RU2722858C1 - System for thermal stabilization and magnetic shielding of absorbing cell of quantum discriminator - Google Patents

System for thermal stabilization and magnetic shielding of absorbing cell of quantum discriminator Download PDF

Info

Publication number
RU2722858C1
RU2722858C1 RU2019141135A RU2019141135A RU2722858C1 RU 2722858 C1 RU2722858 C1 RU 2722858C1 RU 2019141135 A RU2019141135 A RU 2019141135A RU 2019141135 A RU2019141135 A RU 2019141135A RU 2722858 C1 RU2722858 C1 RU 2722858C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
magnetic
screen
cell
thermal stabilization
heating
Prior art date
Application number
RU2019141135A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Степан Максимович Игнатович
Владислав Игоревич Вишняков
Михаил Николаевич Скворцов
Роман Ярославович Ильенков
Ирина Сергеевна Месензова
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт лазерной физики Сибирского отделения Российской академии наук
Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт лазерной физики Сибирского отделения Российской академии наук, Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений" filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт лазерной физики Сибирского отделения Российской академии наук
Priority to RU2019141135A priority Critical patent/RU2722858C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2722858C1 publication Critical patent/RU2722858C1/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G04—HOROLOGY
    • G04F—TIME-INTERVAL MEASURING
    • G04F5/00—Apparatus for producing preselected time intervals for use as timing standards
    • G04F5/14—Apparatus for producing preselected time intervals for use as timing standards using atomic clocks
    • G04F5/145—Apparatus for producing preselected time intervals for use as timing standards using atomic clocks using Coherent Population Trapping
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S1/00—Masers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the microwave range
    • H01S1/06—Gaseous, i.e. beam masers

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Ecology (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Stabilization Of Oscillater, Synchronisation, Frequency Synthesizers (AREA)

Abstract

FIELD: physics.SUBSTANCE: invention relates to creation of quantum standards of frequency and time (atomic clock) on the basis of resonances of coherent population capturing in atoms of alkali metals, in particular to systems of thermal stabilization and magnetic shielding of absorbing cell of their quantum discriminator. System for thermal stabilization and magnetic shielding of absorbing cell of quantum discriminator comprises at least a pair of cylindrical magnetic screens arranged concentrically around cell of quantum discriminator so that inner magnetic screen surrounds cell, and external magnetic shield surrounds internal magnetic screen, wherein said magnetic shields are located with a gap between them, in which there is a vacuum or which is filled with an inert gas. Each screen is equipped with tightly installed end covers, in which through holes for passage of laser radiation are coaxial, wherein from outer side of end covers of outer screen there are windows tightly closing holes of said covers, wherein internal magnetic screen is equipped with means of heating and thermal stabilization of absorbing cell, located on its outer surface, facing inner surface of external screen.EFFECT: technical result consists in enabling protection of discriminator from external magnetic fields, as well as in enabling reduction of power consumption and size of device.10 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области создания квантовых стандартов частоты и времени (атомных часов) на основе резонансов когерентного пленения населенности в атомах щелочных металлов, в частности, к системам термостабилизации и магнитного экранирования поглощающей ячейки их квантового дискриминатора.The invention relates to the field of creating quantum frequency and time standards (atomic hours) based on resonances of coherent population trapping in alkali metal atoms, in particular, to thermal stabilization systems and magnetic shielding of an absorbing cell of their quantum discriminator.

Атомные часы на основе резонансов когерентного пленения населенности (КПН) превосходят широко используемые кварцевые часы по стабильности частоты и могут быть достаточно малых размеров. Точное измерение времени необходимо для повышения точности позиционирования в навигационных системах, в телекоммуникациях, космической отрасли, в инфраструктуре беспилотного транспорта и в других передовых сферах развития высоких технологий.Atomic clocks based on resonance coherent population trapping (CPT) surpass the widely used quartz clock in frequency stability and can be quite small. Accurate time measurement is necessary to improve positioning accuracy in navigation systems, telecommunications, the space industry, in unmanned transport infrastructure and in other advanced areas of high-tech development.

Основными элементами физической части атомных часов, их квантового (или частотного) дискриминатора, являются последовательно расположенные в оптической схеме источник лазерного излучения, поглощающая ячейка с парами щелочного металла и фотоприемник. Источник лазерного излучения генерирует излучение, которое проходит через коллимирующую линзу, затем через поглощающий фильтр (поглощающий фильтр стоит под углом к лазерному лучу, чтобы не возникло интерференции) и через четвертьволновую пластинку для получения круговой поляризации, а затем через поглощающую ячейку, после чего на выходе излучение попадает на фотоприемник.The main elements of the physical part of an atomic clock, its quantum (or frequency) discriminator, are a laser radiation source sequentially located in the optical scheme, an absorbing cell with alkali metal vapors, and a photodetector. The laser source generates radiation that passes through the collimating lens, then through the absorption filter (the absorption filter is at an angle to the laser beam so that interference does not occur) and through a quarter-wave plate to obtain circular polarization, and then through the absorption cell, and then at the output radiation enters the photodetector.

На точность атомных часов на основе КПН резонансов значительное влияние оказывают внешние магнитные поля, искажающие резонанс, что приводит к нестабильности системы, поэтому требуется тщательная экранировка от них. В то же время, в конструкции атомных часов используются поглощающие ячейки с парами щелочных металлов, а для получения паров требуется нагрев ячейки до ~ 60 градусов Цельсия, осуществляемый электрическим током. Обычно для целей нагрева используют бифилярную намотку нагревателей. Кроме нагревателей, для получения стабильной температуры необходима система измерения температуры и система управления током нагревателя. В этих системах используются элементы, в которых могут быть намагниченные детали. Также в атомных часах используются источники лазерного излучения и фотоприемники, корпуса которых также могут иметь намагниченность.The accuracy of atomic clocks based on CPT resonances is significantly affected by external magnetic fields that distort the resonance, which leads to the instability of the system, therefore, careful shielding from them is required. At the same time, the design of atomic clocks uses absorbing cells with alkali metal vapors, and to produce vapors, heating the cell to ~ 60 degrees Celsius by electric current is required. Typically, bifilar winding of heaters is used for heating purposes. In addition to heaters, to obtain a stable temperature, a temperature measurement system and a heater current control system are required. These systems use elements in which there may be magnetized parts. Also, atomic clocks use laser radiation sources and photodetectors, the cases of which can also have magnetization.

Известна система термостабилизации и магнитного экранирования поглощающей ячейки квантового дискриминатора, содержащая магнитный цилиндрический экран, бифилярную обмотку нагревателя ячейки, соленоид для создания постоянного магнитного поля и термодатчик для контроля температуры ячейки. Фотодиод также размещен внутри магнитного экрана [http://srd.nsu.ru/website/nich/var/custom/File/14_740_l l_0887.pdf]. Магнитный экран выполнен из 10-ти слоев фольги аморфного железа. По торцам магнитный экран плотно закрыт дисками из железа, причем в одном из указанных дисков, расположенном между лазером и поглощающей ячейкой, выполнено отверстие для ввода в ячейку лазерного излучения. Эта система принята за прототип изобретения.A known system of thermal stabilization and magnetic shielding of an absorbing cell of a quantum discriminator, comprising a magnetic cylindrical screen, a bifilar coil of the cell heater, a solenoid for creating a constant magnetic field and a temperature sensor for monitoring the cell temperature. A photodiode is also located inside the magnetic screen [http://srd.nsu.ru/website/nich/var/custom/File/14_740_l l_0887.pdf]. The magnetic screen is made of 10 layers of amorphous iron foil. At the ends, the magnetic screen is tightly closed by disks made of iron, and in one of these disks located between the laser and the absorbing cell, a hole is made for introducing laser radiation into the cell. This system is adopted as a prototype of the invention.

Недостатком прототипа является неудовлетворительная защита поглощающей ячейки от магнитных полей.The disadvantage of the prototype is the poor protection of the absorbing cell from magnetic fields.

Предлагаемое изобретение решает задачу создания системы термостабилизации и магнитного экранирования поглощающей ячейки квантового дискриминатора, обеспечивающей сильную защиту от внешних магнитных полей и намагниченности элементов самого квантового дискриминатора. К тому же оно позволяет уменьшить энергопотребление и размер атомных часов в целом.The present invention solves the problem of creating a system of thermal stabilization and magnetic shielding of an absorbing cell of a quantum discriminator, which provides strong protection against external magnetic fields and magnetization of the elements of the quantum discriminator. In addition, it can reduce energy consumption and the size of the atomic clock as a whole.

Поставленная задача решается тем, что предлагается система термостабилизации и магнитного экранирования поглощающей ячейки квантового дискриминатора, которая содержит по меньшей мере пару цилиндрических магнитных экранов, расположенных концентрично вокруг ячейки квантового дискриминатора таким образом, что внутренний магнитный экран окружает ячейку, а внешний магнитный экран окружает внутренний магнитный экран, причем названные магнитные экраны расположены с зазором между ними, в котором создан вакуум или который заполнен инертным газом, причем каждый экран снабжен плотно установленными торцевыми крышками, в которых соосно выполнены сквозные отверстия для прохождения лазерного излучения, причем с внешней стороны торцевых крышек внешнего экрана расположены окна, плотно закрывающие отверстия указанных крышек, при этом внутренний магнитный экран снабжен средством нагрева и термостабилизации поглощающей ячейки, расположенным на его внешней поверхности, обращенной к внутренней поверхности внешнего экрана. Внутренний и внешний магнитные экраны установлены между собой неподвижно. Источник магнитного поля может быть выполнен в форме колец Гельмгольца. Ячейка поддерживается конструкцией, выполненной из меди, и одновременно являющейся каркасом для колец Гельмгольца. Средство нагрева и термостабилизации ячейки выполнено в форме тонкой полиимидной печатной платы, содержащей термодатчик, управляющий транзистор и сопротивление нагрузки. Средство нагрева и термостабилизации поглощающей ячейки может также располагаться на торцевой крышке внутреннего магнитного экрана с ее внешней стороны, для чего в плате выполнено отверстие для прохождения лазерного излучения.The problem is solved in that a thermal stabilization and magnetic shielding system for an absorbing cell of a quantum discriminator is proposed, which comprises at least a pair of cylindrical magnetic screens concentrically around the cell of the quantum discriminator in such a way that the internal magnetic screen surrounds the cell and the external magnetic screen surrounds the internal magnetic a screen, said magnetic screens being arranged with a gap between them, in which a vacuum is created or which is filled with an inert gas, each screen having densely mounted end caps, in which through holes for passing laser radiation are coaxially formed, moreover, from the outside of the end caps of the external screen windows are located that tightly close the openings of these covers, while the internal magnetic screen is equipped with heating and thermal stabilization of the absorbing cell located on its outer surface facing the inner surface in off screen. The inner and outer magnetic screens are fixed to each other. The source of the magnetic field can be made in the form of Helmholtz rings. The cell is supported by a structure made of copper, and at the same time is a framework for Helmholtz rings. Means of heating and thermal stabilization of the cell is made in the form of a thin polyimide printed circuit board containing a temperature sensor, a control transistor and load resistance. The means of heating and thermal stabilization of the absorbing cell can also be located on the end cover of the internal magnetic screen from its outer side, for which a hole is made in the board for the passage of laser radiation.

На Фиг. 1 приведена конструкция системы термостабилизации и магнитного экранирования поглощающей ячейки квантового дискриминатора, где:In FIG. 1 shows the design of the system of thermal stabilization and magnetic shielding of the absorbing cell of a quantum discriminator, where:

1 - поглощающая ячейка;1 - absorbing cell;

2 - внутренний цилиндрический магнитный экран;2 - inner cylindrical magnetic screen;

3 - внешний цилиндрический магнитный экран;3 - external cylindrical magnetic screen;

4 - торцевая крышка магнитного экрана;4 - end cover of the magnetic screen;

5 - зазор между внутренним и внешним цилиндрическими магнитными экранами;5 - the gap between the inner and outer cylindrical magnetic screens;

6 - отверстие для прохождения (ввода и вывода) лазерного излучения;6 - hole for the passage (input and output) of laser radiation;

7 - средство нагрева и термостабилизации поглощающей ячейки;7 - means for heating and thermal stabilization of the absorbing cell;

8 - источник магнитного поля (кольца Гельмгольца);8 - source of a magnetic field (Helmholtz rings);

9 - конструкция, поддерживающая поглощающую ячейку и являющаяся каркасом для колец Гельмгольца;9 is a structure supporting an absorbing cell and being a framework for Helmholtz rings;

10 - окно;10 - window;

11 - крепление для удержания внутреннего магнитного экрана внутри внешнего магнитного экрана.11 is a mount for holding the internal magnetic screen inside the external magnetic screen.

Магнитный экран предназначен для защиты поглощающей ячейки квантового дискриминатора от внешних магнитных полей, искажающих резонанс и сдвигающих частоту резонанса, что влияет на нестабильность системы. Магнитный экран выполняют из материала с большим значением статической магнитной восприимчивости, например, из пермаллоя.The magnetic screen is designed to protect the absorbing cell of the quantum discriminator from external magnetic fields that distort the resonance and shift the resonance frequency, which affects the instability of the system. The magnetic screen is made of a material with a high value of static magnetic susceptibility, for example, permalloy.

В предлагаемом техническом решении предусмотрена система из двух цилиндрических магнитных экранов 2 и 3, размещенных концентрично, один внутри другого, с зазором 5 между ними. Оба магнитных экрана 2 и 3 снабжены плотно установленными торцевыми крышками 4, в которых соосно выполнены сквозные отверстия 6 для прохождения (ввода в ячейку 1 и вывода из нее) лазерного излучения.The proposed technical solution provides a system of two cylindrical magnetic screens 2 and 3, placed concentrically, one inside the other, with a gap of 5 between them. Both magnetic shields 2 and 3 are equipped with tightly mounted end caps 4, in which through holes 6 are coaxially made for the passage of laser radiation (entering and leaving cell 1) of the laser radiation.

Для создания герметичного замкнутого объема внутри предлагаемой системы, с внешней стороны торцевых крышек 4 внешнего экрана 3 расположены окна 10, плотно закрывающие отверстия 6 указанных крышек 4. В герметичном объеме создается вакуум или он заполняется инертным газом с малой теплопроводностью (например, ксеноном). Откачка вакуумного объема или заполнение газом происходит через медную трубку, которую затем перекусывают с сохранением герметизации.To create a sealed closed volume inside the proposed system, on the outside of the end caps 4 of the external screen 3 there are windows 10 that tightly close the openings 6 of these covers 4. A vacuum is created in the sealed volume or it is filled with an inert gas with low thermal conductivity (for example, xenon). The vacuum volume is pumped out or filled with gas through a copper tube, which is then snacked while maintaining sealing.

Для удержания внутреннего экрана 2 внутри внешнего экрана 3 используют пластиковые крепления 11, например, из полиимида. Внутри внутреннего экрана 2 расположены поглощающая ячейка 1 и источник магнитного поля (кольца Гельмгольца) 8, служащий для создания контролируемого по величине и направлению магнитного поля внутри ячейки 1. Ячейка 1 поддерживается конструкцией 9, одновременно являющейся каркасом для колец Гельмгольца 8. Указанная конструкция 9 выполнена из меди для однородности нагрева поглощающей ячейки 1.To hold the inner screen 2 inside the outer screen 3, plastic fasteners 11 are used, for example, of polyimide. Inside the inner screen 2 there is an absorbing cell 1 and a magnetic field source (Helmholtz ring) 8, which serves to create a magnetic field that is controlled in magnitude and direction inside cell 1. Cell 1 is supported by a structure 9, which at the same time is a frame for Helmholtz rings 8. This structure 9 is made from copper for uniformity of heating the absorbing cell 1.

Средство нагрева и термостабилизации поглощающей ячейки 7 выполнено на тонкой полиимидной печатной плате, содержащей термодатчик, управляющий транзистор и сопротивление нагрузки. Плата приклеена на внешнюю часть внутреннего магнитного экрана, причем она может быть расположена как на самом экране 2, так и на его торцевых крышках 4. В последнем случае в плате выполняется отверстие для прохождения лазерного излучения. Таким образом, в качестве нагревательного элемента используется не только сопротивление нагрузки управляющего транзистора, но и сам транзистор, что обеспечивает максимальный КПД нагревательного устройства. Вся тепловая энергия, выделенная транзистором и сопротивлением нагрузки, идет на нагрев поглощающей ячейки 1, позволяя снизить энергопотребление атомных часов в целом.Means for heating and thermal stabilization of the absorbing cell 7 are made on a thin polyimide printed circuit board containing a temperature sensor, a control transistor and load resistance. The board is glued to the outer part of the internal magnetic screen, and it can be located both on the screen 2 and on its end caps 4. In the latter case, a hole is made in the board for the passage of laser radiation. Thus, not only the load resistance of the control transistor, but also the transistor itself is used as a heating element, which ensures maximum efficiency of the heating device. All the thermal energy released by the transistor and the load resistance is used to heat the absorbing cell 1, thereby reducing the energy consumption of the atomic clock as a whole.

Для более равномерного нагрева поглощающей ячейки 1 используются два средства нагрева и термостабилизации 7, расположенные с противоположных сторон внутреннего магнитного экрана. Внутренний экран одновременно является теплопроводящим контуром средства нагрева и термостабилизации 7 поглощающей ячейки 1.For more uniform heating of the absorbing cell 1, two means of heating and thermal stabilization 7 are used, located on opposite sides of the internal magnetic screen. The inner screen is simultaneously a heat-conducting circuit of the heating and thermal stabilization means 7 of the absorbing cell 1.

Главной особенностью представленной системы термостабилизации и магнитного экранирования поглощающей ячейки квантового дискриминатора, отличающей ее от аналогичных по назначению систем, является установка внутреннего магнитного экрана между поглощающей ячейкой и средством нагрева и термостабилизации указанной ячейки. Таким образом, внутри внутреннего магнитного экрана конструктивно исключаются все элементы, которые могут содержать металлы с остаточной намагниченностью или быть источниками наведенного магнитного поля (например, транзистор нагрева). По той же причине за пределы внешнего магнитного экрана вынесены источник лазерного излучения и фотоприемник. Экранируются все возможные источники магнитных полей. При этом чем ближе к поглощающей ячейке установлен внутренний магнитный экран, тем меньше его размер, толщина и соответственно, вес, что позволяет уменьшить размер и вес атомных часов в целом. Использование нескольких экранов дает больший эффект экранирования, чем один более толстый экран. Эффект экранирования при той же толщине стенок экрана растет с уменьшением размера экрана. Все эти факторы учтены в предложенном техническом решении.The main feature of the presented system of thermal stabilization and magnetic shielding of an absorbing cell of a quantum discriminator, which distinguishes it from similar systems for its intended purpose, is the installation of an internal magnetic screen between the absorbing cell and the means of heating and thermal stabilization of the specified cell. Thus, inside the internal magnetic shield, all elements that may contain metals with a residual magnetization or be sources of an induced magnetic field (for example, a heating transistor) are structurally excluded. For the same reason, a laser radiation source and a photodetector are taken outside the external magnetic screen. All possible sources of magnetic fields are screened. Moreover, the closer the internal magnetic screen is installed to the absorbing cell, the smaller its size, thickness and, accordingly, weight, which reduces the size and weight of the atomic clock as a whole. Using multiple screens gives a greater shielding effect than one thicker screen. The screening effect at the same screen wall thickness increases with decreasing screen size. All these factors are taken into account in the proposed technical solution.

Предложенная система термостабилизации и магнитного экранирования не только экранирует поглощающую ячейку квантового дискриминатора от магнитных полей, но также поддерживает заданную температуру, устраняя теплообмен между нагреваемой ячейкой и внешней средой.The proposed system of thermal stabilization and magnetic shielding not only shields the absorbing cell of the quantum discriminator from magnetic fields, but also maintains the set temperature, eliminating heat transfer between the heated cell and the external environment.

Система работает следующим образом. Источником лазерного излучения (на Фиг. 1 не показан) генерируется входящее излучение. Ток лазера промодулирован СВЧ генератором; благодаря этому, в спектре излучения лазера появляются компоненты, отстоящие друг от друга на частоту модуляции, соответствующей половине частоты расщепления основного состояния атома, используемого для наблюдения КПН резонанса. Входящее излучение проходит через окно 10, отверстия 6, выполненные для ввода лазерного излучения в торцевых крышках 4 магнитных экранов 2 и 3. Далее лазерное излучение попадает в поглощающую ячейку 1 с парами атомов щелочных металлов.The system operates as follows. A laser source (not shown in FIG. 1) generates incoming radiation. The laser current is modulated by a microwave generator; due to this, components appearing in the laser emission spectrum are separated from each other by a modulation frequency corresponding to half the frequency of splitting of the ground state of the atom used to observe the CPT resonance. The incoming radiation passes through the window 10, holes 6, made for the introduction of laser radiation in the end caps 4 of the magnetic screens 2 and 3. Next, the laser radiation enters the absorption cell 1 with pairs of alkali metal atoms.

Для получения паров щелочных металлов, находящихся в поглощающей ячейке 1, указанная ячейка 1 нагревается, причем для получения заданной концентрации паров температура ячейки 1 должна быть определенной и стабильной. Для этого используется средство нагрева и термостабилизации поглощающей ячейки 7.In order to obtain alkali metal vapors located in the absorption cell 1, said cell 1 is heated, and in order to obtain a predetermined vapor concentration, the temperature of cell 1 must be defined and stable. For this, a heating and thermal stabilization means of the absorbing cell 7 is used.

В присутствии магнитного поля, сгенерированного источником магнитного поля 8, атомные уровни расщепляются на подуровни за счет эффекта Зеемана и сдвигаются; образуется несколько трехуровневых систем, в каждой из которых образуется КПН резонанс.Только для КПН резонанса, образованного между подуровнями с нулевым значением магнитного момента в основном состоянии, отсутствует линейный сдвиг частоты от магнитного поля. Для того, чтобы исключить взаимодействие с магнитозависимыми КПН резонансами, прикладывается однородное продольное магнитное поле порядка 50 мГс, сгенерированное источником магнитного поля 8. Приложенное поле должно быть стабильно до уровня 10-4 Гс; при таких условиях влияние квадратичного эффекта Зеемана мало. Для того, чтобы магнитное поле было стабильно и однородно, необходимо тщательно экранировать поглощающую ячейку 1 от внешних и наведенных магнитных полей.In the presence of a magnetic field generated by a magnetic field source 8, atomic levels are split into sublevels due to the Zeeman effect and are shifted; several three-level systems are formed, in each of which a CPT resonance is formed. Only for the CPT resonance formed between sublevels with a zero value of the magnetic moment in the ground state there is no linear frequency shift from the magnetic field. In order to exclude interaction with magnetically dependent CPT resonances, a uniform longitudinal magnetic field of the order of 50 mGs generated by the magnetic field source is applied 8. The applied field must be stable to a level of 10 -4 G. under such conditions, the influence of the quadratic Zeeman effect is small. In order for the magnetic field to be stable and uniform, it is necessary to carefully shield the absorbing cell 1 from external and induced magnetic fields.

В поглощающей ячейке 1 происходит взаимодействие двухчастотного светового поля лазерного излучения с трехуровневой атомной системой по Λ-схеме. При выполнении особых частотных и фазовых соотношений, в этой системе возникает суперпозиционное состояние (получившее название «темного» состояния), не взаимодействующее с возбуждающим излучением. Находясь в этом состоянии, атомы перестают поглощать и переизлучать свет.In the absorbing cell 1, the two-frequency light field of the laser radiation interacts with the three-level atomic system according to the Λ-scheme. When special frequency and phase relationships are fulfilled, a superposition state (called the "dark" state) arises in this system, which does not interact with exciting radiation. Being in this state, atoms cease to absorb and reemit light.

Выходя из ячейки 1, излучение проходит через отверстия 6, выполненные в торцевых крышках 4 магнитных экранов 2 и 3 для вывода лазерного излучения, через окно 10 и попадает на фоточувствительную область фотоприемника (на Фиг. 1 не показан). В сигнале с фотоприемника наблюдается узкий провал в контуре линии поглощения, КПН резонанс.Leaving the cell 1, the radiation passes through holes 6 made in the end caps 4 of the magnetic screens 2 and 3 for outputting laser radiation through the window 10 and enters the photosensitive region of the photodetector (not shown in Fig. 1). In the signal from the photodetector, a narrow dip in the absorption line contour, CPT resonance, is observed.

Система термостабилизации и магнитного экранирования поглощающей ячейки квантового дискриминатора была использована при создании сверхминиатюрного квантового стандарта частоты на основе эффекта КПН в парах 87Rb. Использование указанной системы позволило уменьшить объем стандарта частоты, снизить энергопотребление, а также улучшить экранирование поглощающей ячейки от различных источников магнитных полей, что привело к увеличению стабильности выходной частоты атомных часов.The system of thermal stabilization and magnetic shielding of the absorbing cell of the quantum discriminator was used to create an ultra-miniature quantum frequency standard based on the CPT effect in 87 Rb pairs. The use of this system made it possible to reduce the volume of the frequency standard, reduce energy consumption, and also improve the shielding of the absorbing cell from various sources of magnetic fields, which led to an increase in the stability of the output frequency of the atomic clock.

Claims (10)

1. Система термостабилизации и магнитного экранирования поглощающей ячейки квантового дискриминатора, включающая цилиндрический магнитный экран, окружающий названную ячейку, снабженный плотно установленными торцевыми крышками, а ячейка снабжена источником магнитного поля, отличающаяся тем, что система содержит, по меньшей мере, пару цилиндрических магнитных экранов, расположенных концентрично вокруг ячейки квантового дискриминатора таким образом, что внутренний магнитный экран окружает ячейку, а внешний магнитный экран окружает внутренний магнитный экран, причем названные магнитные экраны расположены с зазором между ними, в котором создан вакуум или который заполнен инертным газом, причем каждый экран снабжен плотно установленными торцевыми крышками, в которых соосно выполнены сквозные отверстия для прохождения лазерного излучения, причем с внешней стороны торцевых крышек внешнего экрана расположены окна, плотно закрывающие отверстия указанных крышек, при этом внутренний магнитный экран снабжен средством нагрева и термостабилизации поглощающей ячейки, расположенным на его внешней поверхности, обращенной к внутренней поверхности внешнего экрана.1. The system of thermal stabilization and magnetic shielding of the absorbing cell of a quantum discriminator, including a cylindrical magnetic screen surrounding the named cell, equipped with tightly mounted end caps, and the cell is equipped with a magnetic field source, characterized in that the system contains at least a pair of cylindrical magnetic screens, located concentrically around the cell of the quantum discriminator in such a way that the inner magnetic screen surrounds the cell, and the external magnetic screen surrounds the internal magnetic screen, and these magnetic screens are located with a gap between them, in which a vacuum is created or which is filled with an inert gas, and each screen is densely equipped installed end caps, in which through holes for the passage of laser radiation are coaxially made, and on the outer side of the end caps of the external screen there are windows tightly closing the openings of these covers, while the inner magnetic screen n is equipped with means for heating and thermal stabilization of the absorbing cell located on its outer surface facing the inner surface of the outer screen. 2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что внутренний и внешний магнитные экраны установлены между собой неподвижно.2. The system according to claim 1, characterized in that the inner and outer magnetic screens are fixed to each other. 3. Система по п. 1, отличающаяся тем, что источник магнитного поля выполнен в форме колец Гельмгольца.3. The system according to claim 1, characterized in that the magnetic field source is made in the form of Helmholtz rings. 4. Система по п. 3, отличающаяся тем, что ячейка поддерживается конструкцией, являющейся каркасом для колец Гельмгольца, которая выполнена из меди.4. The system according to p. 3, characterized in that the cell is supported by a structure that is a framework for Helmholtz rings, which is made of copper. 5. Система по п. 1, отличающаяся тем, что средство нагрева и термостабилизации ячейки выполнено в форме тонкой полиимидной печатной платы, содержащей термодатчик, управляющий транзистор и сопротивление нагрузки.5. The system according to p. 1, characterized in that the means of heating and thermal stabilization of the cell is made in the form of a thin polyimide printed circuit board containing a temperature sensor, a control transistor and load resistance. 6. Система по п. 5, отличающаяся тем, что средство нагрева и термостабилизации ячейки выполнено в форме двух плат, расположенных с противоположных сторон внутреннего экрана.6. The system according to p. 5, characterized in that the means of heating and thermal stabilization of the cell is made in the form of two boards located on opposite sides of the inner screen. 7. Система по п. 1, отличающаяся тем, что магнитный экран выполнен из пермаллоя.7. The system according to claim 1, characterized in that the magnetic screen is made of permalloy. 8. Система по п. 2, отличающаяся тем, что неподвижность внутреннего и внешнего магнитных экранов между собой обеспечивается креплением, выполненным из полиимида.8. The system according to p. 2, characterized in that the immobility of the internal and external magnetic screens between themselves is provided by a mount made of polyimide. 9. Система по п. 1, отличающаяся тем, что средство нагрева и термостабилизации поглощающей ячейки расположено на торцевой крышке внутреннего магнитного экрана с ее внешней стороны.9. The system according to p. 1, characterized in that the heating and thermal stabilization of the absorbing cell is located on the end cover of the internal magnetic screen from its outer side. 10. Система по пп. 5 и 9, отличающаяся тем, что в плате выполнено отверстие для прохождения лазерного излучения.10. The system of claims. 5 and 9, characterized in that the hole is made in the board for the passage of laser radiation.
RU2019141135A 2019-12-12 2019-12-12 System for thermal stabilization and magnetic shielding of absorbing cell of quantum discriminator RU2722858C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019141135A RU2722858C1 (en) 2019-12-12 2019-12-12 System for thermal stabilization and magnetic shielding of absorbing cell of quantum discriminator

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019141135A RU2722858C1 (en) 2019-12-12 2019-12-12 System for thermal stabilization and magnetic shielding of absorbing cell of quantum discriminator

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2722858C1 true RU2722858C1 (en) 2020-06-04

Family

ID=71067829

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019141135A RU2722858C1 (en) 2019-12-12 2019-12-12 System for thermal stabilization and magnetic shielding of absorbing cell of quantum discriminator

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2722858C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114625187A (en) * 2022-01-28 2022-06-14 华南师范大学 High-precision temperature-controlled super-stable optical cavity
RU2789203C1 (en) * 2022-03-29 2023-01-31 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук Optical quantum magnetometer

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102291134A (en) * 2011-06-02 2011-12-21 江汉大学 Loop response time measuring device and method used for atomic frequency standard
RU2456724C1 (en) * 2010-12-14 2012-07-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное предприятие "Исток" (ФГУП "НПП "Исток") Magnetic shield system of caesium atomic beam tube with optical selection of atomic states
RU2487449C1 (en) * 2012-02-27 2013-07-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное предприятие "Исток" (ФГУП "НПП "Исток") Solenoid coil of cesium atomic beam tube
RU2692000C1 (en) * 2017-12-20 2019-06-19 Российская Федерация, от имени которой выступает Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии (Росстандарт) Method of realizing a system for double magnetic sorting of hydrogen atoms

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2456724C1 (en) * 2010-12-14 2012-07-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное предприятие "Исток" (ФГУП "НПП "Исток") Magnetic shield system of caesium atomic beam tube with optical selection of atomic states
CN102291134A (en) * 2011-06-02 2011-12-21 江汉大学 Loop response time measuring device and method used for atomic frequency standard
RU2487449C1 (en) * 2012-02-27 2013-07-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное предприятие "Исток" (ФГУП "НПП "Исток") Solenoid coil of cesium atomic beam tube
RU2692000C1 (en) * 2017-12-20 2019-06-19 Российская Федерация, от имени которой выступает Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии (Росстандарт) Method of realizing a system for double magnetic sorting of hydrogen atoms

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114625187A (en) * 2022-01-28 2022-06-14 华南师范大学 High-precision temperature-controlled super-stable optical cavity
CN114625187B (en) * 2022-01-28 2024-02-13 华南师范大学 High-precision temperature-controlled ultra-stable optical cavity
RU2789203C1 (en) * 2022-03-29 2023-01-31 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук Optical quantum magnetometer

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Camparo The rubidium atomic clock and basic research
Kang et al. Demonstration of a high-performance pulsed optically pumped Rb clock based on a compact magnetron-type microwave cavity
US6265945B1 (en) Atomic frequency standard based upon coherent population trapping
Stefanucci et al. Compact microwave cavity for high performance rubidium frequency standards
WO2004095037A2 (en) Method and system for operating an atomic clock with simultaneous locking of field and frequency
US5517157A (en) Evanescent-field interrogator for atomic frequency standards
Micalizio et al. A pulsed-laser Rb atomic frequency standard for GNSS applications
RU2722858C1 (en) System for thermal stabilization and magnetic shielding of absorbing cell of quantum discriminator
Hao et al. A physics package for rubidium atomic frequency standard with a short-term stability of 2.4× 10− 13 τ− 1/2
Ma et al. Measurement of dc and ac electric fields inside an atomic vapor cell with wall-integrated electrodes
Zhang et al. Toward a transportable microwave frequency standard based on laser-cooled 113 Cd+ ions
JP2015228461A (en) Atomic resonance transition device, atomic oscillator, electronic apparatus, and movable body
CN105811972B (en) A kind of pulsed coherent layout Trapping of Atoms clock magnetic field servo-system
Khabarova et al. Spectroscopy of intercombination transition for secondary cooling of strontium atoms
US20150249456A1 (en) Mercury trapped ion frequency standard for ultra-stable reference applications
Mungall et al. Design, construction, and performance of the NRC CsVI primary cesium clocks
Liu et al. Optical detection in magnetic state-selection Cs beam tubes for transportable Cs beam clocks
Grewal et al. Magnetometry using sodium fluorescence with synchronous modulation of two-photon resonant light fields
Saprykin et al. Observation of narrow isotopic optical magnetic resonances in individual emission spectral lines of neon
US3256478A (en) Optical pumping of hyperfine states by light pulsed at the zeeman frequency
Gozzini et al. Influence of anti-relaxation coating of optical cells on the potassium D1 line saturated absorption
RU197054U1 (en) Subminiature quantum frequency standard
RU105531U1 (en) RADIOSPECTROSCOPE
Jäschke et al. A single line linearly polarized source of 14.4 keV radiation by means of resonant absorption
Lecomte et al. Performance demonstration of a single-frequency optically-pumped cesium beam frequency standard for space applications