Способ реализации системы двойной магнитной сортировки состояний атомов водорода

Изобретение относится к области квантовых стандартов частоты и может быть использовано при разработке водородных генераторов (Н-мазеров) активного типа. Важным преимуществом является то, что применение данной системы увеличивает мощность, излучаемую атомарным пучком в накопительной колбе, что приводит к улучшению метрологических характеристик водородного генератора, а именно, стабильности относительной частоты на коротких и средних временах усреднения.

В основе определения секунды в настоящий момент используется переход атома ¹³³Cs. В ведущих метрологических центрах мира в качестве первичных стандартов частоты функционируют фонтаны на охлажденных атомах цезия и рубидия, ставшие на замену тепловым атомным стандартам. Одной из главных проблем стандартов частоты фонтанного типа является фазовый шум опросного сигнала, формируемого из опорного сигнала водородного генератора. Таким образом, повышение стабильности первичных стандартов фонтанного типа напрямую зависит от метрологических характеристик опорного задающего водородного генератора.

Важная задача - повышение выходной мощности сигнала водородного генератора. Выходная мощность напрямую влияет на стабильность относительной частоты σ Н-мазера:

где Р - выходная мощность Н-мазера, F и В - шум-фактор и эквивалентная шумовая полоса приемной аппаратуры сигнала Н-мазера, k - постоянная Больцмана, Т - температура накопительной колбы Н-мазера, ω - циклическая частота генерации, τ - время усреднения, и β - добротность линии и коэффициент связи резонатора Н-мазера.

Повышение выходной мощности можно обеспечить либо за счет изменения параметров верхней вакуумной части и электроники Н-мазера, либо за счет применения системы двойной магнитной сортировки состояний атомов водорода. Описываемое изобретение относится к последнему типу повышения мощности. Известно два способа двойной магнитной сортировки атомов, использующие разные техники переворота атомного спина. В первом случае используется адиабатический метод переворота спина [1], во втором - метод, основанный на Майорановском переходе [2]. Техническая реализация второго метода является наиболее простой. Однако метод на основе Майорановского перехода требует аккуратного формирования магнитного поля между сортирующими магнитами. Известные способы реализации этого метода являются высокочувствительными и плохо воспроизводимыми из-за влияния поля рассеяния сортирующих магнитов и внешнего поля.

Достигаемым техническим результатом, при использовании заявленного способа, является простота, воспроизводимость и низкая чувствительность к внешнему полю.

Для достижения технического результата в условиях вакуумной чистоты производится измерение рассеиваемого поля каждым сортирующим магнитом без экрана и с надетым экраном, так что при этом измеренная величина поля вблизи торцевой поверхности магнита на оси не будет превышать 5 Гс и 0,1 Гс соответственно. После измерения производится подготовка и проверка четырехслойной экранирующей системы от внешнего поля, предварительная сборка и дальнейшая установка всей системы сортировки в нижнюю вакуумную камеру водородного генератора. Для снятия остаточной намагниченности производится контрольное размагничивание экранов, на контроле выходной мощности водородного генератора в блоке приемной аппаратуры регистрируется сигнал генерации. Далее на Майорановские катушки подается одинаковый ток такой величины, чтобы градиент поля в области между ними не превышал значения 1 Гс/см, фиксируется значение выходной мощности в описанной конфигурации. После этого включаются две пары вспомогательных поперечных катушек для тонкой подстройки смещения нулевого поля в геометрический центр атомарного пучка, производится тщательное сканирование каждой пары катушек по току и определяется область, где выходная мощность наиболее чувствительна к изменению тока. Наконец устанавливается конфигурация токов, при которой выходная мощность максимальна, что соответствует режиму работы двойной сортировки.

Способ достижения представленного технического результата поясняется чертежами. На фиг. 1 представлена общая схема устройства Н-мазера, на фиг. 2 - схематичное изображение устройства работы двойной магнитной сортировки атомов предложенным способом, на фиг. 3 - зависимость конечного угла поворота спина (компонент спинора) атома от параметра S, на фиг. 4 - зависимость вероятности нахождения атома на каждом подуровне от конечного угла поворота, на фиг. 5 - экспериментальная нормированная зависимость выходной мощности Н-мазера от тока одной пары поперечных катушек I_x при фиксированном значении тока другой I_y = -15 мА (слева) и общий вид такой зависимости от токов двух пар катушек (справа), на фиг. 6 - экспериментальная зависимость выходной мощности Н-мазера от обратной добротности линии при выключенном и включенном режиме работы двойной сортировки атомов, на фиг. 7 - измеренный эффект двойного резонанса при выключенном и включенном режиме работы двойной сортировки атомов, на фиг. 8 - экспериментальная зависимость уровня отношения сигнал-шум от обратной добротности линии для Н-мазера с включенным режимом работы двойной сортировки атомов, на фиг. 9 - измеренная зависимость стабильности σ (девиации Аллана) относительной частоты Н-мазера с включенным режимом работы двойной сортировки атомов от времени усреднения.

Предлагаемый метод состоит в следующем: производится отдельная экранировка каждого сортирующего магнита с помощью специально изготовленной однослойной системы экранов, а также области между магнитами от внешних полей с помощью четырехслойной цилиндрической системы экранов. Таким образом, в области между сортирующими магнитами обеспечивается малое магнитное поле и низкая чувствительность к внешнему полю. Далее в этой области необходимо организовать с помощью двух антигельмгольцевых Майорановских катушек, ось которых совпадает с осью атомарного пучка, магнитное поле, изменяющее свое направление. Майорановские катушки закреплены непосредственно вблизи экранов сортирующих магнитов, таким образом, нулевое магнитное поле находится примерно в геометрическом центре области между магнитами. На каждую Майорановскую катушку подается ток порядка 50 мА. Поскольку из-за влияния не скомпенсированных остаточных полей нулевое магнитное поле, в общем случае, не лежит на оси атомарного пучка, то для тонкой регулировки общего поля внутри экранов устанавливаются две взаимно ортогональные пары Гельмгольцевых вспомогательных катушек, создающих поле в радиальной плоскости. Вспомогательные катушки являются ключевым элементом в предложенном способе реализации системы двойной магнитной сортировки, поскольку с помощью регулировки тока в пределах нескольких единиц мА, подаваемого на эти катушки, производится точная настройка конфигурации магнитного поля, обеспечивающая переворот спина атома на угол 180°, что соответствует рабочему режиму системы двойной сортировки. Таким образом, предложенный способ имеет высокую воспроизводимость, сравнительно простую техническую реализацию и достаточно низкую чувствительность к внешнему магнитному полю.

Величина тока, подаваемого на Майорановские катушки, определяется из следующих условий. Во-первых, из признаков подобия вводится безразмерный параметр S:

где dH_z/dz - градиент z-компоненты общего поля вдоль оси атомного пучка (ось z совпадает с этой осью), μ_B - магнетон Бора, h - постоянная Планка, р - радиус атомарного пучка, v - скорость атома. Таким образом, определяется зависимость S(dH_z/dz) при известных значениях всех остальных введенных параметров. Далее, на основе расчетной зависимости угла поворота спина атома ϕ от параметра S определяется величина градиента dH_z/dz, соответствующая ϕ≈180°. Исходя из рассчитанной величины dH_z/dz и параметров Майорановских катушек, определяется ток.

Вывод: продемонстрирована возможность увеличения выходной мощности водородного генератора на 2,5 дБ за счет включения рабочего режима система двойной магнитной сортировки состояний атомов водорода.