RU2787275C1 - Quantum frequency standard - Google Patents
Quantum frequency standard Download PDFInfo
- Publication number
- RU2787275C1 RU2787275C1 RU2021139771A RU2021139771A RU2787275C1 RU 2787275 C1 RU2787275 C1 RU 2787275C1 RU 2021139771 A RU2021139771 A RU 2021139771A RU 2021139771 A RU2021139771 A RU 2021139771A RU 2787275 C1 RU2787275 C1 RU 2787275C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- frequency
- resonator
- output
- input
- low
- Prior art date
Links
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims abstract description 26
- 229910052904 quartz Inorganic materials 0.000 claims abstract description 12
- 239000010453 quartz Substances 0.000 claims abstract description 12
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 12
- 230000003287 optical Effects 0.000 claims abstract description 9
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 8
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 3
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 abstract description 2
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 8
- IGLNJRXAVVLDKE-UHFFFAOYSA-N rubidium Chemical compound [Rb] IGLNJRXAVVLDKE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 6
- 229910052701 rubidium Inorganic materials 0.000 description 5
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 4
- IGLNJRXAVVLDKE-NJFSPNSNSA-N rubidium-87 Chemical group [87Rb] IGLNJRXAVVLDKE-NJFSPNSNSA-N 0.000 description 4
- 230000000875 corresponding Effects 0.000 description 3
- 230000005358 geomagnetic field Effects 0.000 description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 3
- IGLNJRXAVVLDKE-IGMARMGPSA-N rubidium-85 Chemical compound [85Rb] IGLNJRXAVVLDKE-IGMARMGPSA-N 0.000 description 3
- TVFDJXOCXUVLDH-UHFFFAOYSA-N Cesium Chemical group [Cs] TVFDJXOCXUVLDH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 125000004435 hydrogen atoms Chemical group [H]* 0.000 description 2
- 230000003595 spectral Effects 0.000 description 2
- 125000004429 atoms Chemical group 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Предлагаемое техническое решение относится к технике стабилизации частоты и может быть использована в квантовых стандартах частоты (КСЧ) бортовой аппаратуры подвижных носителей.The proposed technical solution relates to the technique of frequency stabilization and can be used in quantum frequency standards (QFS) of the onboard equipment of mobile carriers.
К аналогам предлагаемого технического решения относятся КСЧ на пучке атомов водорода, содержащий помещенные на одно оси источник пучка, сортирующий магнит, накопительную камеру поглощения, помещенную в резонатор, причем резонатор размещен в центре соленоида, помещенного в многослойный магнитный экран [Стандарты частоты и времени на основе квантовых генераторов и дискриминаторов. - А.И. Пихтелев, А.А. Ульянов, Б.П. Фатеев и др. Под рад. Б.П. Фатеева. - М.: Сов. радио, 1978, 304 с.] Недостатком аналога является вариации частоты устройства при изменении ориентации внешнего магнитного поля за счет сдвигов частоты резонанса, вызванных ее квадратичной по полю зависимостью.The analogues of the proposed technical solution include QFS on a beam of hydrogen atoms, containing placed on the same axis of the beam source, a sorting magnet, a storage absorption chamber placed in the resonator, and the resonator is located in the center of the solenoid placed in a multilayer magnetic screen [Frequency and time standards based on quantum generators and discriminators. - A.I. Pikhtelev, A.A. Ulyanov, B.P. Fateev and others. Under rad. B.P. Fateeva. - M.: Sov. radio, 1978, 304 pp.] The disadvantage of analog is the frequency variation of the device when changing the orientation of the external magnetic field due to shifts in the resonance frequency caused by its quadratic dependence on the field.
К аналогам предлагаемого технического решения относятся КСЧ на пучке атомов цезия-133, содержащий, систему отклоняющих магнитов, П-образный резонатор, причем резонатор размещен в магнитном экране в однородном магнитном поле [Ф. Риле Стандарты частоты. Принципы и приложения, стр 245 // Пер. с англ. - М.: ФИЗМАТЛИТ. 2009. - 512 С. \Fritz Riehle - Frequency Standards: Basics and ApplicationsWiley-VCH | 2005 Недостатком аналога является вариации частоты устройства при изменении ориентации внешнего магнитного поля за счет сдвигов частоты резонанса, вызванных ее квадратичной по полю зависимостью.The analogues of the proposed technical solution include QSC on a beam of cesium-133 atoms, containing a system of deflecting magnets, a U-shaped resonator, and the resonator is placed in a magnetic screen in a uniform magnetic field [F. Riehl Frequency Standards. Principles and Applications, pp. 245 // Per. from English. - M.: FIZMATLIT. 2009. - 512 S. \Fritz Riehle - Frequency Standards: Basics and ApplicationsWiley-VCH | 2005 The disadvantage of the analogue is the variation of the frequency of the device when the orientation of the external magnetic field changes due to shifts in the resonance frequency caused by its quadratic dependence on the field.
В качестве прототипа заявляемого изобретения выбран рубидиевый стандарт частоты, содержащий магнитный экран, в центре которого размещены на оптической оси лампа накачки, фильтрующая ячейка, камера поглощения с резонатором и фотодетектор, подключенный к усилителю низкой частоты, причем резонатор с камерой поглощения помещен в центр соленоида, выход усилителя подключен к входу фазового детектора, второй вход которого подключен к выходу генератора низкой частоты, выход фазового детектора подключен к первому входу кварцевого генератора, второй вход которого присоединен к второму выходу генератора низкой частоты ω1, выход кварцевого генератора подключен к входу умножителя частоты, выход которого соединен с резонатором. [В.В. Григорьянц, М.Е. Жаботинский, В.Ф. Золин, Квантовые стандарты частоты. - Из-во Наука. 1967, стр 172].As a prototype of the claimed invention, a rubidium frequency standard is selected, containing a magnetic screen, in the center of which a pump lamp, a filter cell, an absorption chamber with a resonator and a photodetector connected to a low-frequency amplifier are placed on the optical axis, and the resonator with the absorption chamber is placed in the center of the solenoid, the output of the amplifier is connected to the input of the phase detector, the second input of which is connected to the output of the low-frequency generator, the output of the phase detector is connected to the first input of the quartz oscillator, the second input of which is connected to the second output of the low-frequency generator ω 1 , the output of the quartz oscillator is connected to the input of the frequency multiplier, the output of which is connected to the resonator. [V.V. Grigoryants, M.E. Zhabotinsky, V.F. Zolin, Quantum frequency standards. - From Science. 1967, p. 172].
Работа КСЧ, принятого в качестве прототипа, осуществляется следующим образом. Источником накачки в прототипе является спектральная лампа, излучение которой проходит через фильтрующую ячейку с изотопом рубидий-85. Это излучение осуществляет оптическую накачку атомов рубидия-87, находящихся в камере поглощения, которая размещена в объемном резонаторе. Для ослабления влияния внешнего магнитного поля и его градиентов на резонансную частоту устройства осуществляется магнитное экранирование его элементов с помощью магнитного экрана. При возбуждении объемного резонатора на частоте микроволнового резонанса в камере поглощения имеет место уменьшение интенсивности проходящего света, которое фиксируется приемным фотодетектором. Сигнал с фотодетектора усиливается в усилителе низкой частоты, настроенном на звуковую частоту генератора низкой частоты и поступает на сигнальный вход фазового детектора, опорный вход которого питается с одного из выходов генератора низкой частоты. Резонатор возбуждается СВЧ излучением от умножителя частоты на вход которого поступает сигнал кварцевого генератора. Частота последнего регулируется управляющим напряжением с выхода фазового детектора (с помощью реактивной лампы или сервомотора) таким образом, чтобы осуществлялась автоматическая подстройка резонатора под частоту атомного 0-0 перехода атомов рубидия.The work of the QSC, adopted as a prototype, is carried out as follows. The source of pumping in the prototype is a spectral lamp, the radiation of which passes through a filter cell with the isotope rubidium-85. This radiation performs optical pumping of rubidium-87 atoms located in the absorption chamber, which is located in the cavity resonator. To weaken the influence of an external magnetic field and its gradients on the resonant frequency of the device, its elements are magnetically shielded using a magnetic shield. When the cavity resonator is excited at the microwave resonance frequency, the intensity of the transmitted light decreases in the absorption chamber, which is detected by the receiving photodetector. The signal from the photodetector is amplified in a low-frequency amplifier tuned to the audio frequency of the low-frequency generator and fed to the signal input of the phase detector, the reference input of which is fed from one of the outputs of the low-frequency generator. The resonator is excited by microwave radiation from a frequency multiplier to the input of which a signal from a quartz oscillator is received. The frequency of the latter is controlled by the control voltage from the output of the phase detector (using a reactive lamp or a servomotor) in such a way that the resonator is automatically tuned to the frequency of the atomic 0-0 transition of rubidium atoms.
Недостатком прототипа является вариации частоты устройства при изменении ориентации внешнего магнитного поля за счет сдвигов частоты резонанса, вызванных ее квадратичной по полю зависимостью в видеThe disadvantage of the prototype is the frequency variation of the device when changing the orientation of the external magnetic field due to shifts in the resonance frequency caused by its quadratic field dependence in the form
ν = ν 0 + β Н 2 (1) ν = ν 0 + β H 2 (1)
где ν 0 - частота атомного перехода, Н - напряженность рабочего магнитного поля в зоне размещения камеры поглощения, β - масштабный коэффициент. Применительно к атомам водорода, цезия-133 и рубидия-87 величины ν 0 и β, соответственно равны: 1420 МГц и 2773 Гц/Э2, 6835 МГц и 570 Гц/Э2, 9192 МГц и и 430 Гц/Э2.where v 0 -atomic transition frequency,H- strength of the working magnetic field in the area of the absorption chamber, β-scale factor. As applied to hydrogen, cesium-133 and rubidium-87 atoms, the valuesv 0 andβ, respectively equal: 1420 MHz and 2773 Hz/E2, 6835 MHz and 570 Hz/e2, 9192 MHz and 430 Hz/e2.
Технической задачей, решаемой предлагаемым техническим решением, является разработка схемы квантового стандарта частоты, в котором по сравнению с аналогами и прототипом уменьшено влияние вариаций величины и направления внешнего магнитного поля на резонансную частоту устройства.The technical problem solved by the proposed technical solution is the development of a quantum frequency standard circuit, in which, compared with analogues and the prototype, the influence of variations in the magnitude and direction of the external magnetic field on the resonant frequency of the device is reduced.
Решение указанной технической проблемы достигается тем, что в известном КСЧ, содержащим первый магнитный экран, в центре которого размещены на первой оптической оси первая лампа накачки, первая фильтрующая ячейка, первая камера поглощения с первым резонатором и первый фотодетектор, подключенный к первому усилителю низкой частоты ω1, причем первый резонатор с первой камерой поглощения помещен в центр первого соленоида, выход первого усилителя подключен к первому входу первого фазового детектора, второй вход которого подключен к первому выходу генератора низкой частоты ω1, выход первого фазового детектора подключен к первому входу кварцевого генератора, второй вход которого присоединен к второму выходу первого генератора низкой частоты ω1, выход кварцевого генератора подключен к входу умножителя частоты, выход которого соединен с первым резонатором, вблизи первого магнитного экрана помещен второй магнитный экран, в центре которого размещены на второй оптической оси вторая лампа накачки, вторая фильтрующая ячейка, вторая камера поглощения с вторым резонатором и второй фотодетектор, подключенный к второму усилителю низкой частоты ω2, причем второй резонатор с второй камерой поглощения помещен в центр второго соленоида, выход второго усилителя подключен к первому входу второго фазового детектора, второй вход которого подключен к первому выходу второго генератора низкой частоты ω2, выход второго фазового детектора подключен к третьему входу кварцевого генератора, четвертый вход которого присоединен к второму выходу второго генератора низкой частоты ω2, а второй резонатор подключен к выходу умножителя частоты. The solution to this technical problem is achieved by the fact that in the known QFS containing the first magnetic screen, in the center of which the first pump lamp, the first filter cell, the first absorption chamber with the first resonator and the first photodetector connected to the first low-frequency amplifier ω are placed on the first optical axis 1 , wherein the first resonator with the first absorption chamber is placed in the center of the first solenoid, the output of the first amplifier is connected to the first input of the first phase detector, the second input of which is connected to the first output of the low-frequency generator ω 1, the output of the first phase detector is connected to the first input of the crystal oscillator, the second input of which is connected to the second output of the first low-frequency oscillator ω 1 , the output of the quartz oscillator is connected to the input of the frequency multiplier, the output of which is connected to the first resonator, a second magnetic shield is placed near the first magnetic screen, in the center of which the second pump lamp is placed on the second optical axis glasses, a second filter cell, a second absorption chamber with a second resonator and a second photodetector connected to a second low-frequency amplifier ω 2 , the second resonator with a second absorption chamber is placed in the center of the second solenoid, the second the input of which is connected to the first output of the second low-frequency generator ω 2, the output of the second phase detector is connected to the third input of the quartz oscillator, the fourth input of which is connected to the second output of the second low-frequency generator ω 2 , and the second resonator is connected to the output of the frequency multiplier.
Технический положительный результат предлагаемого изобретения КСЧ состоит в уменьшении влияния изменения направления внешнего магнитного поля на его резонансную частоту путем компенсации сдвигов частоты резонанса, вызванных ее квадратичной по полю зависимостью (1). Влияние этой поправки на резонансную частоту ν 0 в аналоге и прототипе при использовании в составе бортовой аппаратуры (когда внешнее магнитное поле произвольно изменяет свое направление относительно оси прибора в процессе движения) связано, как правило, с низким коэффициентом экранирования используемых магнитных экранов из-за неидеальности их конструкции и наличия технологических отверстий. Так, например, относительный сдвиг частоты при коэффициенте экранирования ~ 1000 при изменении ориентации геомагнитного поля на 180° и рабочем магнитном поле 0,1 Э КСЧ приводит к относительному сдвигу его частоты для указанных выше рабочих веществ соответственно ~ 4 ⋅ 10-10, 10-11 и 2 ⋅ 10-11. Для подавления этого сдвига в схеме предлагаемого изобретения осуществляется одновременное детектирование двух сигналов, резонансная частота которых на выходе схемы управления СВЧ генератором равна средневзвешенному значению частот ν 1 и ν 2 равных:The technical positive result of the proposed invention of the QSC is to reduce the effect of changing the direction of the external magnetic field on its resonant frequency by compensating for shifts in the resonance frequency caused by its quadratic field dependence (1). The effect of this correction on the resonant frequency ν 0 in analogue and prototype when used as part of on-board equipment (when an external magnetic field arbitrarily changes its direction relative to the axis of the device during movement) is associated, as a rule, with a low shielding factor of the magnetic shields used due to the imperfection of their design and the presence of technological holes. So, for example, the relative frequency shift at a shielding factor of ~ 1000 with a change in the orientation of the geomagnetic field by 180° and a working magnetic field of 0.1 Oe of the QSC leads to a relative shift of its frequency for the above working substances, respectively ~ 4⋅10-10, 10-eleven and 2⋅10-eleven. To suppress this shift in the circuit of the present invention, two signals are simultaneously detected, the resonant frequency of which at the output of the microwave generator control circuit is equal to the weighted average of the frequenciesv 1 andv 2 equal:
ν 1 = ν 0 + β (Н+Δ) 2 (2)v 1 =v 0 + β (Н+Δ) 2 (2)
ν 2 = ν 0 + β (Н-Δ) 2 (3)v 2 =v 0 + β (H-Δ) 2 (3)
где Δ - приращение магнитного поля, вызванное присутствием внешнего магнитного поля, которое экранируется первым и вторым магнитными экранами. Знак минус в выражении (3) обусловлен противоположной ориентацией рабочих магнитных полей, создаваемых первым и вторым соленоидами. При этом их последовательное подключение существенно уменьшает погрешности, связанные с вариациями питающего напряжения блока питания.where Δ is the increment of the magnetic field caused by the presence of an external magnetic field, which is screened by the first and second magnetic screens. The minus sign in expression (3) is due to the opposite orientation of the working magnetic fields created by the first and second solenoids. At the same time, their serial connection significantly reduces the errors associated with variations in the supply voltage of the power supply.
В выражениях (2) и (3) приращение магнитного поля можно оценить отношением δН 0 /k ЭК , где δН 0 - амплитуда вариации внешнего магнитного поля, k ЭК - коэффициент экранирования магнитного экрана в предположении, что параметры первого и второго магнитных экранов идентичны. Как следует из (2) и (3) функциональная зависимость вариаций частоты от амплитуды вариаций внешнего поля содержит линейный и квадратичный члены, отношение которых равно 2Нk ЭК /δН 0 . Реальные численные значения величин, входящих в эту дробь позволяет сделать вывод о том, что квадратичным членом можно пренебречь.In expressions (2) and (3), the increment of the magnetic field can be estimated by the ratio δ H 0 / k EC , where δ H 0 is the amplitude of the variation of the external magnetic field, k EC is the screening coefficient of the magnetic screen under the assumption that the parameters of the first and second magnetic screens are identical. As follows from (2) and (3), the functional dependence of the frequency variations on the amplitude of the external field variations contains linear and quadratic terms, the ratio of which is equal to 2 Hk EK /δ H 0 . The real numerical values of the quantities included in this fraction allows us to conclude that the quadratic term can be neglected.
На практике величина коэффициентов экранирования для первого и второго магнитных экранов (k ЭК1 и k ЭК2 ) могут различаться. В этом случае вариации измеряемой средневзвешенной частоты КСЧ Δν в функции δН 0 в соответствии с (2) и (3) имеют следующий вид:In practice, the value of the shielding coefficients for the first and second magnetic shields (k EC1 andk EC2 ) may vary. In this case, the variations in the measured weighted average QSC frequency Δν as a function of δH 0 in accordance with (2) and (3) have the following form:
Δν = β δН 0 Н[(k ЭК1 ) -1 - (k ЭК2 ) -1 ] +0,5 β δН 0 2 [(k ЭК1 ) -2 + (k ЭК2 ) -2 ] (4) Δ ν \u003d β δН 0 Н [(k EK1 ) -1 - (k EK2 ) -1 ] +0.5 β δН 0 2 [(k EK1 ) -2 + (k EK2 ) -2 ] (4)
Из выражения (4) следует, что при близких параметрах первого и второго магнитных экранов, то есть когда (k ЭК1 ≈ k ЭК2 ≡ k), основной вклад в вариации частоты вносит квадратичный по полю член. При этом коэффициент подавления магнитных вариаций η в заявляемом изобретении КСЧ по сравнению с аналогами будет определяться приведенным выше отношением линейного и квадратичного по вариации δН 0 члена, то есть:It follows from expression (4) that at close parameters of the first and second magnetic screens, i.e. when ( k EK1 ≈ k EK2 ≡ k ), the main contribution to the frequency variations is made by the term quadratic in the field. In this case, the coefficient of suppression of magnetic variations η in the claimed invention of the QSC in comparison with analogues will be determined by the above ratio of the linear and quadratic variations in δ H 0 member, that is:
η = 2Нk ЭК /δН 0 . (5)η = 2 Hk EC /δ H 0 . (five)
В геомагнитном магнитном поле (~ 0,5 Э) при факторе экранирования 1000 и напряженности рабочего магнитного поля внутри экрана ~ 0,1 Э этот коэффициент примерно равен 200. Обратная величина коэффициента η определяет относительную погрешность подавления магнитных флуктуаций, обусловленных не только вариациями внешнего магнитного поля, но и нестабильностью постоянного тока в первом и втором соленоидах. В рассматриваемом случае эта погрешность не превышает 0,5%.In the geomagnetic magnetic field (~ 0.5 Oe) with a screening factor of 1000 and a working magnetic field strength inside the screen of ~ 0.1 Oe, this coefficient is approximately equal to 200. The reciprocal value of the coefficient η determines the relative error in suppressing magnetic fluctuations caused not only by variations in the external magnetic field, but also instability of direct current in the first and second solenoids. In the case under consideration, this error does not exceed 0.5%.
При существенном различии коэффициентов k ЭК1 и k ЭК2 необходим учет линейного по вариации δН 0 члена в выражении (4). В этом случае при k ЭК1 = ϒ⋅k ЭК2 и пренебрежении квадратичной поправки коэффициент подавления вариаций будет равенWith a significant difference in the coefficientsk EC1 andk EC2 it is necessary to take into account the linear in variation δH 0 term in expression (4). In this case, whenk EC1 = ϒ⋅k EC2 and neglecting the quadratic correction, the coefficient of suppression of variations will be equal to
η = 2(1 - ϒ) -1 (6)η = 2(1 - ϒ) -1 (6)
Предельное значение коэффициента ϒ в выражении (6) в рассматриваемом варианте не может быть большее 0,99, так как в противном случае следует учитывать квадратичный по полю член в функциональной зависимости частоты КСЧ, определяющий приведенный выше коэффициент η, равный 200 для идентичных параметров магнитных экранов.The limiting value of the coefficient ϒ in expression (6) in the considered variant cannot be greater than 0.99, since otherwise one should take into account the field-quadratic term in the functional dependence of the QFS frequency, which determines the above coefficient η, equal to 200 for identical parameters of magnetic screens .
Зависимость коэффициента η от параметра ϒ в выражении (6) показывает, как влияет идентичность магнитных экранов на степень достижения положительного эффекта в заявляемом изобретении КСЧ. Так например, 10% расхождение в коэффициентах экранирования k ЭК1 и k ЭК2 при указанных выше величинах Н и δН 0 на порядок снижают коэффициент η в сравнении вариантом идентичных магнитных экранов (с 200 до 20).The dependence of the coefficient η on the parameter ϒ in expression (6) shows how the identity of the magnetic screens affects the degree of achievement of a positive effect in the claimed invention of the QSC. For example, a 10% discrepancy in the shielding coefficients k EC1 and k EC2 at the above values of H and δH 0 reduces the coefficient η by an order of magnitude in comparison with the variant of identical magnetic screens (from 200 to 20).
Высокая однородность геомагнитного поля (по данным работы [Ю.И.Кудрявцев.- Автоматическая съемка с синхронизацией измерений модуля геомагнитного поля полевым и вариационным магнитометрами Вопросы геофизики. Вып. 46. СПб., 2013 - Ученые записки СПбГУ; № 446, 113] градиент напряженности геомагнитного не превышает 4 10-5 Э на сантиметр) практически исключает измерительные погрешности заявляемого изобретения, связанные с влиянием градиента внешнего магнитного поля: при указанных выше факторах экранирования и величине рабочего магнитного поля внутри первого и второго магнитных экранов относительная погрешность подавления магнитных вариаций в заявляемой модели при расстоянии между центрами первой и второй камер поглощения 10 см не превышает 0,001%.High homogeneity of the geomagnetic field (according to the work [Yu.I. Kudryavtsev. - Automatic survey with synchronization of measurements of the geomagnetic field modulus by field and variation magnetometers Voprosy geophysics. Issue 46. SPb., 2013 - Scientific notes of St. Petersburg State University; No. 446, 113] gradient geomagnetic strength does not exceed 4 10 -5 Oe per centimeter) practically eliminates the measurement errors of the claimed invention associated with the influence of the gradient of the external magnetic field: with the above shielding factors and the magnitude of the working magnetic field inside the first and second magnetic screens, the relative error of suppressing magnetic variations in the claimed model with a distance between the centers of the first and second absorption chambers of 10 cm does not exceed 0.001%.
Конструкция заявляемого изобретения предусматривает автоподстройку частоты объемных резонаторов под средневзвешенное значение ν 1 и ν 2 , что позволяет реализовать достижение положительного эффекта подавления магнитных вариаций частоты КСЧ.The design of the claimed invention provides for autotuning the frequency of the cavity resonators under the weighted average value of ν 1 and ν 2 , which makes it possible to achieve a positive effect of suppressing magnetic variations in the QFS frequency.
Сущность изобретения поясняется графическим материалом (фиг.1), (фиг.2), (фиг.3), (фиг.4) и (фиг.5).The essence of the invention is illustrated by graphic material (figure 1), (figure 2), (figure 3), (figure 4) and (figure 5).
На Фиг.1. представлена схема прототипа изобретения.In Fig.1. a diagram of the prototype of the invention is presented.
На фиг.2 изображена схема предлагаемого изобретения КСЧ с двумя магнитными экранамиFigure 2 shows a diagram of the proposed invention KSC with two magnetic screens
На Фиг.3. представлен экспериментальный график временной зависимости девиации Алана рубидиевого коммерческого стандарта частоты в условиях вариаций внешнего магнитного поля.In Fig.3. an experimental graph of the time dependence of the Alan deviation of a rubidium commercial frequency standard under conditions of variations in an external magnetic field is presented.
На фиг.4 представлен экспериментальный график временной зависимости девиации Алана для вариаций суммарной частоты двух рубидиевых стандартов в условиях вариаций внешнего магнитного поля при совпадающих направлениях векторов рабочего магнитного поля внутри экранов.Figure 4 shows the experimental graph of the time dependence of the deviation of Alan for variations in the total frequency of two rubidium standards under the conditions of variations in the external magnetic field with the same directions of the vectors of the working magnetic field inside the screens.
На Фиг.5. представлен экспериментальный график временной зависимости девиации Алана для вариаций суммарной частоты двух рубидиевых стандартов в условиях вариаций внешнего магнитного поля при противоположных направлениях векторов рабочего магнитного поля внутри экранов.In Fig.5. an experimental graph of the time dependence of the Alan deviation for variations in the total frequency of two rubidium standards under conditions of variations in the external magnetic field with opposite directions of the vectors of the working magnetic field inside the screens is presented.
На фиг.1 использованы следующие обозначения элементов:In figure 1, the following designations of the elements are used:
1 - магнитный экран, 2 - источник накачки, 3 - фильтрующая ячейка, 4 - камера поглощения, 5 - резонатор, 6 - фотодетектор, 7 - усилитель низкой частоты, 8 - соленоид, 9 - блок питания, 10 - фазовый детектор, 11 - генератор низкой частоты, 12 - кварцевый генератор, 13 - умножитель частоты1 - magnetic screen, 2 - pump source, 3 - filter cell, 4 - absorption chamber, 5 - resonator, 6 - photodetector, 7 - low-frequency amplifier, 8 - solenoid, 9 - power supply, 10 - phase detector, 11 - low frequency generator, 12 - crystal oscillator, 13 - frequency multiplier
На фиг.2 использованы следующие обозначения элементов:In figure 2, the following designations of the elements are used:
1 - первый магнитный экран, 2 - первый источник накачки, 3 - первая фильтрующая ячейка, 4 - первая камера поглощения, 5 - первый резонатор, 6 - первый фотодетектор, 7 - первый усилитель низкой частоты, 8 - первый соленоид, 9 - блок питания, 10 - первый фазовый детектор, 11 - первый генератор низкой частоты, 12 - кварцевый генератор, 13 - умножитель частоты, 14 - второй магнитный экран, 15 - второй источник накачки, 16 - вторая фильтрующая ячейка, 17 - вторая камера поглощения, 18 - второй резонатор, 19 - второй фотодетектор, 20 - второй усилитель низкой частоты, 21 - второй соленоид, 22 - второй фазовый детектор, 23 - второй генератор низкой частоты.1 - first magnetic screen, 2 - first pump source, 3 - first filter cell, 4 - first absorption chamber, 5 - first resonator, 6 - first photodetector, 7 - first low-frequency amplifier, 8 - first solenoid, 9 - power supply , 10 - first phase detector, 11 - first low-frequency oscillator, 12 - quartz oscillator, 13 - frequency multiplier, 14 - second magnetic screen, 15 - second pump source, 16 - second filter cell, 17 - second absorption chamber, 18 - second resonator, 19 - second photodetector, 20 - second low frequency amplifier, 21 - second solenoid, 22 - second phase detector, 23 - second low frequency generator.
Работа предлагаемого технического решения происходит следующим образом.The work of the proposed technical solution is as follows.
Излучение источников накачки 2 и 15 соответственно проходит через первую и вторую фильтрующие ячейки 3 и 16 с изотопом рубидий-85. Это излучение осуществляет оптическую накачку атомов рубидия-87, находящихся в первой и второй камерах поглощения 4 и 17, которые размещены соответственно в первом и втором резонаторах 8 и 18.The radiation from the
Для ослабления влияния внешнего магнитного поля и его градиентов осуществляется магнитное экранирование первой и второй камер поглощения 4 и 17 соответственно с помощью магнитных экранов 1 и 14. В зоне размещения камер поглощения 4 и 17 соответственно с помощью первого и второго соленоидов 8 и 21 создаются равные по модулю рабочие магнитные поля, векторы напряженностей которых ориентированы противоположно друг другу. Последнее достигается встречным последовательным включением первого и второго соленоидов 8 и 21, питаемых от одного и того же блока питания 9.To weaken the influence of the external magnetic field and its gradients, the first and
Излучение первого и второго источника накачки проходит соответственно через первую и вторую фильтрующие ячейки 3 и 16 с изотопом рубидий-85 и осуществляет оптическую накачку атомов рубидия-87, находящихся в первой и второй камере поглощения 4 и 17, размещенных соответственно в первом и втором резонаторах 5 и 18. Для ослабления влияния внешнего магнитного поля и его градиентов на резонансную частоту устройства осуществляется магнитное экранирование его элементов с помощью первого и второго магнитных экранов 1 и 14. При возбуждении первого и второго резонаторов 5 и 18 на частоте микроволнового резонанса в первой и второй камерах поглощения 4 и 17 имеет место уменьшение интенсивности проходящего света, которое фиксируется приемным первым и вторым фотодетекторами 6 и 19. Эти сигналы используются далее для автоматической подстройки частоты первого и второго резонаторов 5 и 18 под средневзвешенное значение частот ν 1 и ν 2 , определяемых выражениями (2) и (3). Реализация такой автоподстройки достигается, тем, что автоподстройка частоты кварцевого генератора 12 осуществляется одновременно двумя автономными каналами, настроенными на различные звуковые частоты ω1 и ω2 с помощью первого и второго селективных усилителей низкой частоты 7 и 20. С выхода первого и второго усилителей низкой частоты 7 и 20 сигналы соответственно поступают на сигнальные входы первого и второго фазовых детекторов, опорные входы которых подключены к выходам первого и второго генераторов низкой частоты (ω1) 11 и (ω2) 23. Вследствие селективности усилителей низкой частоты 7 и 20, настроенных на разные частоты ω1 и ω2 управляющее напряжение с выхода первого и второго фазовых детекторов осуществляет независимую корректировку частоты кварцевого генератора 12 до значений, соответствующего средневзвешенной величине ν 1 и ν 2 СВЧ поля на выходе умножителя частоты 13. При этом в варианте близких параметров первого и второго магнитных экранов 1 и 14 вариации частоты КСЧ в сравнении с аналогами и прототипом уменьшаются в меру коэффициента η, определяемого выражением (5).The radiation of the first and second pump sources passes, respectively, through the first and
В заявляемом изобретении КСЧ в качестве источника накачки могут быть использованы полупроводниковые лазеры, настроенные на соответствующую спектральную линию атомов рабочего вещества.In the claimed invention, QFS as a pump source can be used semiconductor lasers tuned to the corresponding spectral line of the atoms of the working substance.
Экспериментальное подтверждение положительного эффекта в заявляемой модели (подавление магнитных вариаций частоты устройства) было реализовано авторами заявки в эксперименте с двумя коммерческих малогабаритных КСЧ на рубидии с цилиндрическими магнитными экранами длиной 6 см и диаметром 5 см, которые размещались в центре системы катушек Гельмгольца, предназначенных для компенсации компонент лабораторного магнитного поля. Искусственное переменное магнитное поле с амплитудой 0,45 Э на частоте 0,01 Гц создавалось в зоне размещения КСЧ с помощью дополнительных магнитных катушек диаметром 1 м. Оси магнитных экранов ориентировались параллельно друг другу и лежали в плоскости искусственного переменного магнитного поля, направление которого периодически изменялось с частотой 0,01 Гц. При этом измерялись вариации частоты одного из стандартов относительно эталонного значения, соответствующего частоте 0-0 перехода атомов рубидия. Измерения проводились с помощью компаратора Ч308-А, на один вход которого подался СВЧ сигнал с выхода одного из стандартов, на другой - сигнал от эталонного СВЧ генератора. Измеренные значения вариаций обрабатывались компьютером, программное обеспечение которого позволяло установить временную зависимость девиации Алана, являющуюся основной характеристикой стабильности квантового стандарта частоты. Результаты обработки данных представлены на фиг.3 в условиях вращающегося вектора внешнего магнитного поля в плоскости оси магнитного экрана испытуемого устройства.Experimental confirmation of the positive effect in the claimed model (suppression of magnetic variations in the frequency of the device) was implemented by the authors of the application in an experiment with two commercial small-sized rubidium QFSs with cylindrical
Аналогичный эксперимент был выполнен с двумя коммерческими стандартами при тех же параметрах внешнего магнитного поля. При этом на компараторе фиксировалась разность частот первого и второго стандарта, эквивалентная вариациям суммарной частоты двух стандартов относительно удвоенного эталонного значения. Также как и в предыдущем эксперименте, измеренные значения вариаций обрабатывались компьютером и строилась временная зависимость девиации Алана. Результаты обработки данных в этом эксперименте представлены на фиг.4 и фиг. 5 для двух вариантов относительной ориентации рабочих магнитных полей (порядка 0,1 Э) внутри магнитных экранов испытуемых стандартов частоты. Зависимость на фиг. 4 соответствует совпадающим направлениям векторов полей квантовых стандартов, фиг. 5 соответствует случаю, когда эти вектора различаются знаком.A similar experiment was carried out with two commercial standards at the same parameters of the external magnetic field. In this case, the comparator recorded the frequency difference between the first and second standard, which was equivalent to the variations in the total frequency of the two standards relative to the doubled reference value. As in the previous experiment, the measured values of the variations were processed by a computer and the time dependence of the Alan deviation was plotted. The results of data processing in this experiment are presented in Fig.4 and Figs. 5 for two variants of the relative orientation of the working magnetic fields (of the order of 0.1 Oe) inside the magnetic shields of the tested frequency standards. The dependence in Fig. 4 corresponds to the coinciding directions of the field vectors of quantum standards, FIG. 5 corresponds to the case when these vectors differ in sign.
Сравнение зависимостей на фиг. 3 и фиг. 5 показывает, что схемное построение квантового стандарта частоты в соответствии с формулой изобретения позволяет примерно на порядок улучшить стабильность частоты устройства в условиях вариаций внешнего магнитного поля, то есть обеспечивает реализацию положительного эффекта в заявляемой модели.Comparison of dependencies in Fig. 3 and FIG. 5 shows that the circuit construction of a quantum frequency standard in accordance with the claims of the invention makes it possible to improve the frequency stability of the device by about an order of magnitude under conditions of variations in the external magnetic field, that is, it ensures the realization of a positive effect in the claimed model.
Claims (1)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2787275C1 true RU2787275C1 (en) | 2023-01-09 |
Family
ID=
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7202751B2 (en) * | 2004-10-18 | 2007-04-10 | Agilent Inc. | Optically pumped frequency standard with reduces AC stark shift |
| JP2010245585A (en) * | 2009-04-01 | 2010-10-28 | Seiko Epson Corp | Quantum frequency standard, and time control system |
| RU143824U1 (en) * | 2013-07-30 | 2014-07-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Новосибирский государственный технический университет" | QUANTUM STANDARD OF FREQUENCY OF THE OPTICAL AND MICROWAVE RANGE |
| RU2714101C1 (en) * | 2019-02-27 | 2020-02-11 | Акционерное общество "Российский институт радионавигации и времени" | Frequency standard |
| RU2738464C1 (en) * | 2020-06-16 | 2020-12-14 | Общество с ограниченной ответственностью «Атомикс» (ООО «Атомикс») | Quantum frequency discriminator |
| RU2747165C1 (en) * | 2020-06-16 | 2021-04-28 | Общество с ограниченной ответственностью «Атомикс» (ООО «Атомикс») | Quantum frequency standard with laser optical pumping |
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7202751B2 (en) * | 2004-10-18 | 2007-04-10 | Agilent Inc. | Optically pumped frequency standard with reduces AC stark shift |
| JP2010245585A (en) * | 2009-04-01 | 2010-10-28 | Seiko Epson Corp | Quantum frequency standard, and time control system |
| RU143824U1 (en) * | 2013-07-30 | 2014-07-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Новосибирский государственный технический университет" | QUANTUM STANDARD OF FREQUENCY OF THE OPTICAL AND MICROWAVE RANGE |
| RU2714101C1 (en) * | 2019-02-27 | 2020-02-11 | Акционерное общество "Российский институт радионавигации и времени" | Frequency standard |
| RU2738464C1 (en) * | 2020-06-16 | 2020-12-14 | Общество с ограниченной ответственностью «Атомикс» (ООО «Атомикс») | Quantum frequency discriminator |
| RU2747165C1 (en) * | 2020-06-16 | 2021-04-28 | Общество с ограниченной ответственностью «Атомикс» (ООО «Атомикс») | Quantum frequency standard with laser optical pumping |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5225778A (en) | Optical pumping, resonance magnetometer using a sequential polarization | |
| Petrov et al. | Features of magnetic field stabilization in caesium atomic clock for satellite navigation system | |
| Alexandrov et al. | Optically pumped atomic magnetometers after three decades | |
| Neumann et al. | Analysis and active compensation of microphonics in continuous wave narrow-bandwidth superconducting cavities | |
| US7825736B2 (en) | Method for suppressing light shift in optical pumping systems | |
| US20040202050A1 (en) | Method and system for operating an atomic clock with simultaneous locking of field and frequency | |
| EP3223030B1 (en) | Optical pump beam control in a sensor system | |
| Vanier et al. | On the use of intensity optical pumping and coherent population trapping techniques in the implementation of atomic frequency standards | |
| Bevilacqua et al. | Self-adaptive loop for external-disturbance reduction in a differential measurement setup | |
| US8026768B1 (en) | 201Hg+ co-magnetometer for 199Hg+ trapped ion space atomic clocks | |
| RU2787275C1 (en) | Quantum frequency standard | |
| US11237232B2 (en) | Zero field servo-controlled magnetometer with low frequency filtering of the compensation field | |
| Romanenko et al. | New Exclusion Limit for Dark Photons from an SRF Cavity-Based Search (Dark SRF) | |
| US3109138A (en) | Gyromagnetic resonance methods and apparatus | |
| Baranov et al. | Double resonance fequency light shift compensation in optically oriented laser-pumped alkali atoms | |
| US10218368B2 (en) | System and method for in-situ optimization of microwave field homogeneity in an atomic clock | |
| US5272436A (en) | Optical pumping, resonance magnetometer using a light beam with controlled polarization | |
| Kimball et al. | Magnetometric sensitivity optimization for nonlinear optical rotation with frequency-modulated light: Rubidium D2 line | |
| CN105896237B (en) | A kind of axial magnetic field adjustment device and method of adjustment in optical pumping pump apparatus | |
| RU2792293C1 (en) | Quantum frequency standard | |
| Bezmen et al. | A two-frequency spin oscillation system for a quantum angular rate sensor | |
| Bauch et al. | The PTB primary clock CS3: type B evaluation of its standard uncertainty | |
| RU185050U1 (en) | Optically pumped radio spectrometer | |
| US3714552A (en) | Method of reducing errors arising from the radio frequency oscillator system of optically pumped magnetometers | |
| US3256478A (en) | Optical pumping of hyperfine states by light pulsed at the zeeman frequency |