Атомно-лучевой стандарт частоты

Атомно-лучевой стандарт частоты

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Заявляемое изобретение относится к технике стабилизации частоты и может быть использовано в квантовых стандартах частоты пассивного типа с квантовыми дискриминаторами на основе атомно-лучевых трубок с лазерной накачкой и лазерным детектированием пучка рабочих атомов.

Принцип работы атомно-лучевого стандарта частоты основан на стабилизации частоты подстраиваемого кварцевого генератора относительно резонансной частоты спектральной линии, соответствующей определенному квантовому переходу, реализуемому в атомном пучке рабочего вещества атомно-лучевой трубки, выполняющей функцию квантового дискриминатора, см., например, [1] - А.И Пихтелев, А.А.Ульянов, Б.П.Фатеев и др. Стандарты частоты и времени на основе квантовых генераторов и дискриминаторов. // М., Сов. радио, 1978, с.5.

Обобщенная структурная схема атомно-лучевого стандарта частоты содержит последовательно соединенные в замкнутое кольцо автоматической подстройки частоты подстраиваемый кварцевый генератор, блок формирования сигнала радиочастотного возбуждения, квантовый дискриминатор (в рассматриваемом случае квантовый дискриминатор на основе атомно-лучевой трубки) и блок автоматической подстройки частоты, служащий для формирования управляющего напряжения для подстраиваемого кварцевого генератора, а также блок формирования опорных сигналов, связанный своими выходами с соответствующими входами блока формирования сигнала радиочастотного возбуждения и блока автоматической подстройки частоты, а входом - с выходом подстраиваемого кварцевого генератора, см., например, патент РФ [2] - RU 2220499 С2, H03L 7/16, Н01S 3/10, 27.12 2003. Блок формирования сигнала радиочастотного возбуждения формирует на основе выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора (гармонического сигнала с частотой f₁) и модулирующего выходного сигнала блока формирования опорных частот модулированный по фазе (частоте) СВЧ-сигнал радиочастотного возбуждения, номинальное значение несущей частоты f₂ которого соответствует вершине контура спектральной линии атомно-лучевой трубки (контур линии Рамзея или Раби), определяемой резонансной частотой f₀ контура спектральной линии взаимодействия рабочего вещества атомного пучка с сигналом радиочастотного возбуждения. Частота f₀ стабильна и поэтому используется в качестве эталона для подстройки частоты подстраиваемого кварцевого генератора. На выходе атомно-лучевой трубки (на выходе квантового дискриминатора) формируется сигнал, несущий информацию об отклонении текущего значения частоты f₂ от частоты f₀. Блок автоматической подстройки частоты на основе выходного сигнала атомно-лучевой трубки и выходного сигнала блока формирования опорных сигналов формирует, например, путем синхронного детектирования сигнал ошибки, а затем путем интегрирования сигнала ошибки формирует управляющее напряжение для подстраиваемого кварцевого генератора. Под действием управляющего напряжения частота f₁ выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора и связанная с ней несущая частота f₂ сигнала радиочастотного возбуждения изменяются в сторону уменьшения сигнала ошибки, осуществляя тем самым стабилизацию частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора относительно частоты f₀.

Среди атомно-лучевых стандартов частоты традиционной конструкции известен атомно-лучевой стандарт частоты, представленный в патенте США [3] - US 4943955, H03L 7/26, 24.07.1990. Структурная схема этого атомно-лучевого стандарта частоты содержит последовательно соединенные в замкнутое кольцо автоматической подстройки частоты подстраиваемый кварцевый генератор, блок формирования сигнала радиочастотного возбуждения, атомно-лучевую трубку и устройство автоматической подстройки частоты, служащее для формирования управляющего напряжения для подстраиваемого кварцевого генератора.

Блок формирования сигнала радиочастотного возбуждения содержит преобразователь частоты и связанный с ним программируемый синтезатор частоты. Сигнальный вход преобразователя частоты, образующий сигнальный вход блока формирования сигнала радиочасточного возбуждения, соединен с выходом подстраиваемого кварцевого генератора. Сигнальный выход преобразователя частоты, образующий сигнальный выход блока формирования сигнала радиочастотного возбуждения, соединен с радиочастотным входом атомно-лучевой трубки. Высокочастотный выход программируемого синтезатора частоты (выход фазомодулированного высокочастотного сигнала) соединен с опорным входом преобразователя частоты. Низкочастотный выход программируемого синтезатора частоты (выход низкочастотного сигнала, частота F₁ которого соответствует частоте модуляции) образует опорный выход блока формирования сигнала радиочастотного возбуждения, соединенный с опорным входом устройства автоматической подстройки частоты.

В качестве атомно-лучевой трубки используется цезиевая трубка традиционной конструкции с отклоняющей магнитной системой, примеры выполнения которой представлены в патентах США: [4] - US 4425653, H01S 3/091, 10.01.1984; [5] - US 4354108, Н01S 1/00, 12.10.1982; [6] - US 3967115, H01S 1/00, 29.06.1976; [7] - US 3397310, U.S.Cl.250-41 3, 13.08.1968; [8] - US 3323008, U.S.C1.315-111, 30.05.1967. Такая атомно-лучевая трубка содержит размещенные на одной оси источник атомного пучка, первый отклоняющий магнит, СВЧ-резонатор, второй отклоняющий магнит и фотоэлектронный умножитель, при этом радиочастотный вход СВЧ-резонатора образует радиочастотный вход атомно-лучевой трубки, а выход фотоэлектронного умножителя - выход атомно-лучевой трубки.

Устройство автоматической подстройки частоты содержит входной блок, выполняющий функции усиления и аналого-цифрового преобразования сигнала, центральный блок, выполняющий функцию цифрового синхронного детектирования, и выходной блок, выполняющий функции цифроаналогового преобразования сигнала и интегрирования преобразованного сигнала. Сигнальный вход входного блока является сигнальным входом устройства автоматической подстройки частоты, соединенным с выходом атомно-лучевой трубки. Выход выходного блока является выходом устройства автоматической подстройки частоты, соединенным с управляющим входом подстраиваемого кварцевого генератора.

Работа атомно-лучевого стандарта частоты, представленного в [3], происходит следующим образом. Блок формирования сигнала радиочастотного возбуждения формирует из выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора (гармонического сигнала с частотой f₁) модулированный по фазе с частотой низкочастотной модуляции F₁ СВЧ-сигнал радиочастотного возбуждения, номинальное значение несущей частоты f₂ которого соответствует резонансной частоте f₀ контура спектральной линии атомно-лучевой трубки, определяемой взаимодействием рабочего вещества атомного пучка с сигналом радиочастотного возбуждения, а значение частоты низкочастотной модуляции F₁ соответствует полуширине этого контура.

Сигнал радиочастотного возбуждения поступает на радиочастотный вход атомно-лучевой трубки, т.е. на радиочастотный вход СВЧ-резонатора. Процессы, происходящие при этом в атомно-лучевой трубке, описываются на основе двухуровневой энергетической модели атомов рабочего вещества с частотой радиочастотного атомного перехода, равной f₀. Суть этих процессов заключается в следующем. Энергетическое распределение атомов пучка на выходе источника атомного пучка подчиняется распределению Больцмана и в первом приближении равновероятно. Далее в области размещения первого отклоняющего магнита производится энергетическая сортировка атомов за счет различий в дипольных магнитных моментах. В результате такой сортировки в СВЧ-резонатор влетают атомы, находящиеся, например, в нижнем (первом) энергетическом состоянии. Взаимодействие этих атомов с сигналом радиочастотного возбуждения атомно-лучевой трубки является резонансным и описывается контуром спектральной линии Рамзея с центральной частотой радиочастотного атомного перехода, равной f₀. В результате этого взаимодействия атомы пучка на выходе СВЧ-резонатора преимущественно оказываются в верхнем (во втором) энергетическом состоянии, т.е. происходит инвертирование населенности в энергетической структуре атомов. Количество атомов пучка, перешедших во второе энергетическое состояние, характеризует эффективность данного взаимодействия и, в конечном итоге, определяет величину сигнала, получаемого на выходе атомно-лучевой трубки (т.е. величину, пропорциональную количеству атомов пучка, поступающему на вход фотоэлектронного умножителя). Для максимизации выходного сигнала атомно-лучевой трубки атомы пучка с помощью второго отклоняющего магнита фокусируют на вход фотоэлектронного умножителя, выход которого является выходом атомно-лучевой трубки.

Получаемый таким образом выходной сигнал атомно-лучевой трубки содержит постоянную составляющую и гармоники с частотами, кратными частоте модуляции F₁. Эти гармоники несут в своих амплитудах и фазах информацию об отклонении текущего значения частоты f₂ от частоты f₀. Первая из этих гармоник используется в качестве полезной составляющей выходного сигнала атомно-лучевой трубки для получения информации об отклонении текущего значения частоты f₂ от частоты f₀, т.е. для получения сигнала ошибки.

Сигнал ошибки получают в устройстве автоматической подстройки частоты в результате синхронного детектирования выходного сигнала атомно-лучевой трубки относительно опорной частоты F₁, поступающей на опорный вход устройства автоматической подстройки частоты с опорного выхода блока формирования сигнала радиочастотного возбуждения. Полученный сигнал ошибки далее интегрируется с получением управляющего напряжения для подстраиваемого кварцевого генератора, которое является выходным сигналом устройства автоматической подстройки частоты.

Под действием управляющего напряжения, поступающего на управляющий вход подстраиваемого кварцевого генератора с выхода устройства автоматической подстройки частоты, частота f₁ выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора и связанная с ней несущая частота f₂ сигнала радиочастотного возбуждения изменяются в сторону уменьшения сигнала ошибки, осуществляя тем самым стабилизацию частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора относительно частоты f₀.

Достоинством рассмотренного атомно-лучевого стандарта частоты является простота реализации, а недостатком - существенная нестабильность частоты выходного сигнала, обусловленная низким отношением сигнала к шуму на выходе атомно-лучевой трубки, что связано с низкой эффективностью сортировки атомов и фокусировки атомного пучка с помощью отклоняющих магнитов.

Решение задачи улучшения отношения сигнала к шуму на выходе атомно-лучевой трубки и, соответственно, повышения стабильности частоты атомно-лучевого стандарта частоты обеспечивается в более сложных по реализации схемах атомно-лучевых стандартах частоты, использующих лазерную оптическую накачку и лазерное оптическое детектирование атомного пучка вместо магнитной сортировки и фокусировки.

Среди атомно-лучевых стандартов частоты, использующих лазерную оптическую накачку и лазерное оптическое детектирование атомного пучка, известны решения, в которых лазерная оптическая накачка и лазерное оптическое детектирование осуществляются на разных частотах, см., например, статью [9] - С.Sallot, М. Baldy, D. Gin, R. Petit 3·10^-l2·τ^-1/2 on industrial optically pumped cesium beam frequency standard. // 2003 IEEE International Frequency Control Symposium and PDA Exhibition Jointy with the 17^th European Frequency and Time Forum. 2003, pp.100-104, а также патент США [10] - US 4684900, H03L 7/26, 04.08.1987. Сущность такой схемы лазерной оптической накачки и лазерного оптического детектирования атомного пучка заключается в следующем.

Лазерная оптическая накачка атомного пучка производится одномодовым лазерным облучением с первой частотой ν₁ на участке траектории до влета атомов пучка в СВЧ-резонатор, при этом используется соответствующий этой частоте поглощающий оптический переход между энергетическими уровнями атомов. Лазерное оптическое детектирование атомного пучка, прошедшего через СВЧ-резонатор, производится одномодовым лазерным облучением со второй частотой ν₂ на участке траектории после вылета атомов пучка из СВЧ-резонатора, при этом используется соответствующий этой частоте циркулярный оптический переход между энергетическими уровнями атомов. Например, как указано в [9], в пучке атомов Cs¹³³ в качестве первого (поглощающего) оптического перехода, соответствующего частоте ν₁, может использоваться переход между подуровнями 6S_1/2 F=4 и 6Р_3/2 F=4, а в качестве второго (циркулярного) оптического перехода, соответствующего частоте ν₂, может использоваться переход между подуровнями 6S_1/2 F=4 и 6Р_3/2 F=5, в этом случае ν₁-ν₂=Δν=251,4 МГц. Могут использоваться и другие оптические переходы, при этом следует отметить, что общее количество возможных для использования оптических переходов ограничено и определяется однозначным числом. Так, в цезии Cs¹³³ количество оптических переходов, пригодных для использования в рассматриваемых целях, ограничено количеством подуровней в состоянии 6Р_3/2 и равно пяти, а в рубидии Rb⁸⁷ - ограничено количеством подуровней в состоянии 5Р_3/2 и равно четырем.

Детектирование резонанса взаимодействия рабочего вещества атомного пучка с сигналом радиочастотного возбуждения СВЧ-резонатора осуществляется фотодетектором по флуоресцентному излучению атомов пучка, облученного указанным выше лазерным излучением детектирования. Указанный сигнал радиочастотного возбуждения представляет собой модулированный по фазе (частоте) СВЧ сигнал, несущая частота f₂ которого соответствует резонансной частоте f₀ используемого радиочастотного атомного перехода, возбуждаемого сигналом радиочастотного возбуждения Низкочастотная составляющая сигнала, снимаемого с выхода фотодетектора, соответствующая частоте модуляции сигнала радиочастотного возбуждения, несет в себе информацию об отклонении текущего значения несущей частоты f₂ от резонансной частоты f₀. Этот сигнал далее используется стандартным образом для подстройки частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора.

Применение лазерной оптической накачки и лазерного оптического детектирования обеспечивает увеличение уровня полезного сигнала и увеличение отношения сигнала к шуму на выходе атомно-лучевой трубки, что позволяет в итоге достичь уменьшения нестабильности частоты выходного сигнала атомно-лучевого стандарта частоты. При этом требуется обеспечение стабильности частот ν₁ и ν₂ лазерного облучения.

В качестве прототипа принят рубидиевый атомно-лучевой стандарт частоты, описанный в работе [11] - A.Besedina, A.Gevorkyan, V.Zholnerov. Two-frequency Pumping in ⁸⁷Rb Atomic Beam Frequency Standard with Laser Pumping/Detection for Space Application EFTF 07 // European Frequency and Time Forum, 2007, pp.623-628, Fig.6, в котором лазерная оптическая накачка и лазерное оптическое детектирование осуществляются на двух разных частотах, стабильность которых обеспечивается с помощью индивидуальных схем автоматической подстройки частоты соответствующих лазерных модулей.

Атомно-лучевой стандарт частоты, принятый в качестве прототипа, содержит последовательно соединенные в замкнутое кольцо автоматической подстройки частоты подстраиваемый кварцевый генератор, выход которого является выходом атомно-лучевого стандарта частоты, блок формирования сигнала радиочастотного возбуждения, атомно-лучевую трубку, первое фотоприемное устройство и первый блок автоматической подстройки частоты, формирующий управляющее напряжение для подстраиваемого кварцевого генератора, а также первый низкочастотный генератор, выход которого соединен с опорным входом блока формирования сигнала радиочастотного возбуждения и опорным входом первого блока автоматической подстройки частоты.

Атомно-лучевая трубка содержит расположенные на одной оси источник атомного пучка (Rb⁸⁷) и СВЧ-резонатор, радиочастотный вход которого образует радиочастотный вход атомно-лучевой трубки, соединенный с выходом блока формирования сигнала радиочастотного возбуждения. Атомно-лучевая трубка имеет окно оптической накачки с лазерным модулем накачки и окно оптического детектирования с лазерным модулем детектирования. Лазерные модули накачки и детектирования выполнены на основе полупроводниковых лазерных диодов с близкими длинами волн лазерного излучения в области λ=780,…нм, соответствующими D₂ линии поглощения в рубидии Rb⁸⁷. Окно оптического детектирования расположено в области выхода атомного пучка из СВЧ-резонатора, в этой же области также располагается выходное фотодетектирующее устройство, выход которого образует первый выход атомно-лучевой трубки, соединенный с входом первого фотоприемного устройства. Окно оптической накачки расположено в области прохода атомного пучка от источника пучка до СВЧ-резонатора, в этой же области также располагается фотодетектор оптической накачки, выход которого образует второй выход атомно-лучевой трубки.

Первый выход атомно-лучевой трубки, помимо соединения с входом первого фотоприемного устройства (а через него - с сигнальным входом первого блока автоматической подстройки частоты), соединен также через последовательно соединенные второе фотоприемное устройство, второй блок автоматической подстройки частоты и первый управляемый стабилизатор тока с управляющим входом лазерного модуля детектирования, при этом опорный вход второго блока автоматической подстройки частоты и опорный вход первого управляемого стабилизатора тока соединены с выходом второго низкочастотного генератора.

Второй выход атомно-лучевой трубки через последовательно соединенные третье фотоприемное устройство, третий блок автоматической подстройки частоты и второй управляемый стабилизатор тока соединен с управляющим входом лазерного модуля накачки, при этом опорный вход третьего блока автоматической подстройки частоты и опорный вход второго управляемого стабилизатора тока соединены с выходом третьего низкочастотного генератора.

Все три блока автоматической подстройки частоты выполнены по традиционной схеме, обычно используемой в квантовых стандартах частоты для частотной автоподстройки. В состав этой схемы входят входной усилитель, синхронный детектор и выходной интегратор, при этом опорный вход синхронного детектора образует опорный вход блока автоматической подстройки частоты, а вход усилителя и выход интегратора образуют соответственно сигнальный вход и выход блока автоматической подстройки частоты.

Блок формирования сигнала радиочастотного возбуждения представляет собой повышающий модулирующий преобразователь частоты, формирующий из выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора (гармонического сигнала с частотой f₁) и выходного сигнала первого низкочастотного генератора (с частотой F₁) модулированный по фазе с частотой низкочастотной модуляции F₁ СВЧ-сигнал радиочастотного возбуждения, номинальное значение несущей частоты f₂ которого соответствует резонансной частоте f₀ контура спектральной линии атомно-лучевой трубки, определяемой взаимодействием рабочего вещества атомного пучка с сигналом радиочастотного возбуждения и характеризуемой контуром линии Рамзея, при этом значение частоты низкочастотной модуляции F₁ соответствует полуширине этого контура.

Сигнал радиочастотного возбуждения, снимаемый с выхода блока формирования сигнала радиочастотного возбуждения, поступает на радиочастотный вход атомно-лучевой трубки (на радиочастотный вход СВЧ-резонатора), через который проходит пучок атомов от источника атомного пучка, подвергнутый лазерной оптической накачке.

Лазерная оптическая накачка атомного пучка производится частотно-модулированным излучением лазерного модуля накачки, вводимым в атомно-лучевую трубку через окно оптической накачки на участке прохода атомного пучка от источника атомного пучка до СВЧ-резонатора. Средняя частота излучения лазерного модуля накачки соответствует резонансной частоте ν₁ поглощающего оптического перехода атомов пучка, а частота модуляции F₃, определяемая частотой выходного сигнала третьего низкочастотного генератора, соответствует полуширине спектральной линии этого перехода. Схематически переход между энергетическими уровнями, соответствующий резонансной частоте ν₁, представлен на энергетической диаграмме атомов пучка рабочего вещества атомно-лучевой трубки переходом между энергетическими уровнями «2» и «3» (фиг.1). В реальном рубидиевом атомно-лучевом стандарте частоты этот оптический переход может соответствовать, например, переходу между подуровнями 5S_1/2 F=2 и 5Р_3/2 F=2. Контроль за процессом лазерной оптической накачки производится по переизлученному атомами флуоресцентному свету, фиксируемому фотодетектотором оптической накачки, низкочастотная составляющая выходного сигнала которого, соответствующая частоте F₃ модуляции излучения лазерного модуля накачки, несет в себе информацию об отклонении средней частоты излучения лазерного модуля накачки от резонансной частоты ν₁. Выходной сигнал фотодетектотора оптической накачки поступает через третье фотоприемное устройство на сигнальный вход третьего блока автоматической подстройки частоты, который формирует управляющее напряжение для подстройки второго управляемого стабилизатора тока, постоянная составляющая выходного тока которого определяет среднее значение частоты излучения лазерного модуля накачки, устанавливая ее в соответствии с резонансной частотой ν₁.

В результате произведенной лазерной оптической накачки атомы влетают в СВЧ-резонатор, находясь в энергетическом состоянии первого (нижнего) уровня, обозначенного на фиг.1 как уровень «1» В СВЧ-резонаторе атомы пучка взаимодействуют с сигналом радиочастотного возбуждения - модулированным по фазе с частотой F₁ СВЧ-сигналом с несущей частой f₂, соответствующей резонансной частоте f₀ используемого радиочастотного атомного перехода (т.е. резонансной частоте f₀ контура спектральной линии атомно-лучевой трубки, определяемой взаимодействием рабочего вещества атомного пучка с сигналом радиочастотного возбуждения), в рассматриваемом случае рубидиевого атомно-лучевого стандарта частоты значение частоты f₀=6834,682…МГц.

В результате взаимодействия рабочего вещества атомного пучка с сигналом радиочастотного возбуждения атомы пучка вылетают из СВЧ-резонатора, находясь преимущественно в энергетическом состоянии второго уровня (уровень «2», фиг.1). Выходящий из СВЧ-резонатора атомный пучок подвергается оптическому облучению частотно-модулированным излучением лазерного модуля детектирования, вводимым в атомно-лучевую трубку через окно оптического детектирования на участке выхода атомного пучка из СВЧ-резонатора. Средняя частота излучения лазерного модуля детектирования соответствует резонансной частоте ν₂ циркулярного оптического атомного перехода между энергетическими уровнями «2» и «3'» (фиг.1), а частота F₂ модуляции, определяемая частотой выходного сигнала второго низкочастотного генератора, соответствует полуширине спектральной линии этого перехода. В реальном рубидиевом атомно-лучевом стандарте частоты этот оптический переход может соответствовать, например, переходу между подуровнями 5S_1/2 F=2 и 5Р_3/2 F=3 на частоте ν₂, которая отличается от частоты ν₁ на величину Δν=ν₂-ν₁=267 МГц.

Результат лазерного оптического детектирования контролируется по переизлученному атомами пучка флуоресцентному свету, фиксируемому выходным фотодетектирующим устройством. Низкочастотные составляющие сигнала выходного фотодетектирующего устройства, соответствующие частоте F₁ модуляции сигнала радиочастотного возбуждения и частоте F₂ модуляции излучения лазерного модуля детектирования, несут информацию об отклонении несущей частоты f₂ сигнала радиочастотного возбуждения от резонансной частоты f₀ и об отклонении средней частоты излучения лазерного модуля детектирования от резонансной частоты ν₂.

В соответствии с частотами этих двух низкочастотных составляющих выходной сигнал выходного фотодетектирующего устройства разделяется на два канала, например, с помощью соответствующих фильтров, входящих в состав первого и второго фотоприемных устройств.

Низкочастотная составляющая выходного сигнала выходного фотодетектирующего устройства, соответствующая частоте F₂ модуляции излучения лазерного модуля детектирования, поступает через второе фотоприемное устройство на сигнальный вход второго блока автоматической подстройки частоты, который формирует управляющее напряжение для подстройки первого управляемого стабилизатора тока, постоянная составляющая выходного тока которого определяет среднее значение частоты излучения лазерного модуля детектирования, устанавливая ее в соответствии с резонансной частотой ν₂.

Низкочастотная составляющая выходного сигнала выходного фотодетектирующего устройства, соответствующая частоте F₁ модуляции сигнала радиочастотного возбуждения, поступает через первое фотоприемное устройство на сигнальный вход первого блока автоматической подстройки частоты, который формирует управляющее напряжение для подстройки частоты f₁ подстраиваемого кварцевого генератора (и, соответственно, связанной с ней несущей частоты f₂ сигнала радиочастотного возбуждения), устанавливая ее в соответствии с резонансной частотой f₀.

Все три блока автоматической подстройки частоты работают по одному принципу, осуществляя вначале синхронное детектирование сигнала, поступающего с выхода соответствующего фотоприемного устройства, относительно опорного сигнала, формируемого соответствующим низкочастотным генератором, а затем интегрирование полученного в результате синхронного детектирования сигнала ошибки с получением необходимого управляющего напряжения.

Таким образом, в атомно-лучевом стандарте частоты, принятом в качестве прототипа, одновременно работают три кольца автоматической подстройки частоты: основное кольцо - кольцо автоматической подстройки частоты подстраиваемого кварцевого генератора и два дополнительных кольца автоматической подстройки частоты излучения лазерного модуля накачки и излучения лазерного модуля детектирования. Совместная работа этих трех колец автоматической подстройки частоты обеспечивает возможность достижения высоких характеристик стабильности выходного сигнала атомно-лучевого стандарта частоты в установившемся режиме работы.

Достижение высоких характеристик стабильности обусловлено, в числе других факторов, очень узкими полосами пропускания колец автоматической подстройки частоты, определяемых шириной спектральных линий используемых атомных переходов. Вследствие этого возникает проблема принудительной начальной («грубой») установки частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора, определяющей частоту сигнала радиочастотного возбуждения в соответствии с частой f₀ и частот излучения лазерного модуля накачки и лазерного модуля детектирования в соответствии с частотами ν₁ и ν₂, что необходимо для обеспечения возможности их последующего «захвата» и точной подстройки в соответствующих кольцах автоматической подстройки частоты.

Очевидное решение этой проблемы, широко реализуемое на практике, заключается в «ручной» начальной настройке подстраиваемого кварцевого генератора, лазерного модуля накачки и лазерного модуля детектирования, осуществляемой с помощью внешних контрольно-измерительных приборов и управляемых вручную вспомогательных источников напряжения, подсоединенных ко вторым управляющим входам подстраиваемого кварцевого генератора и управляемых стабилизаторов тока. Такая начальная «ручная» настройка подстраиваемого кварцевого генератора, лазерного модуля накачки и лазерного модуля детектирования производится независимо для каждого объекта настройки и в произвольном порядке.

Фактор «ручной» начальной настройки подстраиваемого кварцевого генератора, лазерного модуля накачки и лазерного модуля детектирования сужает область возможного практического применения прототипа, ограничивая ее классом оборудования, обслуживаемого техническим персоналом. Это является недостатком, препятствующим использованию прототипа на необслуживаемых объектах, работающих полностью в автоматическом режиме.

Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, является создание атомно-лучевого стандарта частоты, работающего по принципу прототипа и в котором осуществляется автоматическая установка начальных значений частот подстраиваемого кварцевого генератора, лазерного модуля накачки и лазерного модуля детектирования в соответствии с частотами используемых атомных переходов. Такой атомно-лучевой стандарт частоты обладает расширенными, по сравнению с прототипом, возможностями практического применения, в том числе в составе необслуживаемого бортового оборудования, обеспечивая при этом характеристики стабильности на уровне прототипа.

Сущность заявляемого изобретения заключается в следующем. Атомно-лучевой стандарт частоты содержит последовательно соединенные в замкнутое кольцо автоматической подстройки частоты подстраиваемый кварцевый генератор, выход которого является выходом атомно-лучевого стандарта частоты, блок формирования сигнала радиочастотного возбуждения, атомно-лучевую трубку, первое фотоприемное устройство и первый блок автоматической подстройки частоты, сигнальный вход которого соединен с первым выходом первого фотоприемного устройства, а выход соединен с первым управляющим входом подстраиваемого кварцевого генератора, а также первый низкочастотный генератор, выход которого соединен с опорным входом первого блока автоматической подстройки частоты и опорным входом блока формирования сигнала радиочастотного возбуждения Атомно-лучевая трубка содержит расположенные на одной оси источник атомного пучка и СВЧ-резонатор, радиочастотный вход которого образует радиочастотный вход атомно-лучевой трубки, соединенный с выходом блока формирования сигнала радиочастотного возбуждения, а также окно оптической накачки с лазерным модулем накачки, расположенное в области прохода атомного пучка от источника атомного пучка до СВЧ-резонатора, и окно оптического детектирования с лазерным модулем детектирования, расположенное в области выхода атомного пучка из СВЧ-резонатора, причем в области выхода атомного пучка из СВЧ-резонатора также располагается выходное фотодетектирующее устройство, выход которого образует первый выход атомно-лучевой трубки, соединенный с входом первого фотоприемного устройства, а в области прохода атомного пучка от источника атомного пучка до СВЧ-резонатора также располагается фотодетектор оптической накачки, выход которого образует второй выход атомно-лучевой трубки. Первый выход атомно-лучевой трубки соединен также с входом второго фотоприемного устройства, первый выход которого через второй блок автоматической подстройки частоты соединен с первым управляющим входом первого управляемого стабилизатора тока, выход которого соединен с управляющим входом лазерного модуля детектирования, при этом опорный вход второго блока автоматической подстройки частоты и опорный вход первого управляемого стабилизатора тока соединены с выходом второго низкочастотного генератора. Второй выход атомно-лучевой трубки соединен с входом третьего фотоприемного устройства, первый выход которого через третий блок автоматической подстройки частоты соединен с первым управляющим входом второго управляемого стабилизатора тока, выход которого соединен с управляющим входом лазерного модуля накачки, при этом опорный вход третьего блока автоматической подстройки частоты и опорный вход второго управляемого стабилизатора тока соединены с выходом третьего низкочастотного генератора. В отличие от прототипа соединение выхода первого низкочастотного генератора с опорным входом блока формирования сигнала радиочастотного возбуждения осуществлено через первый электронный ключ, соединение выхода второго низкочастотного генератора с опорным входом первого управляемого стабилизатора тока осуществлено через второй электронный ключ, а соединение выхода третьего низкочастотного генератора с опорным входом второго управляемого стабилизатора тока осуществлено через третий электронный ключ. При этом второй выход первого фотоприемного устройства соединен с сигнальным входом первого устройства автоматического поиска частоты, первый выход которого соединен с управляющими входами первого и второго электронных ключей, а второй выход - с вторым управляющим входом подстраиваемого кварцевого генератора, второй выход второго фотоприемного устройства соединен с сигнальным входом второго устройства автоматического поиска частоты, первый выход которого соединен с управляющим входом третьего устройства автоматического поиска частоты, а второй выход - с вторым управляющим входом первого управляемого стабилизатора тока, второй выход третьего фотоприемного устройства соединен с сигнальным входом третьего устройства автоматического поиска частоты, первый выход которого соединен с управляющим входом третьего электронного ключа и управляющим входом первого устройства автоматического поиска частоты, а второй выход - с вторым управляющим входом второго управляемого стабилизатора тока.

Сущность изобретения и возможность его осуществления поясняются иллюстративными материалами, представленными на фиг.1-3, где:

на фиг.1 схематически представлены используемые переходы между энергетическими уровнями атомов рабочего вещества атомно-лучевой трубки;

на фиг.2 представлена структурная схема заявляемого атомно-лучевого стандарта частоты;

на фиг.3 представлены временные диаграммы, поясняющие этапы работы устройств автоматического поиска частоты в процессе начальной настройки лазерного модуля детектирования, лазерного модуля накачки и подстраиваемого кварцевого генератора.

Заявляемый атомно-лучевой стандарт частоты содержит, см. фиг.2, последовательно соединенные в замкнутое кольцо автоматической подстройки частоты подстраиваемый кварцевый генератор 1, выход которого является выходом атомно-лучевого стандарта частоты, блок формирования сигнала радиочастотного возбуждения 2, атомно-лучевую трубку 3, первое фотоприемное устройство 4 и первый блок автоматической подстройки частоты 5, выход которого соединен с первым управляющим входом подстраиваемого кварцевого генератора 1. При этом опорный вход первого блока автоматической подстройки частоты 5 непосредственно соединен с выходом первого низкочастотного генератора 6, а опорный вход блока формирования сигнала радиочастотного возбуждения 2 соединен с выходом первого низкочастотного генератора 6 через первый электронный ключ 7.

Атомно-лучевая трубка 3 содержит расположенные на одной оси источник атомного пучка 8 и СВЧ-резонатор 9, радиочастотный вход которого образует радиочастотный вход атомно-лучевой трубки 3, соединенный с выходом блока формирования сигнала радиочастотного возбуждения 2. Атомно-лучевая трубка 3 имеет окно оптической накачки 10 с лазерным модулем накачки 11, расположенное в области прохода атомного пучка от источника атомного пучка 8 до СВЧ-резонатора 9, и окно оптического детектирования 12 с лазерным модулем детектирования 13, расположенное в области выхода атомного пучка из СВЧ-резонатора 9. Кроме этого, в области выхода атомного пучка из СВЧ-резонатора 9 располагается выходное фотодетектирующее устройство 14, выход которого образ