RU2080716C1

RU2080716C1 - Radio spectroscope with absorbing cell

Info

Publication number: RU2080716C1
Application number: RU93053363A
Authority: RU
Inventors: В.Е. Петров
Original assignee: Российский институт радионавигации и времени
Priority date: 1993-11-30
Filing date: 1993-11-30
Publication date: 1997-05-27

Abstract

FIELD: electronics, quantum generators of reference frequency. SUBSTANCE: device has magnetic screen, coil which generates permanent magnetic field, thermostat which contains emitting source, resonator with cylindrical cavity for H011 oscillations. Resonator is limited by end walls and has microwave field drive, photodetector and cylindrical glass cell which is filled with alkali metal vapors and is located in coaxial in resonator chamber. Outer cell length l is $$$, its outer diameter d is $$$, length of cylindrical chamber of resonator is less than $$$, where $$$ is wavelength of nuclear transition of alkali metal in vacuum. In addition resonator has dielectric plug which is located in coaxial to it and contains absorbing cell. Plug length is not greater than outer length of cell. Drive of microwave field is designed as feedback loop which is located on face wall of resonator between cylindrical wall of resonator chamber and outer surface in recess of dielectric plug. Cell is adjacent to resonator face wall on which feedback lop is located. EFFECT: increased functional capabilities. 5 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано в квантовых стандартах частоты с ячейкой поглощения. The invention relates to quantum electronics and can be used in quantum frequency standards with an absorption cell.

Известен радиоспектроскоп с ячейкой поглощения, содержащий рубидиевую спектральную лампу, ячейку поглощения с изотопами рубидия 85 и 87, фотодетектор, обмотки термопластов и магнитные обмотки, термостаты ячейки поглощения и спектральной лампы, СВЧ резонатор для колебаний H₁₁₁, петлю связи с умножительным диодом и магнитные экраны [1]
Наиболее близким техническим решением является радиоспектроскоп с ячейкой поглощения, описанный в [2] который в отличие от радиоспектроскопа [1] содержит оптический фильтр с изотопом рубидия 85, а в резонаторе возбуждается основной тип колебания H₀₁₁.Known radio spectroscope with an absorption cell containing a rubidium spectral lamp, an absorption cell with rubidium isotopes 85 and 87, a photo detector, thermoplastics windings and magnetic windings, thermostats of an absorption cell and a spectral lamp, a microwave resonator for H ₁₁₁ oscillations, a coupling loop with a multiplying diode and magnetic screens [1]
The closest technical solution is a radio spectroscope with an absorption cell described in [2] which, unlike a radio spectroscope [1], contains an optical filter with a rubidium isotope 85, and the main type of oscillation H _{011 is} excited in the resonator.

Радиоспектроскоп [2] работает следующим образом. Свет спектрального источника с рубидием 87 поглощается парами рубидия в ячейке поглощения, в результате чего увеличивается населенность верхнего уровня (F 2) основного состояния атомов рубидия 87 за счет нижнего (F 1). Действие на атом внешнего СВЧ-поля с частотой атомного перехода приводит к увеличению числа атомов на нижнем уровне. Вероятность перехода атомов из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией под действием СВЧ-сигнала зависит от расстройки между частотами возбуждающего сигнала и атомного перехода. При совпадении частот вероятность перехода максимальна, следовательно, максимально и поглощение света. По изменению интенсивности прошедшего через группу атомов рубидия света, который попадает на фотоприемник, производится индикация частоты атомного перехода и по нему контролируется частота внешнего СВЧ-сигнала. Ток фотоприемника является функцией расстройки частоты сигнала атомного перехода. Radio spectroscope [2] works as follows. The light of a spectral source with rubidium 87 is absorbed by rubidium vapor in the absorption cell, as a result of which the population of the upper level (F 2) of the ground state of rubidium 87 atoms increases due to the lower (F 1). The action of an external microwave field with an atomic transition frequency on an atom leads to an increase in the number of atoms at the lower level. The probability of transition of atoms from a state with a higher energy to a state with a lower energy under the influence of a microwave signal depends on the detuning between the frequencies of the exciting signal and the atomic transition. When the frequencies coincide, the transition probability is maximum, therefore, the absorption of light is maximum. By changing the intensity of the light passing through the group of atoms of rubidium, which enters the photodetector, the frequency of the atomic transition is indicated and the frequency of the external microwave signal is controlled by it. The photodetector current is a function of detuning the frequency of the atomic transition signal.

В радиоспектроскопе [2] размеры ячейки поглощения имеют увеличенные размеры и не являются оптимальными, что ограничивает точность устройства. Это определено тем, что диаметр и длина ячейки совпадает с аналогичными размерами внутренней полости резонатора, так как стенки ячейки расположены вплотную к проводящим стенкам внутренней полости СВЧ-резонатора. Стекло, применяемое для изготовления ячейки, обладает достаточно большими потерями на частоте квантового перехода рубидия. Поэтому при уменьшении диаметра ячейки даже на 9% приводит к исчезновению резонанса. Минимальный объем резонансной полости у радиоспектроскопа [2] достигается при D=L=1,32λ, где, D, L диаметр и длина внутренней полости резонатора, λ длина волны атомного перехода рубидия 87 в вакууме. In a radio spectroscope [2], the sizes of the absorption cells are enlarged and not optimal, which limits the accuracy of the device. This is determined by the fact that the diameter and length of the cell coincides with the similar dimensions of the internal cavity of the resonator, since the cell walls are located close to the conducting walls of the internal cavity of the microwave resonator. The glass used for the manufacture of the cell has a rather large loss at the frequency of the quantum transition of rubidium. Therefore, with a decrease in the cell diameter even by 9%, the resonance disappears. The minimum volume of the resonance cavity in a radio spectroscope [2] is achieved at D = L = 1.32λ, where, D, L is the diameter and length of the cavity of the resonator, λ is the wavelength of the atomic transition of rubidium 87 in vacuum.

Технический результат, который достигается изобретением, состоит в увеличении точности, уменьшения габаритов и веса. The technical result that is achieved by the invention is to increase the accuracy, reduce the size and weight.

Для достижения указанного технического результата радиоспектроскоп с ячейкой поглощения содержит магнитный экран, катушку для создания постоянного магнитного поля, термостат, внутри которого размещен источник излучения, резонатор с цилиндрической полостью для колебаний типа H₀₁₁, ограниченной торцевыми стенками с отверстиями для излучения источника, с возбудителем СВЧ-поля, фотодетектором и цилиндрической стеклянной ячейкой, наполненной парами щелочного металла, расположенной соосно в полости резонатора, при этом наружная длина l ячейки составляет
0,53λ≅l≅0,72λ,
наружный диаметр d ячейки составляет
0,68λ≅d≅0,8λ,
кроме того, длина L цилиндрической полости резонатора меньше l+0,07λ, где λ- длина волны атомного перехода щелочного металла в вакууме.To achieve the technical result, a radio spectroscope with an absorption cell contains a magnetic screen, a coil for creating a constant magnetic field, a thermostat inside which a radiation source is placed, a resonator with a cylindrical cavity for oscillations of type H ₀₁₁ , bounded by end walls with holes for source radiation, with a microwave exciter -field, photodetector and a cylindrical glass cell filled with alkali metal vapor, located coaxially in the cavity of the resonator, while the outer length l cells hers makes up
0.53λ≅l≅0.72λ,
the outer diameter d of the cell is
0.68λ≅d≅0.8λ,
in addition, the length L of the cylindrical cavity of the resonator is less than l + 0.07λ, where λ is the wavelength of the atomic transition of an alkali metal in vacuum.

Резонатор снабжен соосно расположенной диэлектрической втулкой, внутри которой размещена ячейка поглощения, при этом длина втулки не превышает наружную длину ячейки. The resonator is equipped with a coaxially located dielectric sleeve, within which an absorption cell is placed, while the length of the sleeve does not exceed the outer length of the cell.

Диэлектрическая втулка выполнена из полистирола и прикреплена к внутренней поверхности торцевой стенки. The dielectric sleeve is made of polystyrene and attached to the inner surface of the end wall.

Возбудитель СВЧ-поля выполнен в виде петли связи, установленной на торцевой стенке резонатора между цилиндрической стенкой полости резонатора и внешней поверхности ячейки в выемке диэлектрической втулки. The causative agent of the microwave field is made in the form of a communication loop mounted on the end wall of the resonator between the cylindrical wall of the cavity of the resonator and the outer surface of the cell in the recess of the dielectric sleeve.

Ячейка расположена вплотную к торцевой стенке резонатора, на которой установлена петля связи. The cell is located close to the end wall of the resonator, on which the communication loop is installed.

Радиоспектроскоп с ячейкой таких размеров позволил увеличить его точность не менее чем вдвое. Ячейка поглощения имеет значительно уменьшенные по сравнению с ячейкой [2] размеры. Уменьшены диаметр и длина. При этом длина цилиндрической полости резонатора отличается от длины ячейки не более чем на 0,07λ. Наибольший диаметр ячейки 0,8λ. Отношение длины полости к диаметру резонатора составляет не более 0,6. A radio spectroscope with a cell of such dimensions made it possible to increase its accuracy by at least two times. The absorption cell has significantly reduced sizes compared to the cell [2]. Reduced diameter and length. In this case, the length of the cylindrical cavity of the resonator differs from the cell length by no more than 0.07λ. The largest cell diameter is 0.8λ. The ratio of the length of the cavity to the diameter of the resonator is not more than 0.6.

Благодаря диэлектрической постоянной e = 4,2...4,8, щелочестойкого стекла сама ячейка своей стеклянной массой как диэлектрик также уменьшила размеры резонатора. Диаметр резонатора уменьшен еще более после введения диэлектрической втулки, внутри которой расположена ячейка поглощения. Due to the dielectric constant e = 4,2 ... 4,8, alkali-resistant glass, the cell itself with its glass mass as a dielectric also reduced the size of the resonator. The diameter of the resonator is further reduced after the introduction of the dielectric sleeve, inside which is located the absorption cell.

На фиг. 1 изображен радиоспектроскоп с ячейкой поглощения, разрез; на фиг. 2 ячейка поглощения, разрез; на фиг.3 торцевая стенка резонатора с диэлектрической втулкой. In FIG. 1 shows a radio spectroscope with an absorption cell, section; in FIG. 2 cell absorption, incision; figure 3 the end wall of the resonator with a dielectric sleeve.

Радиоспектроскоп содержит магнитный экран 1, катушку 2 для создания постоянного магнитного поля, термостат 3, внутри которого размещен источник излучения 4 со спектральной лампой 5, резонатор 6 с цилиндрической полостью для колебаний типа H₀₁₁, ограниченной торцевыми стенками 7 и 8 с отверстиями 9 и 10 для излучения лампы 5 источника 4 с возбудителем 11 СВЧ-поля, фотодетектором 12 и цилиндрической стеклянной ячейкой 13 поглощения, наполненной парами щелочного металла, изотопами рубидия 85 и 87, расположенной соосно в полости резонатора 6. Резонатор снабжен соосно расположенной диэлектрической втулкой 14, внутри которой размещена ячейка 13 поглощения. Диэлектрическая втулка 14 прикреплена к внутренней поверхности торцевой стенками 8 винтами 15. Возбудитель 11 СВЧ-поля выполнен в виде петли связи, установленной на торцевой стенке 8 между цилиндрической стенкой полости резонатора 6 и внешней поверхности ячейки 13 в выемке 16 диэлектрической втулки 14. Резонатор 6 снабжен также нагревательной обмоткой 17, датчиком температуры 18 и СВЧ-кабелем 19, подключенным в возбудителю 11 СВЧ-поля.The radio spectroscope contains a magnetic screen 1, a coil 2 for creating a constant magnetic field, a thermostat 3, inside which a radiation source 4 with a spectral lamp 5 is placed, a resonator 6 with a cylindrical cavity for oscillations of type H ₀₁₁ , bounded by end walls 7 and 8 with openings 9 and 10 for emitting a lamp 5 from a source 4 with a microwave field exciter 11, a photodetector 12, and a cylindrical glass absorption cell 13 filled with alkali metal vapors, rubidium isotopes 85 and 87, located coaxially in the cavity of the resonator 6. Resonator bzhen dielectric coaxially disposed sleeve 14, which is placed inside the absorption cell 13. The dielectric sleeve 14 is attached to the inner surface by the end walls 8 with screws 15. The exciter of the microwave field 11 is made in the form of a communication loop mounted on the end wall 8 between the cylindrical wall of the cavity of the resonator 6 and the outer surface of the cell 13 in the recess 16 of the dielectric sleeve 14. The resonator 6 is provided also a heating coil 17, a temperature sensor 18 and a microwave cable 19 connected to the pathogen 11 of the microwave field.

Радиоспектроскоп работает следующим образом. Radio spectroscope works as follows.

При включении радиоспектроскопа поджигается разряд в спектральной лампе 5, излучение которой, проходя через ячейку полглощения 13, содержащую пары изотопов рубидия 85 и 87 и буферный газ, увеличивает населенность верхнего уровня (F 2) основного состояния атомов рубидия 87 за счет нижнего уровня (F 1), где F квантовое число полного момента количества движения. Вероятность перехода атомов рубидия 87 из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией под действием СВЧ-поля сигнала возбудителя 11 зависит от расстройки между частотами внешнего СВЧ-сигнала и атомного перехода. При совпадении частот вероятность перехода максимальна, максимально и поглощение света. По изменению интенсивности света, попадающего на фотодетектор 12, контролируется частота СВЧ-сигнала. When the radio spectroscope is turned on, the discharge in the spectral lamp 5 is ignited, the radiation of which, passing through the half absorption cell 13, containing pairs of rubidium isotopes 85 and 87 and a buffer gas, increases the population of the upper level (F 2) of the ground state of rubidium 87 atoms due to the lower level (F 1 ), where F is the quantum number of the total angular momentum. The probability of the transition of rubidium 87 atoms from a state with a higher energy to a state with a lower energy under the influence of the microwave field of the pathogen signal 11 depends on the detuning between the frequencies of the external microwave signal and the atomic transition. When the frequencies coincide, the transition probability is maximum, and the absorption of light is maximum. By changing the intensity of the light incident on the photodetector 12, the frequency of the microwave signal is controlled.

Стабильная температура резонатора 6 поддерживается выше температуры окружающей среды нагревательной обмоткой 17 и контролируется датчиком температуры 18. Экран 1 защищает ячейку поглощения 13 от внешних магнитных полей. Для увеличения точности радиоспектроскопа катушкой 2 создается слабое постоянное магнитное поле, величиной не более 0,1 Э. The stable temperature of the resonator 6 is maintained above the ambient temperature by the heating coil 17 and is controlled by the temperature sensor 18. Screen 1 protects the absorption cell 13 from external magnetic fields. To increase the accuracy of the radio spectroscope, coil 2 creates a weak constant magnetic field of no more than 0.1 Oe.

Максимальная чувствительность радиоспектроскопа обусловлена оптимальными размерами ячейки поглощения, находящейся в продольных составляющих магнитных компонент колебаний типа H₀₁₁.The maximum sensitivity of the radio spectroscope is due to the optimal dimensions of the absorption cell located in the longitudinal components of the magnetic components of the H ₀₁₁ type vibrations.

Объем резонатора данного изобретения примерно в 3 раза меньше объема резонатора прототипа [2] Это уменьшило габариты и вес радиоспектроскопа. The volume of the resonator of the present invention is approximately 3 times less than the volume of the resonator of the prototype [2] This reduced the size and weight of the radio spectroscope.

Источники информации
1. Патент США N 4 661 782, кл. H 03 L 7/26, H 01 P 7/06, H 01 S 1/06, кл. США 331/3, 331/94.1, 324/305, 333/230.Sources of information
1. US patent N 4 661 782, CL. H 03 L 7/26, H 01 P 7/06, H 01 S 1/06, class U.S. 331/3, 331 / 94.1, 324/305, 333/230.

2. Аппаратура для частотных и временных измерений. /Под ред. А.П.Горшкова, Советское радио, 1971, с. 60, 61. 2. Equipment for frequency and time measurements. / Ed. A.P. Gorshkova, Soviet Radio, 1971, p. 60, 61.

Claims

1. Радиоспектроскоп с ячейкой поглощения, содержащий магнитный экран, катушку для создания постоянного магнитного поля, термостат, внутри которого размещен источник излучения, резонатор с цилиндрической полостью для колебаний типа Н₀₁₁, ограниченный торцевыми стенками с отверстиями для излучения источника, с возбудителем СВЧ-поля, фотодетектором и цилиндрической стеклянной ячейкой, наполненной парами щелочного металла, расположенной соосно в полости резонатора, отличающийся тем, что наружная длина l ячейки составляет 0,53λ ≅ l ≅ 0,72λ, наружный диаметр d ячейки составляет 0,68λ ≅ d ≅ 0,8λ, при этом длина L цилиндрической полости резонатора меньше l + 0,07λ, где λ длина волны атомного перехода щелочного металла в вакууме.1. A radio spectroscope with an absorption cell, containing a magnetic screen, a coil for creating a constant magnetic field, a thermostat inside which a radiation source is placed, a resonator with a cylindrical cavity for oscillations of type H ₀₁₁ , bounded by end walls with holes for source radiation, with a microwave field exciter , a photodetector and a cylindrical glass cell filled with alkali metal vapor, located coaxially in the cavity of the resonator, characterized in that the outer length l of the cell is 0.53λ ≅ l ≅ 0.72λ, nar zhny cell diameter d is 0,68λ ≅ d ≅ 0,8λ, wherein the length L of the cylindrical cavity resonator smaller l + 0,07λ, where λ the wavelength of the atomic transition of the alkali metal in vacuo.

2. Радиоспектроскоп по п. 1, отличающийся тем, что резонатор снабжен соосно расположенной диэлектрической втулкой, внутри которой размещена ячейка поглощения, при этом длина втулки не превышает наружную длину ячейки. 2. The radiospectroscope according to claim 1, characterized in that the resonator is equipped with a coaxially located dielectric sleeve, within which an absorption cell is placed, while the length of the sleeve does not exceed the outer length of the cell.

3. Радиоспектроскоп по п. 2, отличающийся тем, что диэлектрическая втулка выполнена из полистирола и прикреплена к внутренней поверхности торцевой стенки. 3. The radio spectroscope according to claim 2, characterized in that the dielectric sleeve is made of polystyrene and is attached to the inner surface of the end wall.

4. Радиоспектроскоп по п. 2, отличающийся тем, что возбудитель СВЧ-поля выполнен в виде петли связи, установленной на торцевой стенке резонатора между цилиндрической стенкой полости резонатора и внешней поверхностью ячейки в выемке диэлектрической втулки. 4. The radio spectroscope according to claim 2, characterized in that the exciter of the microwave field is made in the form of a communication loop mounted on the end wall of the resonator between the cylindrical wall of the cavity of the resonator and the outer surface of the cell in the recess of the dielectric sleeve.

5. Радиоспектроскоп по п. 4, отличающийся тем, что ячейка расположена вплотную к торцевой стенке резонатора, на которой установлена петля связи. 5. The radio spectroscope according to claim 4, characterized in that the cell is located close to the end wall of the resonator, on which the communication loop is installed.