Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Амплитудные и частотные характеристики квантового водородного дискриминатора 14
1.1 Физические принципы работы пассивного водородного стандарта частоты 14
1.1.1 Квантовый водородный дискриминатор и стандарт частоты па его основе 15
1.1.2 Существующее решение уравнений квантового дискриминатора в приближении «стационарного режима».. 24
1.2 Исследование характеристик квантового дискриминатора в широком диапазоне мощности сигнала возбуждения 28
1.2.1 Верификация амплитудных характеристик, полученных в приближении «стационарного режима» 29
1.2.2 Экспериментальное исследование формы спектральной линии в зависимости от мощности сигнала возбуждения 31
1.2.3 Модель резонансного воздействия сильного поля на квантовый дискриминатор 35
1.2.4 Анализ сдвигов частоты квантового дискриминатора... 44
1.2.4.1 Затягивание частоты резонатором - нормальный и аномальный режимы 44
1.2.4.2 Зависимость от мощности сигнала возбуждения 49
1.3 Выводы 53
ГЛАВА 2 Оптимизация системы формирования пучка атомарного водорода 55
2.1 Исследование стабильности очистителя молекулярного водорода 56
2.1.1 Очиститель молекулярного водорода в составе квантового дискриминатора 56
2.1.2 Причины неидеальной проницаемости никелевых мембран 58
2.1.3 Квазиравновесная модель очистителя 60
2.1.4 Неравновесная модель очистителя 64
2.1.5 Усовершенствование технологии изготовления 68
2.2 Надежность источника атомарного водорода 70
2.2.1 Исследование поверхности разрядной колбы 71
2.2.2 Факторы физического разрушения разрядной колбы . 76
2.2.3 Физика плазмы ВЧ-разряда низкого давления 78
2.2.4 Электретный механизм деградации разрядной колбы . 82
2.3 Оптимизация магнитной сортирующей системы 84
2.4 Выводы 91
ГЛАВА 3 Исследование СВЧ-резонатора с помощью численного электродинамического моделирования 93
3.1 Возможности компьютерного моделирования 94
3.2 Изменение добротности СВЧ-резонатора при миниатюризации конструкции 95
3.3 Влияние перемещения накопительной колбы на изменение частоты СВЧ-резонатора 101
3.3.1 Изучение СВЧ-поля в резонаторе методом возмущений... 101
3.3.2 Сдвиг частоты резонатора в зависимости от параметров смещения колбы 103
3.4 Коэффициенты отражения и поглощения при передаче мощности через СВЧ-резонатор с потерями 106
3.4.1 Постановка задачи 106
3.4.2 Коэффициенты связи с резонатором - 108
3.4.3 Результаты моделирования резонатора с двумя разными петлями 111
3.5 Выводы 113
ГЛАВА 4 Исследование системы автоматической подстройки частоты СВЧ-резонатора 115
4.1 Точность настройки резонатора методом фазовой модуляции сигнала возбуждения 116
4.1.1 Искажение спектра сигнала возбуждения 118
4.1.2 Асимметрия резонансной кривой резонатора 121
4.1.3 Влияние длины СВЧ-кабелей связи с резонатором 126
4.2 Добротность цилиндрического СВЧ-резонатора при электронной перестройке его частоты 128
4.2.1 Модель однократного рассеяния от петли-антенны 129
4.2.2 Перестраиваемый рассеиватель — учет киральности петли 135
4.2.3 Особенность резонатора магнетронного типа 140
4.3 Выводы 141
ГЛАВА 5 Исследование нестабильности частоты выходного сигнала пассивного водородного стандарта частоты 143
5.1 Анализ кратковременной нестабильности частоты, обусловленной тепловыми шумами квантового дискриминатора и приемника 143
5.1.1 Общие принципы 143
5.1.2 Оптимизация коэффициентов связи резонатора с нагрузкой 146
5.2 Оценка кратковременной нестабильности частоты по отношению сигнал/шум на выходе селективного усилителя 149
5.2.1 Влияние времени накопления атомов водорода на нестабильность частоты 151
5.2.2 Нестабильность частоты в зависимости от мощности сигнала возбуждения 152
5.3 Анализ достижимой кратковременной нестабильности частоты и ее связь с миниатюризацией конструкции 155
5.4 Исследование долговременной нестабильности частоты 157
5.4.1 Температурная чувствительность стандарта частоты, обусловленная влиянием квантового дискриминатора 159
5.4.2 Фликкер-шум электронной перестройки частоты СВЧ-резонатора 165
5.4.3 Дрейф частоты выходного сигнала 169
5.5 Выводы 172
ГЛАВА 6 Практическая реализация малогабаритных квантовых дискриминаторов 174
6.1 Базовая конструкция 41-76 174
6.2 41-86, работающий в жестких условиях эксплуатации 175
6.3 Ч1-76А 176
6.4 41-91 178
6.5 Дискриминатор для стандарта частоты космического применения 180
6.6 Выводы 183
Заключение 184
- Существующее решение уравнений квантового дискриминатора в приближении «стационарного режима»..
- Факторы физического разрушения разрядной колбы
- Сдвиг частоты резонатора в зависимости от параметров смещения колбы
- Перестраиваемый рассеиватель — учет киральности петли
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время промышленные пассивные водородные стандарты частоты и времени (ПВСЧ) являются доступным источником высокостабильных, высокоточных, спектрально-чистых электрических сигналов. Среди всех промышленно выпускаемых стандартов частоты на временах измерения от 1 секунды до суток стабильность частоты его выходного сигнала уступает только водородному стандарту частоты активного типа (ВСЧ). Но от ВСЧ его выгодно отличает малая масса, уменьшенные габаритные размеры, а также возможность работы в жестких условиях, например в качестве транспортируемых часов и в космическом пространстве [1].
Работы над созданием стандарта частоты данного типа начались в 1976 г. и велись в нескольких научных центрах: в США под руководством Ф. Уоллса [2], в Швейцарии при участии Г. Буски [3]. Теория ПВСЧ развивалась в работах французского исследователя К. Одуана [4]. Большой вклад в развитие новой технологии внесли работы сотрудников ФГУП ННИПИ «Кварц» (Нижний Новгород), завершившиеся созданием в 1989 г. первого в мире промышленного ПВСЧ 41-76. Позже собственные модели промышленных ПВСЧ появились также у компаний ЗАО «Время-Ч» (Нижний Новгород), «OsciUoquartz» (Швейцария) и у совместного проекта обсерватории г. Невшатель (Швейцария) с фирмами «Galileo Avionica» (Италия) и «Temex Neuchatel Time» (Швейцария).
ПВСЧ применяются для решения целого круга научных и высокотехнологичных задач, таких как создание глобальных навигационных спутниковых систем («ГЛОНАСС», «GALILEO», «COMPASS»), определение параметров вращения Земли, синхронизации цифровых систем связи, геодезии. В качестве транспортируемых часов они входят в состав государственного эталона времени и частоты, а также служат в качестве образцовых средств измерения, применяемых для поверки других источников электрических сигналов.
У ПВСЧ узкую спектральную линию зондируют с помощью СВЧ-сигнала, используя ее в качестве квантового водородного дискриминатора (КВД) -усилителя с ярко выраженными селективными свойствами по частоте. Совершенствование ПВСЧ идёт по пути повышения метрологических и эксплутационных характеристик, а именно улучшения нестабильности и
- В это же время фирмой «Efratom Division» совместно с NIST (оба США) также был разработан промышленный ПВСЧ - модель СРНМ-100, но серийно он не выпускался.
уменьшения погрешности по частоте выходного сигнала при одновременном уменьшении габаритных размеров стандарта. Высокая стабильность частоты сигнала определяется стабильностью частоты излучения атома водорода при переходе его из одного квантовое состояния в другое, что обеспечивается стабильностью и необходимой величиной характеристик квантового дискриминатора. Погрешность стандарта по частоте связана с изменением свойств фторсодержащего полимера, которым покрыта внутренняя поверхность накопительной колбы КВД. Вклад КВД в температурную чувствительность стандарта и в погрешность воспроизведения частоты от включения к включению также значительна. Размеры стандарта определяются в первую очередь размерами СВЧ-резонатора, входящего в состав КВД. При уменьшении размера резонатора ухудшается его добротность и, как следствие, возрастает нестабильность частоты стандарта. Повышение метрологических характеристик при одновременной миниатюризации конструкции требует поиска дополнительных резервов сохранения добротности резонатора и оптимизации работы всех систем КВД.
Существующая теория квантового дискриминатора, базирующаяся на решении системы уравнений в приближении «стационарного режима» [4], не позволяет оптимизировать величину сигнала возбуждения КВД по критерию минимальной нестабильности частоты выходного сигнала. Это является следствием того, что принятое приближение предполагает использование «слабого» электромагнитного поля, не изменяющего характеристики квантовых состояний атома. Принятое приближение предполагает также стационарную разность населенностей между квантовыми уровнями, не зависящую от времени накопления атомов, что приводит к теоретическим результатам, лишь частично совпадающим с данными экспериментов. Для оптимизации величины сигнала возбуждения КВД требуются теоретические и экспериментальные исследования в данном направлении.
В ряде отраслей применения ПВСЧ особенно остро стоят вопросы надежности - требование большого времени безотказной работы и возможности функционирования в жестких условиях эксплуатации. Создание устойчивого к внешним воздействиям квантового дискриминатора является главным сдерживающим фактором при разработке малогабаритного и надежного ПВСЧ. Наиболее уязвимым узлом КВД является источник атомарного водорода, в котором в течение всего времени работы поддерживается ВЧ-разряд в водородной плазме низкого давления. Без всесторонних исследований
источника атомарного водорода и всей пучковой системы невозможно создать КВД, способный проработать 12 лет - требуемого срока безотказной работы ПВСЧ в условиях космического базирования.
Пристальное внимание, проявляемое к разработке новых ПВСЧ, подтверждается растущим числом публикаций по данной тематике в отечественной и мировой научной литературе.
Целью диссертационной работы является повышение основных метрологических и эксплуатационных характеристик ПВСЧ с помощью оптимизации конструкции и режимов работы квантового водородного дискриминатора, достигаемых на основе применения уточненных физико-математических моделей и тщательных экспериментов.
Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в следующем:
Впервые произведено исследование формы спектральной линии водорода 1420,405 МГц в широком диапазоне мощности сигнала возбуждения; обнаружено, что при большой мощности наблюдается расщепление спектральной линии, обусловленное динамическим эффектом Штарка-Зеемана.
Предложен метод, дополняющий приближение «стационарного режима» для решения системы уравнений квантового дискриминатора, позволяющий описать амплитудные характеристики КВД во всем диапазоне значений параметра насыщения линии.
Обнаружен аномальный режим затягивания частоты выходного сигнала ПВСЧ резонатором, при котором изменение частоты резонатора и изменение частоты ПВСЧ имеют разный знак; частным случаем аномального режима является отсутствие затягивания. Предложена модель появления аномального режима.
Впервые предложена модель температурной чувствительности ПВСЧ, обусловленной квантовым дискриминатором; экспериментально подтверждена ее достоверность. Выработанные рекомендации позволили в 2 раза уменьшить температурную чувствительность стандарта.
Обнаружен автоколебательный режим работы очистителя молекулярного водорода способный ухудшать нестабильность частоты выходного сигнала стандарта на интервалах времени 10 ...10 с, проведено аналитическое и экспериментальное исследование эффекта с целью устранения условий для автоколебаний.
Обнаружен и впервые смоделирован электретный механизм деградации разрядной колбы источника атомарного водорода, значительно уменьшающий время безотказной работы КВД. Выработаны рекомендации по уменьшению скорости деградации и увеличению срока службы разрядной колбы.
Впервые найдены аналитические зависимости для коэффициентов отражения и поглощения при передаче мощности через резонатор, выраженные через коэффициенты связи с резонатором (рассмотрен общий случай не равных коэффициентов связи). Данный подход также позволяет определять величину СВЧ-поля в резонаторе.
Впервые с помощью коэффициентов отражения и поглощения мощности на основе анализа нестабильности частоты, обусловленной тепловыми шумами квантового дискриминатора и приемника, проведена оптимизация коэффициентов связи с СВЧ-резонатором, результаты которой позволили на 20% улучшить кратковременную нестабильность частоты сигнала стандарта.
Впервые предложена антенная модель электронной перестройки частоты СВЧ-резонатора с помощью петли с варикапом, позволяющая объяснить изменение добротности резонатора при перестройке его частоты. Результаты исследования позволили увеличить точность АПЧ резонатора и уменьшить нестабильность частоты ВСЧ и ПВСЧ на длительных интервалах времени 103...105с.
Предложен вариант конструкции КВД для космического применения.
Основу исследования составляют методы математического и физического моделирования, с использованием аппаратов интегрального и дифференциального исчисления, спектрального анализа сигналов, электродинамики и теории систем автоматического регулирования.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждается:
Использованием проверенных численных методов, реализованных в пакетах компьютерных программ MathCad, Inprise Delphi, Microwave Studio, Stable.
Исследованием внутренней сходимости численных алгоритмов.
Применением достоверных экспериментальных методик и парка современных прецизионных приборов.
Сравнением результатов, полученных различными методами, экспериментальной проверкой теоретически полученных результатов.
Научно-практическая значимость работы заключается в выработке рекомендаций для создания и оптимизации конструкции малогабаритных КВД, позволивших разработать новые поколения ПВСЧ с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками: нестабильность частоты выходного сигнала уменьшилась в 4 раза, воспроизводимость частоты улучшилась в 2 раза, средняя наработка на отказ увеличилась в 10 раз, масса и объем стандарта уменьшились в 1,5 раза. Результаты диссертации использованы при создании пассивных водородных стандартов частоты и времени 41-86 в 1995 году, Ч1-76А в 2002 году и 41-91 в 2007 году, а также водородного стандарта частоты и времени активного типа Ч1-75А в 2004 году. Результаты исследований, в которых автор диссертационной работы принимал непосредственное участие, изложены также в отчетах научно-исследовательских работ и пояснительных записках опытно-конструкторских работ, проводимых во ФГУП ННИПИ «Кварц» по темам «Квант», «Чистик-95», «Челнок», «Челнок-2», «Гармония-Ч» и «БСУ - ВСЧ-К ».
Апробация работы и публикации.
Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на XXIX научно-технической конференции «Метрологическое обеспечение обороны и безопасности в Российской Федерации» (Мытищи, 2004); IX и XIII Научных конференциях по радиофизике (Нижний Новгород, ННГУ, 2005 и 2009); Всероссийской научно-технической конференции «РСДБ-2012 для астрометрии, геодинамики и астрофизики» (Санкт-Петербург, 2006), Международной научно-технической конференции «Информационные системы и технологии» (Нижний Новгород, НГТУ, 2005, 2006, 2007 и 2009).
По материалам диссертации опубликовано 18 работ, в том числе 3 статьи в реферируемых журналах, включенных в перечень, рекомендованный ВАК. Положения и результаты, выносимые на защиту.
Метод расчета амплитудных характеристик малогабаритного КВД, сочетающий приближения «стационарного режима» и «заданного поля».
Результаты экспериментального исследования, показавшего, что при большой мощности сигнала возбуждения наблюдается расщепление спектральной линии.
Обнаруженный аномальный режим затягивания частоты выходного сигнала ПВСЧ резонатором.
Результаты исследования вклада КВД в температурную чувствительность ПВСЧ, рекомендации по уменьшению чувствительности.
Результаты аналитического решения и экспериментального исследования задачи водородопроницаемости для очистителя молекулярного водорода, рекомендации по усовершенствованию технологии изготовления очистителей.
Модель электретного механизма деградации разрядной колбы источника атомарного водорода, рекомендации по уменьшению скорости деградации.
Антенную модель электронной перестройки частоты и изменения добротности СВЧ-резонатора для расположенной в резонаторе петли с варикапом.
Метод расчета малых коэффициентов связи с резонатором, соединенным петлями связи с линиями передачи; аналитические формулы для коэффициентов отражения и поглощения мощности в резонаторе.
Структура и объем диссертации
Существующее решение уравнений квантового дискриминатора в приближении «стационарного режима»..
Квантовый водородный, дискриминатор является одним из видов; реализации водородного!мазера [18, 19]; В KBДіиспользуется магнито-дипольный переход между подуровнями сверхтонкой; структуры»основного состояния? атома водорода;- которая возникает в результате взаимодействия;; спина; электрона; и спина1 ядра /Г Полный вращательный; момент атома F в результате сложения; спинов-, может принимать значения 0 и 1. Как; показано на рис. 1.1, в присутствии постоянного внешнего магнитного поля верхний уровень с F-X расщепляется ша 2 + 1 = 3: зеемановских сверхтонких подуровня! Сверхтонкая структура описывается квантовыми числами mF, которые соответствуют различным проекциям F на направление внешнего магнитного поля. попадают в разрядную колбу, в которой поджигается высокочастотный безэлектродный разряд, приводящий к диссоциации молекул.
Атомы водорода, полученные в ВЧ разряде, формируются в пучок многоканальным, коллиматором. Атомы в состояниях [F = l,m, =-l] и [F = 0,mF=o] удаляются из пучка с помощью сортирующего магнита.
Далее атомы водорода направляются в накопительную колбу, помещенную в объемный СВЧ-резонатор, настроенный на частоту перехода. Внутренняя поверхность накопительной колбы покрывается специальным инертным материалом, позволяющим минимизировать возмущение волновой функции атома при соударениях со стенкой колбы. В области взаимодействия создается постоянное слабое магнитное поле высокой степени однородности. Для возбуждения индуцированного перехода необходимо, чтобы постоянное Hz(r поле было параллельно СВЧ-магнитной компоненте Н моды резонатора. При этом вероятность перехода имеет резонансный характер и выражается формулой [4,21]: Слабое СВЧ-поле не изменяет состояния, атома и, лишь индуцирует переход между состояниями. Индуцированный переход [F = 1, mF = о] — [F = О, mF = О] в атоме водорода может быть вызван- полем, создаваемом внешними источниками, а также являться результатом излучения других атомов водорода в накопительной колбе. В потоке в накопительную колбу атомы в возбужденном состоянии [F = Г,mF = О], значительно превышают поток атомов с низкой, энергией в? состоянии [F = Q,mF=o]. Это значит, что атомный пучок привносит в резонансную область дополнительную энергию. Если выполнены условия резонанса, то согласно формуле (1.3) вероятность перехода значительно увеличивается, ъь спонтанное излучение атомного ансамбля перерастает в когерентное индуцированное излучение. В КВГ энергия излучения достаточна для того, чтобы скомпенсировать потери врезонаторе. В этом случае КВГ способен поддерживать незатухающие автоколебания и генерировать слабый {та 10 Вт) выходной сигнал. Через определенный промежуток времени, называемый временем накопления, атомы водорода покидают накопительную колбу и откачиваются вакуумным насосом. В КВД в результате уменьшения размера резонатора ухудшается добротность последнего, и условия самовозбуждения не выполняются. Но при подаче внешнего сигнала возбуждения двухуровневая квантовая система КВД ведёт себя как усилитель с ярко выраженными селективными свойствами по частоте. Ширина спектральной линии перехода или обратная величина (добротность линии Q4) являются одними из основных характеристик КВД. Рассмотрим основные релаксационные процессы, происходящие с атомами в накопительной колбе в случае слабого2 сигнала возбуждения, и проведём анализ влияния этих процессов на величину добротности спектральной линии О, в контексте уменьшения геометрических размеров КВД. Время жизни атома водорода в возбужденном состоянии описывается с помощью характерных времен релаксации Г; и Т2. Продольное время релаксации 7J характеризует время, в течение которого квантовая система переходит из возмущённого состояния, в состояние энергетического равновесия с окружающей средой. Поперечное время релаксации Т2 характеризует потерю когерентности между осциллирующим магнитным моментом атома и СВЧ-полем резонатора и определяет добротность линии излучения. При малой величине сигнала возбуждения можно считать, что С?л = я /, Т2 [8]. Тст - время релаксации из-за взаимодействия атомов со стенками накопительной колбы. Атом водорода обладает малой массой и низкой электрической поляризуемостью. Эти свойства, а также применение фторсодержащих полимеров способствует уменьшению возмущений волновой функции атома при соударениях со стенкой колбы [8, 17]. Общее возмущение состояния атома пропорционально количеству столкновений: где V - средняя скорость атомов, / - средняя длина пробега между столкновениями. Для колбы произвольной формы с площадью стенок SK средняя длина пробегов между столкновениями I = 4-VK/SK . Для шарообразных колб / пропорционален радиусу колбы. Как показано в главе 4, в малогабаритных КВД целесообразно применять накопительные колбы вытянутой цилиндрической формы. Но при равном объеме площадь стенок цилиндрической колбы больше, чем шарообразной. Данное обстоятельство еще несколько увеличивает NCT Применяемый в настоящие время фторопласт Ф-4мд является продуктом полимеризации тетрафторэтилена, а Ф-10 — сополимером тетрафторэтилена с перфторметилвиниловым эфиром. Покрытия из фторопласта Ф-4мд или Ф-10 чрезвычайно слабо взаимодействуют с атомарным водородом. Оценки показывают, что для цилиндрической колбы длинной 165 мм и диаметром 60 мм (VK 400 см3) можно считать Тстк\ с, что соответствует О, =4,5x109. Данный релаксационный процесс не является определяющим в малогабаритных КВД, однако даже незначительные дефекты покрытия или его загрязнение могут существенно влиять на величину 2Л [17]. В этой связи особую важность имеет чистота элементов- конструкции, а также технология создания вакуумаї Тсо - вклад в- ширину спектральной линии, связанный- со спин-обменными процессами, происходящими при столкновении атомов водорода друг с другом; [22, 23]. Для этого процесса время релаксации задаётся выражением: где п =N/VK - концентрация атомов в колбе; VK - объём накопительной колбы; N — количество атомов в колбе; сгсо— сечение спин-обменных столкновений; Vr =42V =4{кТInmf12- средняя относительная скорость атомов [24]. При Г=323 К Vr =3,6-10" м/сек. Формула (1.6) показывает, что при уменьшении VK будет наблюдаться уменьшение Тсо, а следовательно и добротность линии: Отсюда следует вывод о том, что при миниатюризации .резонатора следует по возможности сохранять максимальный VK. Зависимость Тс0 от концентрации атомов в колбе делает данный вид релаксации одним из основных механизмов изменения Q, в малогабаритных КВД.
Факторы физического разрушения разрядной колбы
При слабом сигнале, возбуждения; расстояние от вершины сателлитов ; до центрального пика мало по сравнению с шириной- центральной, линии, поэтому сателлиты не наблюдаются. Расщепление линии должно приводить к изменению заселенности уровней, вследствие того, что часть атомов «переходит» во вновь образованные уровни, и сопровождаться; уменьшением высоты центрального пика. Очевидно, что регистрируемое расщепление линий произойдет, когда; частота Раби превысит половину ширины линии, что в свою очередь зависит от величины сигнала. возбуждения и интенсивности потока атомов. Перед, регистрируемым расщеплением наложение трех линий должно приводить к появлению плоской (не лоренцевской) формы вершины линии.
Отметим, что форме расщепленной спектральной линии КВД при сильном сигнале возбуждения на рисунках Ш2 и 1.14 присуща очевидная асимметрия: Как показано в работах [43, 44] причиной асимметрии служит столкновительный механизм дефазировки взаимодействия атома- с полем: Учет.либо скачкообразного [45, 46], либо постепенного, «диффузионного» [43] изменения состояния атома под действием соударений ведет к увеличению квантового шума в системе. Возникает новая система «атом+поле+столкновительный шум». При существенности столкновительного шума вместо энергообмена в системе «атом+поле» возникает возможность перехода кванта энергии от атома к шумовой подсистеме. СПМ квантового дефазирующего шума в отличие от классического шума является принципиально несимметричной и увеличена в области отрицательных частот [47]. Это приводит к тому, что в условиях существенности столкновительной дефазировки квантовой системы левый сателлит становится больше правого [43,44].
С точки зрения квантовой механики частота Раби равна частоте, с которой двухуровневая система при воздействии резонансного поля переходит из одного состояния в другое [28]. Сравнение данных на рис. 1.9 и 1.12 показывает, что уменьшение мощности излучения и начало регистрируемого расщепления линии происходят при близкой мощности сигнала возбуждения. Можно высказать предположение, что расщепление линии и рассмотренное ранее уменьшение мощности излучения при увеличении сигнала возбуждения являются разными проявлениями одного и того же физического процесса. Можно также предположить, что динамический эффект Штарка - Зеемана должен быть характерен для всех стандартов частоты пассивного типа. Его присутствием, например, можно попытаться объяснить наличие некоторых эффектов в пассивных рубидиевых стандартах частоты5. Аналогом расщепления спектральных линий атома в радиотехнических сигналах является спектр амплитудно-модулированного сигнала. Энергообмен в двухуровневой системе «атом+поле» приводит к амплитудной модуляции общего поля, а спектр амплитудно-модулированного сигнала является трехкомпонентным [31]. Чтобы уточнить существующую теорию ПВСЧ, нужно учесть, что в КВД большую роль играет конечное время накопления атомов в колбе, сравнимое с временами релаксации системы, а также величина сигнала возбуждения, определяющая вероятность перехода атома между уровнями. Необходимо переосмыслить параметр возбуждения применительно к работе малогабаритного KB Д. Напомним, что параметр возбуждения показывает, насколько квантовый дискриминатор близок к» порогу самовозбуждения. Он введен следующим образом: В этом случае а пропорционален интенсивности потока водорода в накопительную колбу. Но мощность излучения атомов водорода должна зависеть не от общего количества атомов, а. от количества атомов, успевших за время пребывания- в накопительной колбе отдать квант энергии. Мерой энергии, запасённой в двухуровневой среде, является- разность населенностей атомов AN0 на верхнем и нижнем энергетическом уровнях перед началом действия индуцирующего поля. Соответственно мерой неизрасходованной энергии является разность населенностей оставшаяся после покидания атомами накопительной колбы, то есть через промежуток времени равный времени накопления Тк. Следовательно, энергия, отданная ансамблем атомов, пропорциональна изменению разности населенностей уровней6. В области далёкой от порога возбуждения» (случай малогабаритного ПВСЧ с низкодобротным резонатором) тот факт, что ансамбль атомов- находится в самосогласованном поле, уже не является определяющим. Можно воспользоваться приближением «заданного внешнего поля». Это означает, что можно пренебречь обратным влиянием излучения ансамбля атомов на величину индуцирующего поля. Вначале рассмотрим простую модель. Воспользуемся кинетическим уравнением, составленным лишь для разности населенностей. В случае двухуровневой системы для частиц со спином S-1/2, находящихся в резонаторе в поле гармонического возмущения с близкой частотой со соп и амплитудой Н, кинетическое уравнение для разности населенностей уровней в соответствии с [20, 28, 49] принимает следующий вид7: где AN - разность населенностей уровней единичного объема газа, а12 - вероятность индуцированного перехода между уровнями. Первый член правой части отрицателен. Он описывает уменьшение разности населенностей, обусловленное взаимодействием с полем: Множитель 2 показывает, что при переходе одного атома с верхнего уровня на нижний разность населенностей изменяется-на два. Второй член со знаком «минус» определяет., уменьшение разности населенностей за счет релаксационных процессов. Существует также источник существования разности- населённости за счёт поступающего потока атомов. Этот источник учитывается третьимt членом правой части выражения (1.29). В отсутствии сигнала возбуждения- {аи =0) ансамбль атомов релаксирует к стационарному значению ANe с постоянной времени Г/. Данное уравнение первого порядка, разрешённое относительно производной. Оно легко интегрируется. Если ввести условие, согласно которому в начальный момент времени t разность населенностей была AN0, то решением уравнения будет выражение следующего вида: Вероятность индуцированного перехода между уровнями определяется формулой (1.3). Анализ решения показывает, что AN(t) вначале уменьшается, но с некоторого момента времени начинает расти.
Сдвиг частоты резонатора в зависимости от параметров смещения колбы
Проведена верификация аналитических амплитудно-частотных характеристик, полученных при решении уравнений квантового водородного дискриминатора в приближении «стационарного режима», путем сравнения с экспериментальными данными. Показано, что в случае малогабаритного КВД с низкодобротным резонатором данное решение удовлетворительно описывает экспериментальные данные лишь в диапазоне 0,2 S0 2 значений параметра насыщения линии, в частности не объясняет зарегистрированное уменьшение мощности излучения спектральной линии при сильном сигнале возбуждения. 2. Предложен вариант обобщенного решения, в котором коэффициент усиления определен в приближении «стационарного режима», а параметр возбуждения найден на основе приближения «заданного поля». Показано, что в этом случае аналитические амплитудные характеристики соответствуют экспериментальным данным во всем диапазоне значений параметра насыщения линии. 3. Проведено экспериментальное исследование формы и ширины спектральной линии водорода, показавшее неизвестный ранее результат - при Рвх -70 дБм наблюдается расщепление линии на три составляющие. Обнаружен дополнительный механизм уширения линии. Вследствие того, что спектральная линия является суперпозицией трех неразрешенных линий, возникает неоднородное уширение, зависящее от мощности сигнала. Обнаруженное явление идентифицировано с динамическим эффектом Штарка-Зеемана, при котором боковые сателлиты отстраиваются от центрального пика на величину частоты Раби bR = /лБН/к. 4. Высказано предположение, что расщепление линии и рассмотренное ранее уменьшение мощности излучения при увеличении сигнала возбуждения в области S0 2 являются разными проявлениями одного и того же физического процесса и должно быть характерно для всех пассивных стандартов частоты. 5. Проведено исследование и анализ сдвигов спектральной линии малогабаритного КВД. Обнаружен аномальный режим затягивания частоты выходного сигнала ПВСЧ резонатором, при котором изменение частоты резонатора и изменение частоты ПВСЧ имеют разный знак. Предложена модель аномального затягивания. Получено выражение для зависимости сдвига частоты линии от мощности сигнала возбуждения. Дальнейшее повышение стабильности водородных стандартов частоты, и времени, особенно в долговременной области, сталкивается с трудностью стабилизации, различных параметров. В соответствии с формулой (1.44) в ПВСЧ существует сдвиг частоты выходного сигнала стандарта, зависящий от интенсивности потока атомарного водорода. Оценка показывает, что для выполнения» требования 4/7/ 5-10 15 интенсивность потока необходимо поддерживать с точностью 1 %.
Для регулируемого, селективного поступления водорода в систему служит очиститель молекулярного водорода. От правильного функционирования системы напуска водорода зависит целостность, чистота вакуумной системы прибора и, в конечном итоге, стабильность потока атомарного водорода. Сложность стабилизации потока,водорода связана с возможностью возникновения автоколебательного режима работы очистителя, которая в свою очередь определяется значительным (десятки секунд) временем запаздывания между изменением нагрева спирали очистителя и изменением величины потока. В» этом случае возмущающим фактором может выступать вариация внешней температуры. В литературе данный вопрос ранее не рассматривался.
Атомарный водород в КВД и КВГ получается диссоциацией молекулярного водорода в высокочастотном разряде. Несмотря на то, что на протяжении нескольких десятилетий теории источника атомарного водорода уделялось повышенное внимание [61, 62, 63, 64, 65], требование создания сверхнадежного источника со сроком службы 12 лет выдвигает ряд специфичных задач. Необходимо определить факторы медленной деградации разрядной колбы и оптимизировать параметры функционирования источника.
Численный расчет сортирующей системы вызван тем обстоятельством, что множество работ в этой области [53, 66, 67] посвящено шестиполюсным магнитным системам. Но экспериментально доказано [13], что в случае короткофокусных систем более эффективними являются магниты четырехполюсной конфигурации. Оптимизация магнитной сортирующей системы позволяет увеличить коэффициент использования пучка - и таким образом/ улучшить амплитудные характеристики KB Д; уменьшить нагрузку на очиститель, насосы и источник атомарного водорода:
Перестраиваемый рассеиватель — учет киральности петли
Как уже отмечалось, кроме непосредственного разрушения кварцевого стекла, описываемые механизмы приводят также к образованию зарядовых состояний поверхности дна колбы. Например, при кристаллизации появляется деформация структуры стекла и связанные с ней механические напряжения. Трещины являются областями со связанным зарядом. При плазмохимическом травлении кварца рвутся молекулярные связи в кислородных тетраэдрах. Как показывают результаты исследований, кремний осаждённый на боковую поверхность разрядной колбы, легирован примесями, содержащимися в стекле, и продуктами вакуумной системы. Это уже полупроводник со слоем SiO в глубине. Согласно данным работы [102] в таких системах различают несколько типов заряда с различными свойствами: поверхностный заряд; заряд ловушек, локализованных в объеме; положительный подвижный ионный заряд; положительный фиксированный заряд в моноокисле.
Таким образом, поработавшая ранее разрядная колба ещё до возбуждения в ней разряда является положительно заряженным электретом. Будем считать, что по отношению к образованию статического заряда оба механизма деградации равноправны, и при найденных скоростях деградации за 10 лет они приводят к образованию постоянного электрического поля =40 В/см. Данное поле согласно формуле (2.28) и рис.2.13 перестаёт удовлетворять условиям зажигания разряда при высокочастотной компоненте электрического поля Е 330 В/см. Тогда диссоциатор заканчивает свой срок службы. Так как по отношению к образованию статического заряда оба механизма равноправны, функцию деградации можно представить в виде [103]: где G0 - нормировочный коэффициент. Скорость деградации поверхности определяется несколькими основными характеристиками: давлением в колбе, геометрическими размерами колбы и величиной поля, возбуждающего разряд. Будем считать, что срок службы 10 лет, соответствующий =40 В/см, определён при следующих параметрах работы диссоциатора: 1н=10 [ат-с"1] , 7=500 С, р=0,05 мм.рт.ст, =330 В/см, /=120 МГц. Решая совместно уравнения (2.28) - (2.33), найдём зависимость между сроком службы и параметрами диссоциатора. Результаты моделирования электретного механизма деградации диссоциатора представлены на рис.2.14 и 2.15. На рис.2.14. показана зависимость срока службы диссоциатора от величины высокочастотной компоненты электрического поля при разных давлениях водорода. Легко видеть, что у кривой срока- службы существует максимум, величина и положение которого зависят, от давления водорода и создаваемой напряжённости электрического поля. Из сравнения; хода кривых видно, что повышение давления приводит к смещению оптимальной величины,поля«в сторону уменьшения и делает оптимум более резко выраженным. На рис.2.15 показана, зависимость срока службы диссоциатора от величины высокочастотной компоненты электрического поля при? фиксированном давлении, но при разных размерах разрядных колб. Анализ зависимостей позволяет сделать вывод о том, что использование увеличенных разрядных колб увеличивает срок их службы и позволяет работать при меньших амплитудах ВЧ-поля. Магнитная сортирующая система осуществляет селекцию атомов водорода по квантовым состояниям. Она рассчитана таким образом, чтобы атомы в состояниях [F \,mF =0] и [F = l,mF =l] попадали на входную диафрагму накопительной колбы, а атомы в состояниях [F = \,mF =-l] и [F = 0,mF =о] отсортировывались. На рис.2.16 представлено схематичное изображение пучковой системы водородного мазера. Атомы водорода, полученные в разрядной колбе, формируются в пучок многоканальным стеклянным коллиматором (диаметр отверстия канала 15 мкм). Далее они сортируются в неоднородном магнитном поле большой напряженности, создаваемом между полюсными наконечниками магнитов из кобальто-никелевого сплава ЮН15ДК25БА. поток молекулярного водорода. Очевидно, что коэффициент использования пучка будет максимальным в том случае, когда сортирующая система позволяет увеличить угол захвата атомов, и когда наиболее вероятная скорость атомов в пучке согласуется с оптимальным для селектора интервалом скоростей. Дополнительная возможность увеличения коэффициента использования пучка кроется в выборе оптимального размера входного отверстия диафрагмы накопительной колбы.
Чтобы система работала эффективно необходимо знать распределение скоростей атомов покидающих коллиматор. Изучению данного вопроса было посвящено несколько исследований. Выяснено, что температура атомов водорода в центре диссоциатора 700-1000 К [94], но ближе к стенкам колбы она падает и в пучке составляет около 500 К [105]. Распределение скоростей атомов ближе к гауссовскому, наиболее вероятная скорость в пучке составляет 3,7-103 м/сек. На рис. 2.17 представлено нормированное распределение скоростей на выходе из коллиматора в зависимости от давления в колбе источника атомарного водорода, полученное по данным работ [105, 106].
Представляемый способ позволяет решить задачу сортировки методом численного моделирования траекторий полета атомов. Используя тот факт, что в пучке у атомов водорода продольная скорость намного больше поперечной, можно разделить переменные. Будем считать, что в цилиндрической системе координат начальная скорость атомов имеет две составляющие.
