруженный магнитным экраном с модулем формирующем постоянное магнитное поле), в силу физических особенностей распространения стоячих волн в СВЧ-резонаторе и их связи с длиной волны и габаритными размерами СВЧ-резонатора, который в случае генератора на парах Rb⁸⁷ (~6.8 ГГц) не может быть меньше ~25 мм в длину при сохранении добротности на уровне 300, а также в силу особенностей технологического процесса изготовления и заполнения рабочим изотопом спектральных ламп, противодействия эффекту самообращения в лампе (поглощение собственного излученного света), габаритным размерам катушки розжига и необходимости формирования различных тепловых режимов для резервуара со щелочным металлом в спектральной лампе и основного рабочего тела лампы, минимальная длина лампы составляет 12-16 мм. Исходя из этого, единственным способом уменьшения габаритов квантового дискриминатора является уменьшение теплового зазора между термостатами и перераспределение тепловых потоков.

Возможность уменьшения габаритов квантового генератора, согласно заявленному решению, достигается за счёт замены принципа термоизоляции (через воздушную прослойку) двух термостатов (термостат лампы и термостат ячеек) друг от друга на двустороннее крепление элементов квантового дискриминатора (термостата лампы с одной стороны, а термостата газовых ячеек к противоположной) к теплоотводу, смонтированного на основание корпуса изделия, с возможностью разделения внутреннего пространства корпуса на объемы и обеспечением перенаправления потока тепловой энергии от термостата лампы к термостату ячеек (без нарушения условий формирования оптического тракта генератора), разность температур которых составляет ~30 градусов, при максимальной температуре работы генератора так, чтобы поток энергии 11 от термостат лампы к теплоотводу (фиг. 2)не превышал поток энергии 14 от термостата ячеек к корпусу, потоки 12 (от термостат лампы к корпусу) и 14 (от термостата ячеек к корпусу) были существенно меньше потока 13 (от теплоотвода к корпусу), а поток 11 (от теплоотвода к термостату ячеек) существенно меньше потока 10 (от термостата лампы к теплоотводу), что достигается за счёт того, что тепловые потоки 12 (от термостата лампы к корпусу) и 14 (от термостат ячеек к корпусу) обеспечиваются воздушными прослойками с соответствующей малой теплопроводностью, материал теплоотвода Zedex 510 имеет теплопроводность порядка 0.2-0.3Вт/(м·К), а сам теплоотвод 2 крепится непосредственно к корпусу 1 генератора. Поток 10 (от термостата лампы к теплоотводу) и 12 (от термостата лампы к корпусу) в совокупности должны быть не менее потока 15 (от модуля розжига спектральной лампы к термостату лампы) при максимальной температуре работы генератора. Подобная конструкция позволяет обеспечить работу генератора до 85°C на корпусе при сохранении девиации Аллана за 1 с на уровне 2..2.5E-11. При этом за счет данного перераспределения тепловых потоков также обеспечивается снижение энергопотребления квантового генератора в целом.

Вместе с тем, малое энергопотребление квантового генератора на уровне 4Вт достигается также за счёт размещения части модуля розжига спектральной лампы на термостате лампы так, чтобы при тепловом равновесии (описанном выше) при максимальной температуре корпуса токи нагрева термостата лампы и термостата ячеек стремились к 0, а энергия затрачивалась только на обеспечение работы управляющей электроники и поддержание тлеющего разряда спектральной лампы.

Для детектирования сигнала атомного резонанса, традиционно, наиболее распространенными решениями являются использование методики синхронного детектирования и алгоритма быстрого преобразования Фурье. Однако применение методики синхронного детектирования в схеме с цифровой обработкой сигналов вызывает ряд трудностей, связанных с реализацией операций умножения сигналов, последующей фильтрацией полученного сигнала и выделения его фазы, информация о которой требуется для определения направления корректировки частоты опорного генератора (увеличение частоты, либо уменьшение).

В соответствии с заявленным решением для решения задач детектирования сигнала атомного резонанса предлагается применение алгоритма Герцеля. Данный алгоритм, являясь цифровым алгоритмом, отличается помехозащищенностью по сравнению с аналоговым синхронным детектированием и меньшим числом необходимых вычислительных операций по сравнению с дискретным преобразованием Фурье или синхронным детектированием, реализованным цифровым способом (умножение + фильтр низких частот высокого порядка). Для сравнения, алгоритм Гёрцеля содержит: 2N+4 умножений, 4N+4 сложений/вычитаний, тогда как БПФ: 4N умножений и 4N сложений/вычитаний +таблица коэффициентов (где N - длина последовательности). При применении цифрового синхронного детектора (перемножение + фильтрация) только на фильтрацию требуется 2М умножений и 2М сложений (М - порядок фильтра), выполняемых одновременно.

Например, применительно к частному случаю квантовых генераторов, как стандартов частоты, детектируемые частоты известны заранее, так как генерируются на том же устройстве, интерес представляют лишь амплитуда и фаза принимаемого сигнала, поэтому нет необходимости вычисления всех спектральных составляющих (как, например, в БПФ), достаточно ограничиться лишь необходимой гармоникой, что позволяет обеспечить выигрыш в используемых ресурсах вычислительного блока.

Другим преимуществом применения данного алгоритма является отсутствие необходимости вычисления и хранения таблицы коэффициентов, которые, в общем случае, представляют собой числа с плавающей запятой, а операции с такими числами требуют дополнительных ресурсов. Для работы алгоритма Гёрцеля требуется вычисление одного коэффициента. При этом, путем варьирования частоты модуляции (частоты детектирования) и частотой преобразования АЦП можно добиться целочисленного значения этого коэффициента, когда значение тригонометрической функции имеет целое или полуцелое значение.

Простота и применимость использования этого алгоритма достигается за счёт известной заранее детектируемой частоты, отсутствия необходимости расчёта набора коэффициентов Бесселя (как в Фурье) и отсутствия необходимости точного определения начальной фазы сигнала. Неоспоримым преимуществом алгоритма Герцеля также является то, что эти данные доступны уже в ходе вычисления амплитуды сигнала и могут быть определены по знаку функции синус, которая имеет неотрицательные значения в области от 0 до π.

Квантовый генератор, согласно заявленному решению, работает следующим образом.

После подачи питания, реализованная на базе ПЛИС система управления осуществляет проверку температуры спектральной лампы, т.к. розжиг тлеющего разряда в необходимом, установленным программно-аппаратным образом, режиме возможен только в определенном, установленном программно-аппаратным образом в памяти ПЛИС алгоритмом, диапазоне температур (и, соответственно, плотности паров рубидия). Поскольку, в заявленном решении ситуация с розжигом осложняется вследствие уменьшенных по сравнению с аналогами габаритами термостата лампы, который, за счёт более близкого расположения к стеклянной кювете спектральной лампы, увеличивает взаимную индукцию, т.е. энергетические потери, катушки розжига и термостата лампы, тем самым еще больше сужая оптимальный диапазон розжига, с целью обеспечения быстрого розжига спектральной лампы система управления согласно предустановленному программно-аппаратным образом алгоритму инициирует процесс розжига в режиме «кольцевая мода», при котором до момента розжига температура поддерживается в диапазоне от 70° до 100°C (значения установлены экспериментально). В том случае, если при включении температура термостата лампы превышает 100°С (горячий пуск), фиксируемых системой управления посредством ПИД-регулятора температуры спектральной лампы 16, система управления программно-аппаратным образом формирует управляющий сигнал на прекращение нагрева лампы и схема розжига модуля розжига лампы выключается для быстрого охлаждения модуля 9. Таким же образом алгоритм отрабатывает режим, в том случае, когда спектральная лампа не успевает разгореться до достижения температуры 100°С (холодный пуск).

После успешного розжига спектральной лампы, контролируемого системой управления, термостаты ячеек 5 и лампы 3 переходят в предустановленный программно-аппаратным образом режим по стандартному алгоритму, а их температуры, в соответствии с предустановленным программным алгоритмом, поддерживаются на уровне <±0.005°С при помощи цифровых ПИД-регуляторов 16 и 17, реализованных в программе ПЛИС, на которой выполнен соответствующий ПИД-регулятор.

Одновременно с работой термостатов система управления инициирует алгоритм поиска частоты атомного резонанса (эталонного атомного перехода) и его синхронного детектирования, в частном случае, реализованный на основе алгоритма Гёрцеля. Поиск частоты перехода осуществляется за счет плавного изменения частоты опорного ВЧ-генератора 19 и выполнения спектрального анализа сигнала фотодетектора посредством предустановленного алгоритма, например, алгоритма Гёрцеля, реализованного модулем детектирования 20 ПЛИС. На данном этапе, программно заданный порог определения искомого резонанса сравнивается с интенсивностью и фазой спектральной составляющей на частоте НЧ-модуляции, получаемых на выходе модуля детектирования 20. После преодоления порога генератор переходит из режима поиска резонанса в режим подстройки опорного ВЧ-генератора 19, для которого сигнал «ошибки» формирует модуль подстройки опорного ВЧ-генератора, реализованный в виде соответствующего ПИД-регулятора 18 на основе ПЛИС. Один из выходов опорного ВЧ-генератора соединен со входом сумматора 21, выполняющего функции модулятора, а второй - со входом, реализованного программно-аппаратным образом на ПЛИС делителем частоты 22, снабженным синтезатором 23 прямого цифрового синтеза с функцией НЧ модуляции, выход которого соединен со вторым входом сумматора 21, выход которого соединен со входом модуля умножения 24, непосредственно сопряжённого с термостатом газовых ячеек 5.

Как правило, «захват» частоты атомного перехода происходит до момента достижения термостатами 3 и 5 установленных температур. Более того, отношение сигнал/шум на фотодетекторе 6 достигает своего пика при температуре рабочей газовой ячейки меньше устанавливаемого значения. Это зависимость носит фундаментальный характер и связана с тепловой энергией, пропорциональной kT (где T - температура паров рабочего вещества, в данном случае Rb⁸⁷ в резонансной ячейке) и вносящей вклад в шумовую составляющую спектра. При этом, величина отношения сигнал/шум является определяющим для ряда характеристик конечного устройства. К таким характеристикам, в частности, относятся девиация Аллана (Кратковременная нестабильность частоты) и фазовые шумы. Большая температура термостатов устанавливается с целью расширения температурного диапазона работы генератора, т.е. чтобы избежать их перегрева при повышении температуры корпуса устройства. Как экспериментально установлено, заиленное решение, обеспечивает работу генератора в диапазоне температур от -40° до +80°С на корпусе.

Таким образом, квантовый генератор, согласно заявленному решению, обеспечивает работу в существенно более широком, по сравнению с известными аналогами, диапазоне температур при сохранении тех же точностных характеристик, что и генераторы, работающие в меньшем диапазоне температур (при тех же и больших габаритах). Данный результат достигается за счёт конструкции термостатов и перераспределении тепловых потоков между ними, что позволяет установить температуры термостатов достаточно маленькими для достижения указанных точностных характеристик (2-3E-11@1с).

Заявляемое решение квантового генератора осуществимо и обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в создании более надежного и экономичного квантового генератора на газовой ячейке с повышенной термоустойчивостью и работоспособностью устройства в расширенном диапазоне температур с одновременным сохранением высокой стабильности частоты на выходе устройства при снижении его габаритов и малом энергопотреблении.

Claims (7)

1. Квантовый генератор на основе эффекта двойного радиооптического резонанса, включающий установленные в корпусе теплоизолирующую камеру, с размещенной внутри спектральной лампой, снабженной модулем розжига, и квантовый дискриминатор, содержащий магнитный экран с модулем создания постоянного магнитного поля, СВЧ-резонатор с газовыми рабочей ячейкой и ячейкой-фильтром, возбудителем СВЧ-поля и фотодетектором, опорный ВЧ-генератор и электронную систему управления, где рабочая газовая ячейка с фотодетектором установлена на оптической оси со спектральной лампой, с формированием единого оптического тракта, отличающийся тем, что корпус снабжен размещенной внутри корпуса панелью теплоотвода, закрепленной на корпусе с возможностью подразделения внутреннего пространства на объемы, а квантовый дискриминатор содержит последовательно расположенные по оси оптического тракта спектральную лампу, термостат которой закреплен на одной из сторон панели теплоотвода, а к другой прикреплен совмещенный с СВЧ-резонатором термостат ячеек с размещенными внутри стеклянными газовой ячейкой-фильтром и рабочей ячейкой, снабженный средствами термостабилизации и сопряженный с магнитным экраном, при этом система управления реализована программно-аппаратным способом на основе программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС) и снабжена сопряженными с ПЛИС средствами управления режимами работы термостатов спектральной лампы и ячеек.

2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что спектральная лампа установлена в термостат лампы и снабжена модулем розжига, сопряженным с соленоидом возбуждения лампы.

3. Генератор по п.1, отличающийся тем, что теплоотвод закреплен на корпусе и выполнен из материала с теплопроводностью порядка 0.2-0.3Вт/(м·К), с обеспечением перенаправления потока тепловой энергии от термостата лампы к термостату ячеек, разность температур которых составляет ~30 градусов, при максимальной температуре работы генератора так, чтобы поток энергии от теплоотвода к термостату ячеек не превышал поток энергии термостата ячеек к корпусу, потоки от термостата лампы к корпусу и от термостата ячеек к корпусу были существенно меньше потока от теплоотвода к корпусу, а поток от теплоотвода к термостату ячеек существенно меньше потока от термостата лампы к теплоотводу, а потоки от термостата лампы к теплоотводу и от термостата лампы к корпусу в совокупности не менее потока от модуля розжига спектральной лампы к термостату лампы при максимальной температуре работы генератора.

4. Генератор по п.1, отличающийся тем, что система управления снабжена ПЛИС с предустановленными программно-аппаратным образом алгоритмами детектирования атомного резонанса, формирования сигнала подстройки опорного генератора, установки, декодирования температуры и формирования управляющего сигнала для термостатов лампы и ячеек, посредством прямого цифрового синтеза частоты с возможностью модуляции НЧ-сигналом.

5. Генератор по п.4, отличающийся тем, что средства управления режимами работы термостатов спектральной лампы и ячеек системы управления реализованы посредством ПИД-регуляторов, вход которых соединён с выходом соответствующего термостата для контроля температурного режима, а выход с выходами соответствующих термостатов для передачи управляющих команд, при этом ПЛИС дополнительно снабжена выполненным программно-аппаратным образом ПИД-регулятором подстройки опорного ВЧ-генератора, первый вход которого сопряжен с выходом модуля детектирования, реализованного программно-аппаратным образом на ПЛИС, вход которого сопряжён с выходом фотодетектора, а один из выходов соединен со входом опорного ВЧ-генератора, один из выходов которого соединен со входом сумматора, выполняющего функции модулятора, а второй - со входом, реализованного программно-аппаратным образом на ПЛИС делителем частоты, снабженным синтезатором прямого цифрового синтеза с функцией НЧ-модуляции, выход которого соединен со вторым входом сумматора, выход которого соединен со входом модуля умножения, сопряжённого с термостатом ячеек.

6. Генератор по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что квантовый дискриминатор содержит спектральную лампу с парами Rb87, а термостат ячеек содержит стеклянные газовую ячейку-фильтр с парами Rb85 и рабочую ячейку с парами Rb87.

7. Генератор по п.6, отличающийся тем, что алгоритм детектирования атомного резонанса программируемой логической интегральной схемы выполнен на основе алгоритма Гёрцеля.

Images