RU2738464C1 - Квантовый дискриминатор частоты - Google Patents

Квантовый дискриминатор частоты Download PDF

Info

Publication number
RU2738464C1
RU2738464C1 RU2020119754A RU2020119754A RU2738464C1 RU 2738464 C1 RU2738464 C1 RU 2738464C1 RU 2020119754 A RU2020119754 A RU 2020119754A RU 2020119754 A RU2020119754 A RU 2020119754A RU 2738464 C1 RU2738464 C1 RU 2738464C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
coil
quantum
cylindrical
output
stove
Prior art date
Application number
RU2020119754A
Other languages
English (en)
Inventor
Дмитрий Сергеевич Чучелов
Сергей Александрович Зибров
Виталий Валентинович Васильев
Мария Игоревна Васьковская
Владимир Леонидович Величанский
Вячеслав Викторович Мещеряков
Евгений Александрович Цыганков
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью «Атомикс» (ООО «Атомикс»)
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 Общество с ограниченной ответственностью «Атомикс» (ООО «Атомикс») filed Critical Общество с ограниченной ответственностью «Атомикс» (ООО «Атомикс»)
Priority to RU2020119754A priority Critical patent/RU2738464C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2738464C1 publication Critical patent/RU2738464C1/ru

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES 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
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES 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
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03LAUTOMATIC CONTROL, STARTING, SYNCHRONISATION OR STABILISATION OF GENERATORS OF ELECTRONIC OSCILLATIONS OR PULSES
    • H03L7/00Automatic control of frequency or phase; Synchronisation
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03LAUTOMATIC CONTROL, STARTING, SYNCHRONISATION OR STABILISATION OF GENERATORS OF ELECTRONIC OSCILLATIONS OR PULSES
    • H03L7/00Automatic control of frequency or phase; Synchronisation
    • H03L7/06Automatic control of frequency or phase; Synchronisation using a reference signal applied to a frequency- or phase-locked loop
    • H03L7/16Indirect frequency synthesis, i.e. generating a desired one of a number of predetermined frequencies using a frequency- or phase-locked loop
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03LAUTOMATIC CONTROL, STARTING, SYNCHRONISATION OR STABILISATION OF GENERATORS OF ELECTRONIC OSCILLATIONS OR PULSES
    • H03L7/00Automatic control of frequency or phase; Synchronisation
    • H03L7/24Automatic control of frequency or phase; Synchronisation using a reference signal directly applied to the generator

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Measurement And Recording Of Electrical Phenomena And Electrical Characteristics Of The Living Body (AREA)

Abstract

Изобретение относится к квантовым стандартам времени и частоты. Технический результат заключается в обеспечении стабильных параметров среды квантового дискриминатора и упрощении его изготовления. Квантовый дискриминатор частоты содержит двухслойный корпус цилиндрической формы, представляющий собой магнитный экран, катушку Баркера для создания однородного магнитного поля, газовую ячейку, кроме того, внешний слой указанного корпуса дополнительно содержит входную и заднюю торцевые заглушки, а также отверстие для установки поляризатора и волновой пластинки; внутренний слой образован полым цилиндром, внутри которого по принципу матрешки расположены катушка Баркера, цилиндрическая теплоизолирующая рубашка, цилиндрическая печка с нагревателем, в основной полости которой размещена газовая ячейка, а в середине боковой поверхности указанной печки выполнены две дополнительные полости для установки в них опорного и контрольного термистора и отверстие, создающее зону минимальной температуры. Торцы указанной печки закрыты теплоизолирующими шайбами с осевыми отверстиями для лазерного пучка; торцы внутреннего слоя корпуса закрыты крышками, на которые помещены входной и выходной изоляторы; в выходном изоляторе выполнена ниша для установки фотодетектора, а между задней торцевой заглушкой и нишей для установки фотодетектора расположено промежуточное кольцо для обеспечения электрической изоляции. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Description

Изобретение относится к квантовым стандартам времени и частоты.
Из уровня техники известны квантовые стандарты частоты, например по патентам RU 2378756, RU 2378757, RU 2408978, а также квантовый дискриминатор по патенту RU 2417922 C2, 10.04.2013, содержащие корпус цилиндрической формы, представляющий собой магнитный экран, катушку, для создания однородного магнитного поля, газовую ячейку. Указанные квантовые (атомные или молекулярные) стандарты времени и частоты устроены по общему принципу: внешним источником электромагнитного излучения (генератором оптической или СВЧ частоты) возбуждаются переходы между атомными или молекулярными уровнями. Оптическими или иными методами такие переходы могут регистрироваться, и величина регистрируемого сигнала зависит от степени совпадения частот внешнего сигнала и атомного перехода. Отсюда можно сформировать сигнал обратной связи для привязки частоты генератора к частоте атомного перехода. Для потребителей из частоты стабилизированного по квантовому переходу генератора различными радиотехническими методами без понижения стабильности формируется стандартный сигнал 5 или 10 МГц. Отсчеты фиксированного числа колебаний дают метки времени.
Однако недостатками данных устройств являются сложность изготовления компонентов, присутствие паразитного магнитного поля, плохая теплоизоляция ячейки, магнитная изоляция ячейки и низкая однородность магнитного поля.
Технической проблемой заявленного изобретения являются устранение указанных недостатков с достижением технического результата, заключающегося в повышении надежности работы устройства при упрощении его изготовления.
Указанный технический результат достигается в квантовом дискриминаторе частоты, содержащем корпус цилиндрической формы, представляющий собой магнитный экран, катушку, для создания однородного магнитного поля, газовую ячейку, отличающемся тем, что корпус выполнен двухслойным, а катушка для создания однородного магнитного поля представляет собой катушку Баркера, кроме того, внешний слой указанного корпуса дополнительно содержит входную и заднюю торцевые заглушки, а также отверстие для установки поляризатора и волновой пластинки; внутренний слой образован полым цилиндром, внутри которого по принципу матрешки расположены катушка Баркера, цилиндрическая теплоизолирующая рубашка, цилиндрическая печка с нагревателем, в основной полости которой размещена газовая ячейка, а в середине боковой поверхности указанной печки выполнены две дополнительные полости для установки в них опорного и контрольного термистора и отверстие, создающее зону минимальной температуры, при этом торцы указанной печки закрыты теплоизолирующими шайбами с осевыми отверстиями для лазерного пучка; торцы внутреннего слоя корпуса закрыты крышками, на которые помещены входной и выходной изоляторы; в выходном изоляторе выполнена ниша для установки фотодетектора, а между задней торцевой заглушкой и нишей для установки фотодетектора расположено промежуточное кольцо, для обеспечения электрической изоляции.
Дополнительной особенностью является то, что в выходной шайбе дополнительно выполнен паз для вывода всех электрических проводов.
Дополнительной особенностью является то, что задняя торцевая заглушка имеет резьбовое соединение с внешним слоем корпуса.
Исключительно важным является то, как сконструирован квантовый дискриминатор частоты – устройство, в котором размещается кювета (ячейка), содержащая атомную среду – газы щелочных металлов и буферных элементов. Оно должно обеспечивать защиту ячейки от внешних магнитных полей, создавать собственное однородное поле для расщепления магнитных подуровней атомов, поддерживать температуру ячейки постоянной, регистрировать оптические сигналы.
На фиг.1 показан разрез квантового дискриминатора частоты.
Преимущества предлагаемого квантового дискриминатора частоты (КДЧ) достигаются следующим:
а) форма большинства компонентов КДЧ максимально приближена к простой цилиндрической. В первую очередь это касается самой газовой ячейки (3). Технология ее изготовления и заполнения (защищена отдельным патентом) обеспечивает ее цилиндрическую форму без наплывов и штенгелей.
б) ячейка помещена в центр цилиндрической печки (14), торцы которой закрываются с обеих сторон винтовыми заглушками (5 и 16). Печка изготавливается из теплопроводящего и немагнитного материала (например, медь М0). В заглушках имеются отверстия для прохождения лазерного излучения. Заглушки фиксируют ячейку в центре печки через шайбы (нарисованы, но не обозначены цифрами) и теплопроводящие подложки (не нарисованы), чем обеспечивается хороший тепловой контакт окошек ячейки с нагревателями во избежание осаждения на них металлических паров. С той же целью в середине боковой поверхности печки выполнено отверстие, которое создает зону минимальной температуры. Также в середине боковой поверхности печки изготовлены две полости (4), в которые вклеиваются теплопроводящим компаундом два термистора – опорный и контрольный. Нагреватель (на рисунке показаны только зоны его размещения) выполнен из бифилярного провода и намотан на цилиндрическую поверхность печки в областях, примыкающих к окошкам ячейки. Правильно изготовленный нагреватель создает при рабочих температурах ячейки паразитное магнитное поле, на порядки меньшее фонового земного.
в) малое энергопотребление КДЧ невозможно без хорошей теплоизоляции ячейки. Материалы с низкой теплопроводностью, как правило, обладают неудовлетворительными механическими свойствами, плохо поддаются обработке. В нашей конструкции печка, как матрешка, вкладывается внутрь цилиндрической теплоизолирующей рубашки (2), выполненной из бальсы. Торцы печки также закрыты теплоизолирующими шайбами с осевыми отверстиями для лазерного пучка – входной (17) и выходной (6). В выходной шайбе дополнительно предусмотрен паз для вывода всех электрических проводов от нагревателя и термисторов.
г) степень однородности магнитного поля, создаваемого в зоне действия лазерного излучения на атомы, определяет качество детектируемого и используемого для стабилизации частоты внешнего источника электромагнитного сигнала. Существуют различные способы создания однородного магнитного поля, из которых наиболее часто используются соленоид или катушки Гельмгольца. В нашем КДЧ используется схема Баркера, которая при сопоставимых размерах с соленоидом или катушками Гельмгольца обеспечивает больший объем зоны однородного магнитного поля. Точный расчет схемы Баркера позволяет добиться симметрии детектируемого сигнала, что свидетельствует об отсутствии существенного поперечного магнитного поля в зоне детектирования. Каркас катушки Баркера (1) выполнен из материала, худшего по теплоизолирующим свойствам в сравнении с бальсой, но более приспособленным к механической обработке. Витки катушки Баркера на рисунке не показаны, видны только четыре зоны их размещения на каркасе.
д) изоляция зоны детектирования КДЧ от внешнего магнитного поля обеспечивается двухслойным магнитным экраном (МЭ). Детали экрана выполнены из пермаллоя, изоляция между слоями из фторопласта. Первый слой магнитного экрана образован полым цилиндром (15), который надевается непосредственно на каркас катушки Баркера. Торцы цилиндра закрываются крышками, закраины которых глубоко перекрываются с цилиндрической поверхностью (18 и 7). На крышки первого слоя МЭ надеваются фторопластовые изоляторы – входной (поз.19) и выходной (поз.12). Выходной изолятор имеет нишу для установки фотодетектора (на рисунке не показан) и пазы для вывода проводов. Внешний (второй) слой МЭ образован деталями (20, 13 и 9). Перекрытие входной торцевой заглушки (20) с цилиндрической частью внешнего слоя МЭ (13) обеспечивается закраинами на цилиндрической части. Задняя торцевая заглушка (9) имеет резьбовое соединение с цилиндрической частью, которое позволяет устранить все зазоры, возникающие при сборке печки, теплоизоляторов, магнитной катушки, фотодетектора и магнитных экранов. Тем самым обеспечивается жесткость всей конструкции КДЧ. Промежуточное кольцо (11) обеспечивает электрическую изоляцию между монтажной платой фотодетектора и резьбовой заглушкой магнитного экрана.
Все провода внутри МЭ собираются в жгут, прокладываются в кольцевом зазоре (8) и выходят через паз (10) в цилиндрической части внешнего слоя МЭ.
Для получения оптимальной величины детектируемого сигнала электромагнитное излучение должно иметь определенную интенсивность и поляризацию. Это достигается установкой поляризатора и волновой пластинки на входе в КДЧ. Место установки этих компонентов (21) расположено на оптической оси КДЧ во входной торцевой заглушке МЭ. Сборка входной торцевой заглушки и оптических деталей производится на отдельном стенде до общей сборки КДЧ. Сначала вклеивается поляризатор, затем на него с промежуточным слоем оптического клея накладывается волновая пластинка. Они взаимно ориентируются, и клей фиксируется ультрафиолетом. Конструкция КДЧ допускает при ослаблении задней торцевой заглушки юстировку входной вместе с оптическими компонентами относительно входного лазерного пучка.

Claims (4)

1. Квантовый дискриминатор частоты, содержащий корпус цилиндрической формы, представляющий собой магнитный экран, катушку, для создания однородного магнитного поля, газовую ячейку, отличающийся тем, что корпус выполнен двухслойным, а катушка для создания однородного магнитного поля представляет собой катушку Баркера, кроме того, внешний слой указанного корпуса дополнительно содержит входную и заднюю торцевые заглушки, а также отверстие для установки поляризатора и волновой пластинки; внутренний слой образован полым цилиндром, внутри которого по принципу матрешки расположены катушка Баркера, цилиндрическая теплоизолирующая рубашка, цилиндрическая печка с нагревателем, в основной полости которой размещена газовая ячейка, а в середине боковой поверхности указанной печки выполнены две дополнительные полости для установки в них опорного и контрольного термистора и отверстие, создающее зону минимальной температуры, при этом торцы указанной печки закрыты теплоизолирующими шайбами с осевыми отверстиями для лазерного пучка;
торцы внутреннего слоя корпуса закрыты крышками, на которые помещены входной и выходной изоляторы; в выходном изоляторе выполнена ниша для установки фотодетектора, а между задней торцевой заглушкой и нишей для установки фотодетектора расположено промежуточное кольцо для обеспечения электрической изоляции.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в выходной шайбе дополнительно выполнен паз для вывода всех электрических проводов.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что задняя торцевая заглушка имеет резьбовое соединение с внешним слоем корпуса.
RU2020119754A 2020-06-16 2020-06-16 Квантовый дискриминатор частоты RU2738464C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020119754A RU2738464C1 (ru) 2020-06-16 2020-06-16 Квантовый дискриминатор частоты

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020119754A RU2738464C1 (ru) 2020-06-16 2020-06-16 Квантовый дискриминатор частоты

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2738464C1 true RU2738464C1 (ru) 2020-12-14

Family

ID=73835162

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020119754A RU2738464C1 (ru) 2020-06-16 2020-06-16 Квантовый дискриминатор частоты

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2738464C1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2787275C1 (ru) * 2021-12-29 2023-01-09 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" (ФГАОУ ВО "СПбПУ") Квантовый стандарт частоты

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3798565A (en) * 1971-12-14 1974-03-19 E Jechart Gas cell atomic frequency standard of compact design
US4661782A (en) * 1985-11-25 1987-04-28 Ball Corporation Integrated microwave cavity resonator and magnetic shield for an atomic frequency standard
SU1025306A1 (ru) * 1981-02-03 1990-08-15 Организация П/Я В-8466 Квантовый дискриминатор
SU1484231A1 (ru) * 1986-12-26 1994-01-30 М.Г. Вишин Квантовый дискриминатор
RU2080717C1 (ru) * 1994-03-23 1997-05-27 Ольга Юрьевна Николаева Способ получения импульсно-периодического автомодулированного лазерного излучения
US7852163B2 (en) * 2006-04-19 2010-12-14 Sarnoff Corporation Batch-fabricated, RF-interrogated, end transition, chip-scale atomic clock
RU2479122C2 (ru) * 2011-07-19 2013-04-10 Открытое акционерное общество "Российский институт радионавигации и времени" Квантовый дискриминатор на газовой ячейке
RU2529756C1 (ru) * 2013-05-06 2014-09-27 Открытое акционерное общество "Российский институт радионавигации и времени" Квантовый стандарт частоты на основе эффекта когерентного пленения населенности
US20170204839A1 (en) * 2011-07-18 2017-07-20 Sean Nean Hsu Apparatus for Generating Energy from a Fluid Flow Induced Movement of a Contacting Surface Structure Relative to an Opening to a Cavity in a Frame

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3798565A (en) * 1971-12-14 1974-03-19 E Jechart Gas cell atomic frequency standard of compact design
SU1025306A1 (ru) * 1981-02-03 1990-08-15 Организация П/Я В-8466 Квантовый дискриминатор
US4661782A (en) * 1985-11-25 1987-04-28 Ball Corporation Integrated microwave cavity resonator and magnetic shield for an atomic frequency standard
SU1484231A1 (ru) * 1986-12-26 1994-01-30 М.Г. Вишин Квантовый дискриминатор
RU2080717C1 (ru) * 1994-03-23 1997-05-27 Ольга Юрьевна Николаева Способ получения импульсно-периодического автомодулированного лазерного излучения
US7852163B2 (en) * 2006-04-19 2010-12-14 Sarnoff Corporation Batch-fabricated, RF-interrogated, end transition, chip-scale atomic clock
US20170204839A1 (en) * 2011-07-18 2017-07-20 Sean Nean Hsu Apparatus for Generating Energy from a Fluid Flow Induced Movement of a Contacting Surface Structure Relative to an Opening to a Cavity in a Frame
RU2479122C2 (ru) * 2011-07-19 2013-04-10 Открытое акционерное общество "Российский институт радионавигации и времени" Квантовый дискриминатор на газовой ячейке
RU2529756C1 (ru) * 2013-05-06 2014-09-27 Открытое акционерное общество "Российский институт радионавигации и времени" Квантовый стандарт частоты на основе эффекта когерентного пленения населенности

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2787275C1 (ru) * 2021-12-29 2023-01-09 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" (ФГАОУ ВО "СПбПУ") Квантовый стандарт частоты
RU2817140C1 (ru) * 2023-03-10 2024-04-11 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук (ФИАН) Малогабаритные атомные часы с двумя зонами детектирования оптического излучения

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5670914A (en) Miniature atomic frequency standard
US5517157A (en) Evanescent-field interrogator for atomic frequency standards
JPS58127154A (ja) 集中回路共振器
CN103701030B (zh) 一种用于激光稳频的单峰87Rb同位素原子滤光器及其滤光方法
US4435680A (en) Microwave resonator structure
EP0643874A1 (en) Microwave resonator
Kuzkova et al. Application of temperature-dependent fluorescent dyes to the measurement of millimeter wave absorption in water applied to biomedical experiments
US4314204A (en) Resonator for electron spin resonance experiments
Nishikawa et al. Dispersion relation and frequency characteristics of alternating periodic structure for linear accelerators
Wu et al. Fundamental Distinction of Electromagnetically Induced Transparency and Autler–Townes Splitting in Breaking the Time‐Reversal Symmetry
RU2738464C1 (ru) Квантовый дискриминатор частоты
JPS59138101A (ja) 空胴共振器
CN106773611B (zh) 一种可充当真空腔体的冷原子喷泉钟微波腔
US7501909B2 (en) Wide-bandwidth polarization modulator for microwave and mm-wavelengths
US10955512B2 (en) EPR apparatus equipped with specific RS coils and corresponding coil devices
Yu et al. Spherical-sapphire-based whispering gallery mode resonator thermometer
Nishiura et al. Electro-optic probe measurements of electric fields in plasmas
Wilen et al. Cyclotron resonance of the two-dimensional electron crystal
Ruilin et al. Comparison of heating mechanisms of argon helicon plasma in different wave modes with and without blue core
US11530955B2 (en) Method for measuring gas temperature in plasma
US3250985A (en) Microwave cavity resonator
US3172035A (en) Probe for a gyromagnetic resonance apparatus
Sargsyan et al. Faraday effect in rubidium atomic layers thinner than 100 nm
Petryakov et al. Modified Alderman‐Grant resonator with high‐power stability for proton electron double resonance imaging
Annino et al. Axially open nonradiative structures: an example of single-mode resonator based on the sample holder