СОЛЕНОИД ЦЕЗИЕВОЙ АТОМНО-ЛУЧЕВОЙ ТРУБКИ

Изобретение относится к технике квантовых стандартов частоты на основе цезиевых атомно-лучевых трубок (АЛТ), применяемых в различных навигационных системах, в том числе в российской глобальной навигационной спутниковой системе ГЛОНАСС. Навигационная точность всей системы ГЛОНАСС определяется метрологическими параметрами цезиевых АЛТ, выполняющими в стандартах частоты функцию высокодобротных частотных дискриминаторов [1].

Для аппаратуры ГЛОНАСС нового поколения поставлена задача повышения на порядок точности поддержания частоты бортовыми стандартами вплоть до уровня 1.0·10^-14 и менее.

В цезиевых атомно-лучевых трубках для снятия вырождения энергетических уровней атомов цезия в пространстве дрейфа в области СВЧ-резонатора необходимо поддерживать слабое однородное магнитное поле (поле «С») напряженностью около 0.1Э, создающее заданную пространственную ориентацию магнитных моментов атомов цезия.

Поле «С» формируется соленоидом, который устанавливается вместе с СВЧ-резонатором внутри многослойного магнитного корпуса, служащего для экранирования АЛТ от возмущающего действия внешних магнитных полей.

В работах по совершенствованию традиционных цезиевых АЛТ с магнитной селекцией атомных состояний и лазерных АЛТ нового поколения особое внимание уделяется анализу многофакторных сдвигов частоты, в том числе магнитному сдвигу частоты, обусловленному неоднородностью поля «С» в области СВЧ-резонатора [2, 3]. В стационарных приборах метрологического класса неоднородность поля подмагничивания в пролетном пространстве СВЧ-резонатора удается снизить до величины 4·10^-4 (0.04%) [4]. Характерные размеры таких приборов - длина около 2 метров (длина резонатора 1030 мм), диаметр около одного метра. Бортовые АЛТ, предназначенные для работы в составе спутников системы ГЛОНАСС, весьма компактны и имеют длину 500 мм, диаметр 120 мм, массу 10 кг. Неоднородность поля подмагничивания в пролетном пространстве СВЧ-резонатора бортовых АЛТ составляет около 1,0%. Такая неоднородность приводит к нежелательным относительным сдвигам частоты на уровне Δf/f₀₀~1·10^-12, где f₀₀=9191631770 Гц - частота рабочего перехода цезия [3]. Устранить указанную неоднородность за счет увеличения размеров АЛТ не представляется возможным, поскольку для спутниковых приборов требования обеспечения компактности и ограничения по массе очень жесткие.

В связи с этим одной из актуальных задач в области проектирования бортовых цезиевых АЛТ с высокими метрологическими характеристиками является разработка соленоида, создающего слабое однородное магнитное поле «С» с минимальным отличием между напряженностью магнитного поля в областях взаимодействия атомного пучка с СВЧ-полем в пространственно разделенных плечах СВЧ-резонатора и напряженностью поля в пролетном пространстве всего резонатора.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению (прототипом) является соленоид цезиевой АЛТ [1, 5]. Соленоид представляет собой систему из прямоугольных каркасов, на боковые поверхности которых намотаны катушки в виде прямоугольных рамок. Рамки расположены параллельно и симметрично относительно продольной плоскости симметрии СВЧ-резонатора, выполненного в виде прямоугольного волновода сечением 10×23 мм, которому придана U-образная форма посредством изгиба его концов по узкой стенке волновода под углом 90° таким образом, что в резонаторе сформированы два пространственно разделенных плеча. Каждое плечо представляет собой отрезок волновода, в котором на расстоянии 23 мм (половина длины стоячей волны в волноводе, λ_в/2) создается пучность СВЧ-магнитного поля, вектор напряженности которого направлен по нормали к продольной плоскости симметрии СВЧ-резонатора. В этом же направлении ориентирован вектор напряженности поля «С» рамок соленоида по пути прохождения цезиевого атомного пучка. Каждая рамка образована линейными проводниками с перемычками.

Недостатком соленоида-прототипа является большая неоднородность поля «С» на уровне около 1%, что более чем на порядок превышает требования, предъявляемые к цезиевым АЛТ для аппаратуры системы ГЛОНАСС нового поколения. Указанная величина неоднородности поля «С» не снижается при ужесточении допусков на взаимное расположение рамок соленоида, СВЧ-резонатора и системы магнитных экранов, поскольку она связана с влиянием локального магнитного поля, возникающего между перемычками рамок и расположенными вблизи них торцевыми дисками внутреннего экрана. Локальное поле провисает вдоль центральной оси соленоида в зазорах между перемычками каждой рамки. В результате снижается напряженность поля «С» в плечах СВЧ-резонатора, через которые проходит атомарный цезиевый поток.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является снижение магнитного сдвига частоты и повышение стабильности частоты цезиевых АЛТ.

Предлагаемый соленоид цезиевой атомно-лучевой трубки содержит две идентичные катушки, расположенные внутри системы магнитных экранов по обеим сторонам U-образного СВЧ-резонатора вдоль продольной плоскости его симметрии и равноудаленные от нее, каждая катушка представляет собой прямоугольную рамку из линейных проводников с перемычками, с каждой стороны рамки перемычки разделены на две равные части и плавно загнуты перпендикулярно продольной плоскости симметрии резонатора, одна часть загнута в направлении к резонатору, а другая часть в направлении от резонатора, высота загиба h1 к резонатору и высота загиба h2 от резонатора определяются из условий: 0.2≤h1/Н≤0.6, 0.4≤h2/H≤0.8, где Н - расстояние между рамками, при этом ширина рамок S и расстояние между рамками Н находятся в соотношении H/S=tg30°.

Применение в соленоиде рамок с перемычками, разделенными на две равные части и плавно загнутыми перпендикулярно продольной плоскости симметрии резонатора таким образом, что одна часть загнута в направлении к резонатору, а другая часть в направлении от резонатора, для которых высота загиба h1 к резонатору и высота загиба h2 от резонатора определяются из условий: 0.2≤h1/Н≤0.6, 0.4≤h2/Н≤0.8, где Н - расстояние между рамками, обеспечивает повышение однородности поля «С» и снижение магнитного сдвига частоты цезиевой АЛТ.

Верхний предел высоты загиба h1 перемычек по направлению к резонатору ограничен наружным диаметром центральной вакуумной трубы внутри корпуса АЛТ для транспортировки атомного пучка.

Верхний предел высоты загиба h2 перемычек рамок по направлению от резонатора ограничен внутренним диаметром цилиндрической части магнитного экрана, в полости которого установлен соленоид.

Выполнение соотношения Н/S=tg30° для ширины рамок S и расстояния между рамками Н обеспечивает улучшение однородности поля «С» по поперечному сечению атомного пучка и повышает стабильность частоты цезиевой АЛТ.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 показана расчетная компьютерная модель предлагаемого соленоида с окружающими магнитными экранами, где

- первый магнитный экран 1,

- второй магнитный экран 2,

- третий магнитный экран 3,

- формирующие пластины 10,

- первая рамка соленоида 4,

- перемычки первой рамки, загнутые в направлении от резонатора 5,

- перемычки первой рамки, загнутые в направлении к резонатору 6,

- вторая рамка соленоида 7,

- перемычки второй рамки, загнутые в направлении к резонатору 8,

- перемычки второй рамки, загнутые в направлении от резонатора 9,

- линейные проводники A, B, C, D.

На фиг.2 приведен предлагаемый соленоид и его расположение относительно магнитных экранов и U-образного СВЧ-резонатора в плоскостях Y=0 (а) и Z=const (б), где

- первый магнитный экран 1,

- второй магнитный экран 2,

- третий магнитный экран 3,

- первая рамка соленоида 4,

- перемычки первой рамки, загнутые в направлении от резонатора 5,

- перемычки первой рамки, загнутые в направлении к резонатору 6,

- вторая рамка соленоида 7,

- перемычки второй рамки, загнутые в направлении к резонатору 8,

- перемычки второй рамки, загнутые в направлении от резонатора 9,

- формирующие пластины 10,

- СВЧ-резонатор 11,

- входной зазор СВЧ-резонатора 12,

- вывод энергии СВЧ-резонатора 13,

- прямоугольное отверстие 14 в стенке СВЧ-резонатора.

На фиг.3 приведены результаты расчета предлагаемого соленоида в виде изолиний модуля напряженности поля в плоскостях Y=0 (а) и Х=0 (б), где

- первый магнитный экран 1,

- второй магнитный экран 2,

- третий магнитный экран 3,

- формирующие пластины 10,

- первая рамка соленоида 4,

- перемычки первой рамки, загнутые в направлении от резонатора 5,

- перемычки первой рамки, загнутые в направлении к резонатору 6,

- вторая рамка соленоида 7,

- перемычки второй рамки, загнутые в направлении к резонатору 8,

- перемычки второй рамки, загнутые в направлении от резонатора 9,

- изолинии модуля напряженности поля 15.

На фиг.4 приведены результаты расчета функции осевого распределения относительной величины отклонения модуля напряженности поля в текущей точке Z от поля в центре рамок Z=Z0 для предлагаемой конструкции соленоида (кривая 1) и конструкции соленоида-прототипа (кривая 2).

Пример.

Соленоид состоит из двух катушек шириной S=55.4 мм, длиной L=213 мм, высотой загибов перемычек h1=7.5 мм и h2=11.4 мм. Каждая катушка намотана на каркас из капролона в виде пластины с профилем для загибов. Катушка намотана по периметру боковых поверхностей каркаса изолированным проводом в одном направлении. Намотано четное количество ампер-витков, что обеспечивает равенство токов в разделенных загнутых частях перемычек. Катушки установлены по обеим сторонам резонатора вдоль продольной плоскости его симметрии на расстоянии Н=32 мм между ними. При этом выполняется соотношение 32/55.4=tg30°.

Соленоид работает следующим образом.

Постоянный ток проходит по линейным проводникам A, B, C, D и перемычкам 5, 6, 8, 9 рамок 4, 7 и создает магнитное поле «С» в соленоиде. Направление вектора плотности тока в проводниках показано стрелками на фиг.1.

Поле «С» создается системой 4-линейных проводников A, B, C, D, центры поперечного сечения которых проходят через вершины прямоугольника со сторонами Н и S. В проводниках А, В обоих рамок ток течет в одном направлении, а в проводниках C, D - в противоположном направлении. Силовые линии поля линейных проводников с током огибают каждую пару проводников А, В и C, D и ориентируются перпендикулярно продольной плоскости симметрии рамок Х=0 и широкой стороне ленточного атомного пучка, проходящего сквозь вертикальные прямоугольные отверстия 14 в стенках СВЧ-резонатора 11.

На торцах рамок поле «С» линейных проводников A, B, C, D складывается с локальными полями перемычек 5, 6, 8, 9, расположенных в одной плоскости Z=const на близком расстоянии от торцевого диска внутреннего экрана 1. Вследствие одинакового направления тока в перемычках 5, 6, 8, 9 на краях каждой рамки силовые линии огибают перемычки и создают локальное поле, противоположно направленное полю «С». Интенсивность локального поля и степень его проницаемости (вдоль оси Z) по направлению к центру соленоида зависят от величины тока и расстояния (по оси X) между перемычками. В каждой рамке с раздвоенными загнутыми перемычками величина тока перемычек уменьшена в 2 раза и примерно вдвое уменьшено расстояние между перемычками. Это снижает интенсивность локального поля и его проницаемость в торцевую область рамок, в которой расположены зазоры СВЧ-резонатора. В результате повышается однородность поля «С» на всей длине резонаторной системы - в зазорах резонатора и области дрейфа атомного пучка между зазорами. Возможность реализации изобретения подтверждена методом компьютерного моделирования двух конструктивных вариантов соленоида, один из которых соответствовал прототипу [1, 5], а другой - предлагаемому изобретению.

Компьютерное моделирование выполнено с использованием трехмерной математической модели, в которой заданы: реальные размеры многослойного магнитного экрана, конфигурация проводников (рамок) в разных конструкциях соленоидов, величина тока в проводниках соленоидов (произведение средней плотности тока на площадь поперечного сечения проводника), направление вектора плотности тока вдоль проводников, магнитные характеристиками (ВН-кривые) материалов экрана (пермаллой) и формирующих пластин (железо - армко). Геометрические размеры заданы в миллиметрах и отмечены по осям декартовой системы координат XYZ на фиг.2 и фиг.3. Величина тока задана в миллиамперах. Напряженность магнитного поля задана в эрстедах. Начало координат выбрано в центре прямоугольного отверстия во входной плоскости торцевого диска экрана 3. Координатная ось Z направлена вдоль центральной оси симметрии (X=Y=0) экранов и рамок соленоида по ходу движения атомов цезия. Оси Х и Y направлены соответственно вдоль ширины и длины прямоугольного отверстия в экране 3. В результате компьютерного моделирования рассчитаны распределения напряженности магнитного поля для разных конструктивных вариантов соленоида во всей области цезиевой АЛТ, включая внутреннюю полость экрана 1, где расположен соленоид.

На фиг.1 показана расчетная компьютерная модель (3D) предлагаемого соленоида с раздвоенными загнутыми перемычками в окружении магнитных экранов. Стрелками показано направление вектора плотности постоянного тока. Рамки 4 и 7 с раздвоенными загнутыми перемычками расположены на одинаковом расстоянии от плоскости Х=0. Загибы перемычек в двух рамках выполнены по правилу зеркального отображения рамок относительно их центральной плоскости симметрии Х=0. Центры поперечных сечений линейных проводников рамок (сечением 2×2 мм²) расположены в вершинах A, B, C, D прямоугольника со сторонами S и Н, которые приняты соответственно за ширину рамок и расстояние между рамками.

На фиг.3 приведены результаты компьютерного моделирования предлагаемой конструкции соленоида с раздвоенными загнутыми перемычками в виде семейства изолиний модуля напряженности магнитного поля. Показаны фрагменты расчетной области в двух плоскостях Y=0 (фиг.3а) и Х=0 (фиг.3б). На карте изолиний показано расположение торцевых дисков экранов 1, 2, 3, формирующих пластин 10, линейных проводников и раздвоенных загнутых перемычек 5, 6, 8, 9. Величина тока в линейных проводниках рамок 4, 7 равна 27 мА, а в каждой перемычке - 13.5 мА. Направление вектора плотности тока изображено в виде односторонних стрелок (если показана проекция одного проводника с заданным направлением вектора плотности тока) и в виде двухсторонних стрелок (если показаны совмещенные проекции двух проводников с противоположным направлением вектора плотности тока). Модуль вектора напряженности поля для каждой кривой из показанного семейства определяется по шкалам с меняющейся интенсивностью черного цвета, расположенным в левой части чертежей. Верхняя и нижняя границы каждой шкалы соответствуют максимальной и минимальной величине напряженности поля в рассматриваемой области расчета. Их значения указаны соответственно сверху и снизу каждой шкалы. В расчете задано количество изолиний напряженности поля, равное 50, которое определяет величину интервала между изолиниями. По карте изолиний в плоскости Y=0 на фиг.3а видно, что магнитное поле перемычек с током концентрируется вблизи центров перемычек: изолинии окружают центры перемычек и соответствующая им напряженность поля падает по мере удаления изолинии от центра перемычки. Вблизи поверхности дискового экрана 1 с центральным круглым отверстием и формирующими пластинами 10 напряженность поля падает до нуля. Между центрами перемычек часть изолиний поля провисает вправо от плоскости расположения центров перемычек по направлению к центру рамок. Наибольшую опасность представляет провисание локального поля между перемычками 6 и 8, которые находятся на минимальном и одинаковом расстоянии от центральной плоскости симметрии рамок Х=0 на пути следования атомного пучка. Глубина «провала» локального поля перемычек в этой области отражается положением изолинии 15, модуль напряженности которой с точностью до разбиения шкалы равен модулю напряженности поля «С» в центре линейных проводников рамок. По карте изолиний на фиг.3б видно, что в области прохождения атомного пучка в плоскости Х=0 имеет место плавное изменение напряженности поля вдоль оси Z от нуля до постоянной величины поля «С», равной 0.0959 эрстед, указанной на верху шкалы. Также видно, что переходная область локального поля перемычек не доходит до плеча резонатора - плоскости Z=Z1peз, обозначенной на фиг.2а.

На фиг.4 приведены функции осевого распределения величины относительного отклонения модуля напряженности поля в текущей точке Z от его значения в центре рамок Z0, рассчитанные на оси соленоида и атомного пучка (X=Y=0). По оси ординат отложена величина функции F(Z) в процентах. Также отмечены положения входной (Z1peз) и выходной (Z2peз) плоскостей зазора СВЧ-резонатора, отмеченные выше на фиг.2а. Максимальное по абсолютной величине значение функции F(Z) на любом заданном отрезке вдоль оси Z определяет величину коэффициента неоднородности поля на этом участке. На длине участка Z1peз≤Z≤Z0, равной половине длины СВЧ-резонатора, значение коэффициента неоднородности является показателем качества поля «С» и в идеальном однородном поле его величина равна нулю. Расчет функций F(Z) выполнен для предлагаемого соленоида с раздвоенными загнутыми перемычками (кривая 1 на фиг.4) и соленоида-прототипа с прямоугольными рамками (кривая 2 на фиг.4) при одинаковых параметрах: ширине рамок S=55.4 мм и расстоянии между рамками Н=32 мм в соответствии с условием H/S=tg30°, длине рамок L=213 мм и токах в линейных проводниках рамок 27 мА и перемычках 13.5 мА. Высоты загибов раздвоенных перемычек рамок заданы равными h1=7.5 мм и h2=11.4 мм. Из приведенных расчетов видно, что максимумы функций F(Z) для обеих конструкций соленоидов расположены на отрезке Z1peз≤Z≤Z2peз в области резонатора. Для соленоида-прототипа (кривая 2 на фиг.4) функция F(Z) достигает своего максимума +0.85% и затем медленно спадает по направлению к центру рамок Z0, так что коэффициент неоднородности поля «С» соленоида-прототипа составляет 0.85%. Полученная расчетная величина коэффициента неоднородности близка к минимальной величине 1.0%, полученной экспериментально в цезиевой АЛТ с соленоидом-прототипом при жестких требованиях на соосность между токонесущими проводниками (катушками соленоида) и магнитными экранами.

В предлагаемом соленоиде с раздвоенными загнутыми перемычками (кривая 1 на фиг.4) максимум функции F(Z) в резонаторе Z1peз≤Z≤Z2peз равен +0.05%, после чего функция F(Z) быстро спадает до нуля по направлению к центру рамок. Коэффициент неоднородности формируемого поля «С» в этом случае составляет 0.05%. Расчеты показали, что при выполнении указанного соотношения H/S=tg30° функции F(Z), рассчитанные по линиям пересечения плоскостей Х==±1.0 мм и Y=±2.5 мм на границах поперечного сечения атомного пучка, с точностью до 5-го знака совпадают с функцией F(Z), рассчитанной для центра атомного пучка X=Y=0. В тех же случаях, когда величина угла в указанном соотношении меняется в пределах 30°±1°, неоднородность поля «С» в поперечном сечении атомного пучка меняется в пределах 0.05±0.02%.

Таким образом, предлагаемая конструкция соленоида позволяет более чем на порядок снизить неоднородность поля «С» в области СВЧ-резонатора до уровня, достигнутого в стационарных АЛТ метрологического класса. Это позволит обеспечить снижение магнитного сдвига частоты в бортовых цезиевых АЛТ, предназначенных для применения в аппаратуре нового поколения системы ГЛОНАСС. Предлагаемая конструкция соленоида может также найти применение в АЛТ, работающих на других атомарных потоках, в том числе на потоках атомов рубидия, таллия, магния и серебра.

Источники информации

1. Атомно-лучевые цезиевые трубки / Е.Н.Покровский и др. // Электронная техника. Сер.1. СВЧ-техника. - 2009. - Вып.3 (502). С.4-16 (прототип).

2. Атомно-лучевая трубка с повышенной устойчивостью к воздействию магнитных полей. / Е.Н.Абрамов и др. // Электронная техника. Сер. 1. СВЧ-техника. - 1992. - Вып.2 (446). С.11-14.

3. Прогнозирование метрологических характеристик и оптимизация параметров атомно-лучевых трубок. В.К.Куракин. Кандидатская диссертация, ВНИИФТРИ, М., 1973.

4. A. Makdissi, E. de Clercq. Evaluation of the accuracy of the optically pumped cesium beam primary frequency standard of the BNM-LPTF // Metrologia, 2001, 38, 409-425.

5. Атомно-лучевые цезиевые трубки / И.И.Самарцев /. Сборник лекций в VI томах под общей редакцией д.т.н. А.Н.Королева. ФГУП «НПП «ИСТОК» том I, часть 2. Атомно-лучевые трубки. 2005 г., с.205-223 (прототип).

6. Цезиевая атомно-лучевая трубка с оптической селекцией атомных состояний на входе в СВЧ-резонатор / С.А.Плешанов и др. // Электронная техника. Сер. 1. СВЧ-техника. - 2007. - Вып.1 (489). С.87-92.