Радиоспектроскоп на газовой ячейке

 

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано в квантовых стандартах частоты на газовой ячейке. Цель изобретения - повышение чувствительности. Радиоспектроскоп на газовой ячейке содержит магнитный экран, катушку для создания магнитного поля, теплоизолирующую камеру, внутри которой размещены спектральная лампа, ячейки-фильтр и резонатор с нагревателем, датчиком температуры, фотодетектором и газовой ячейкой. В резонатор введены две металлические пластины, газовая ячейка установлена в резонаторе между двумя металлическими пластинами в тепловом контакте с последними. СВЧ-диод размещен между одной из пластин и поверхностью резонатора, причем расстояние между ними не менее 3 мм. Газовая ячейка имеет объем 0,8-1,2 см³ выполнена из щелочеустойчивого стекла и наполнена рубидием в количестве 0,005-0,02 мг. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано в квантовых стандартах частоты на газовой ячейке. Цель изобретения повышение чувствительности. На чертеже изображен радиоспектроскоп на газовой ячейке, разрез. Радиоспектроскоп содержит магнитный экран 1, катушку для создания постоянного магнитного поля 2, теплоизолирующую камеру 3, внутри которой размещены спектральная лампа 4, ячейка-фильтр 5 и резонатор 6 с нагревателем 7, датчиком температуры 8, фотодетектором 9 и СВЧ-диодом, размещенным между одной из металлических пластин 10 и поверхностью резонатора 6. В резонатор 6 введены две металлические пластины 10, между которыми в тепловом контакте размещена газовая ячейка 11. Введение металлических пластин в резонатор, в контакте с которыми расположена газовая ячейка, позволяет уменьшить размеры ячейки. Толщина пластин не менее 2 мм, а расстояние между пластиной и поверхностью резонатора не менее 3 мм определены экспериментально, так как уменьшение или увеличение указанных величин не позволяет получить требуемую частоту резонатора, причем объем ячейки выбран равным 0,8-1,2 см³, так как экспериментально установлено, что при меньших объемах снижается чувствительность устройства, а при увеличении объема становится сложным изготовить из высокотемпературного щелочеустойчивого стекла колбу газовой ячейки заданных размеров. Пределы по количеству металла 0,005-0,02 мг определены экспериментально и обусловлены тем, что при количестве металла до 0,005 мг у ячеек недостаточный срок службы, при большем 0,02 мг становится заметной миграция металла, что увеличивает шумы и, следовательно, снижает чувствительность. Столь жесткие требования к количеству металла обусловливает необходимость использования способа дозирования и контроля металла, что, в свою очередь, требует применения высокотемпературного щелочеустойчивого стекла. П р и м е р. Радиоспектроскоп содержит спектральную лампу 4, наполненную рубидием 87 и буферным газом криптоном, ячейку-фильтр 5, наполненную рубидием 85 и буферным газом аргоном, газовую ячейку 11, изготовленную из высокотемпературного щелочеустойчивого стекла С51-1, наполненную рубидием 87 в количестве 0,005-0,02 мг и смесью буферных газов (аргон+азот). Газовая ячейка 11 имеет объем 1 см³ и размещена в резонаторе с металлическими пластинами, изготовленном из алюминия. Пластины толщиной 3 мм введены на расстоянии 1,2 см, зазоры между пластинами и поверхностью резонатора 3 мм, что обеспечивает достижение требуемой частоты 6,835 ГГц при объеме внутренней полости резонатора 4 см³, что более чем в 10 раз меньше резонатора, используемого в прототипе. Радиоспектроскоп работает следующим образом. При включении поджигается разряд в спектральной лампе 4, излучение которой, проходя через ячейку-фильтр 5, обеспечивает накачку атомов рубидия в газовой ячейке 11, и фотодетектор 9 регистрирует сигнал, характеризующий, взаимодействие накаченных атомов с СВЧ-полем, возбуждаемым в резонаторе 7 с помощью СВЧ-диода, размещенного между одной из пластин 10 и поверхностью резонатора 6. При совпадении частоты перехода F 2, m_F 0 ←_→ F 1, m_F 0 основного состояния атомов ⁸⁷Rb с частотой СВЧ-поля интенсивностью излучения, попадающего на фотодетектор, минимальна. Таким образом, в радиоспектроскопе формируется сигнал радиоспектроскопического резонанса. Для получения наибольшего сигнала газовая ячейка разогревается с помощью нагревателя 7 до температуры 70^оС, которая контролируется датчиком температуры 8. Магнитный экран 1 и постоянное магнитное поле 2 служат для выделения магнитного независимого рабочего перехода F 2m_F 0 ←_→ F 1m_F 0 основного состояния атомов ⁸⁷Rb. При изменении частоты СВЧ-поля по отношению к частоте атомного расщепления интенсивность света, регистрируемая фотодетектором, меняется и это изменение используется для подстройки частоты СВЧ-поля. Благодаря уменьшенным размерам газовой ячейки область формирования сигнала радиооптического резонатора находится в более однородном магнитном и СВЧ-полях, что повышает чувствительность радиоспектроскопа. Кроме того, в предлагаемой конструкции радиоспектроскопа уменьшается время выхода в режим, которое определяется длительностью прогрева, обеспечивающей установление оптимального давления паров ⁸⁷Rb в ячейке. Уменьшение размеров и массы газовой ячейки должно ускорить выход в режим. Однако в прототипе при этом возрастает тепловое сопротивление между стенками резонатора, поверхность которого поддерживается при определенной температуре, и поверхностью баллона ячейки, и уменьшение габаритов ячейки не приводит к уменьшению времени выхода в режим. В предлагаемой же конструкции введение в резонатор металлических пластин, в тепловом контакте с которыми располагается газовая ячейка, благодаря высокой теплопроводимости металла позволяет резко ускорить разогрев газовой ячейки с одной стороны, и уменьшить размеры ячейки с другой стороны, что в свою очередь также приводит к уменьшению времени разогрева узла ячейки резонатор, т.е. к уменьшению времени выхода в режим. Уменьшение времени выхода в режим приводит к повышению чувствительности, так как при использовании в реальных системах, в которых требуется время выхода в режим 15 мин, радиоспектроскоп предлагаемой конструкции (с ускоренным выходом в режим) через 15 мин выходит в режим более высокой ( ≈ на 1 порядок) стабильности. Таким образом, чувствительность у него будет выше, чем у известных радиоспектроскопов. При наличии механических воздействий, например вибраций в диапазоне частот 5-300 Гц, чувствительность известного радиоспектроскопа снижается из-за колебаний интенсивности света вследствие вибраций штыря возбуждения. Предлагаемая же конструкция, в которой устройство возбуждения образовано СВЧ-диодом, размещенным между пластиной и поверхностью резонатора, не чувствительна к вибрациям, что также повышает чувствительность радиоспектроскопа. Напуск строго определенного количества металла 0,005-0,02 мг и использование высокотемпературного щелочеустойчивого стекла для газовой ячейки позволяет уменьшить миграции металла по баллону газовой ячейки, что уменьшает уровень шумов, определяющий чувствительность радиоспектроскопа, тем самым ее повышая.

Формула изобретения

1. РАДИОСПЕКТРОСКОП НА ГАЗОВОЙ ЯЧЕЙКЕ, содержащий магнитный экран, катушку для создания постоянного однородного магнитного поля, теплоизолирующую камеру, внутри которой размещены спектральная лампа, ячейка-фильтр и резонатор с СВЧ-диодом, нагревателем, датчиком температуры, фотодектором и газовой ячейкой, наполненной парами рубидия и буферным газом, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности, в резонатор введены две металлические пластины толщиной не менее 2 мм, установленные в электрическом контакте с ним, газовая ячейка установлена между двумя металлическими пластинами в тепловом контакте с ними, а СВЧ-диод размещен между одной из пластин и поверхностью резонатора, причем расстояние между каждой пластиной и поверхностью резонатора не менее 3 мм. 2. Радиоспектроскоп по п.1, отличающийся тем, что ячейка имеет объем 0,8 1,2 см³, выполнена из щелочеустойчивого высокотемпературного стекла и наполнена рубидием в количестве 0,005 0,02 мг.

РИСУНКИ

Рисунок 1