Система магнитной защиты цезиевой атомно-лучевой трубки с оптической селекцией атомных состояний



Система магнитной защиты цезиевой атомно-лучевой трубки с оптической селекцией атомных состояний
Система магнитной защиты цезиевой атомно-лучевой трубки с оптической селекцией атомных состояний
Система магнитной защиты цезиевой атомно-лучевой трубки с оптической селекцией атомных состояний
Система магнитной защиты цезиевой атомно-лучевой трубки с оптической селекцией атомных состояний
Система магнитной защиты цезиевой атомно-лучевой трубки с оптической селекцией атомных состояний
Система магнитной защиты цезиевой атомно-лучевой трубки с оптической селекцией атомных состояний
Система магнитной защиты цезиевой атомно-лучевой трубки с оптической селекцией атомных состояний
Система магнитной защиты цезиевой атомно-лучевой трубки с оптической селекцией атомных состояний
Система магнитной защиты цезиевой атомно-лучевой трубки с оптической селекцией атомных состояний

 


Владельцы патента RU 2456724:

Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное предприятие "Исток" (ФГУП "НПП "Исток") (RU)

Изобретение относится к технике квантовых дискриминаторов частоты, в частности цезиевым атомно-лучевой трубкам (АЛТ). Технический результат - повышение эффективности системы магнитной защиты АЛТ с оптической селекцией атомных состояний с коэффициентом экранирования не менее 106. Для достижения данного результата предлагаемая система содержит четыре магнитных экрана, выполненных в виде полых цилиндров, имеющих общую ось вращения, торцы которых закрыты плоскими дисками. Четвертый экран является корпусом атомно-лучевой трубки, третий, второй и первый экраны расположены внутри корпуса, при этом диски экранов разделены между собой зазорами. В центре дисков выполнены сквозные отверстия для пропускания ленточного атомного пучка. Отверстия в дисках третьего экрана выполнены щелевыми с закругленными узкими боковыми стенками, причем вокруг щелевого отверстия с наружной стороны каждого диска выполнен кольцевой выступ. Размеры щелевого отверстия, кольцевого выступа, а также ширина зазора между дисками первого и второго экранов и ширина зазора между дисками второго и третьего экранов определяются заданными условиями. 1 з.п. ф-лы, 9 ил.

 

Изобретение относится к технике квантовых дискриминаторов частоты, в частности цезиевым атомно-лучевой трубкам (АЛТ), предназначенным для использования в качестве источников сверхстабильных частот для навигации, в том числе в аппаратуре российской глобальной навигационной спутниковой системы ГЛОНАСС.

Одной из важнейших характеристик цезиевых АЛТ является магнитный сдвиг частоты (МСЧ) под воздействием внешних магнитных полей. Величина МСЧ зависит от экранирующих свойств системы магнитной защиты АЛТ от внешнего магнитного поля, а также от топографии магнитного поля, проникающего в переходную область между селектором атомных состояний и СВЧ-резонатором, в котором происходит взаимодействие атомного пучка с высокочастотным полем. В промышленных цезиевых АЛТ для системы ГЛОНАСС используется АЛТ с магнитной селекцией атомных состояний. В них коэффициент экранирования системы магнитной защиты составляет 104…105 и параметр МСЧ - (2.5…20)·10-13 во внешних полях с напряженностью 1…5 Э [1].

В настоящее время в России и за рубежом проводятся работы по созданию цезиевой АЛТ нового поколения с оптической селекцией атомных состояний [2]. Они обладают рядом преимуществ по сравнению с АЛТ с магнитной селекцией. В них значительно упрощается конструкция АЛТ за счет исключения ряда узлов, обеспечивающих селекцию атомных состояний и индикацию атомного пучка: отклоняющих магнитов (селекторов), ионно-оптической системы с фокусирующим электродом и термическим ионизатором, магнитного масс-спектрометра и вторично-электронного усилителя ионного тока в цепи коллектора. Для селекции атомных состояний вместо них используются полупроводниковые лазерные диоды и фотоприемники. Это позволяет многократно увеличить коэффициент использования атомного пучка и, следовательно, срок службы АЛТ, открывает новые возможности совершенствования системы магнитной защиты в направлении повышения коэффициента магнитного экранирования до уровня 106 и выше, снижения МСЧ ниже уровня 10-14, и в целом качественно улучшить параметры известной цезиевой АЛТ с магнитной селекцией атомных состояний [1].

Актуальной проблемой в области разработок АЛТ с оптической селекцией атомных состояний является создание эффективной системы магнитной защиты АЛТ с коэффициентом экранирования на уровне 106 в условиях воздействия на АЛТ произвольно меняющихся магнитных полей рассеяния от внутренних источников полей в работающей аппаратуре (до 5 Э) и внешнего постоянно действующего магнитного поля Земли (0.5 Э).

Известна система магнитной защиты АЛТ с магнитной селекцией атомных состояний [3]. Она представляет собой систему из 3-х цилиндрических и 6 дисковых экранов с центральными отверстиями. Недостатками этой системы являются низкий уровень коэффициента экранирования 104…105 и высокий уровень МСЧ (3…20)·10-13 в слабом внешнем магнитном поле напряженностью 1…2 Э.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению (прототипом) является система магнитной защиты цезиевой АЛТ с магнитной селекцией атомных состояний и повышенной устойчивостью к воздействию магнитных полей [4].

Она представляет собой экран, состоящий из четырех вложенных друг в друга и пространственно разделенных экранов. Каждый экран выполнен в виде отрезка цилиндрической трубы с торцами, закрытыми плоскими дисками. Наружный четвертый экран одновременно является корпусом атомно-лучевой трубки. Третий, второй и первый экраны установлены в полости корпуса АЛТ и отделены друг от друга узкими зазорами между торцевыми дисками. Они служат для магнитной защиты СВЧ-резонатора, расположенного в полости первого экрана. Для пропускания атомного пучка в торцевых дисках третьего, второго и первого экранов выполнены сквозные отверстия. В дисках третьего экрана отверстия имеют прямоугольную форму с размерами, равными размерам прямоугольного отверстия в выходной вырезающей диафрагме источника атомов цезия, установленного внутри корпуса между торцевым диском корпуса и входным (по направлению движения атомов цезия) диском третьего экрана. Во всех торцевых дисках второго и первого экранов выполнены круглые отверстия, диаметр которых превышает максимальный линейный размер ленточного атомного пучка. Центры всех отверстий расположены на одной центральной оси системы защитных экранов.

Для формирования топографии магнитного поля с нужной ориентацией вектора напряженности поля относительно поперечного сечения ленточного атомного пучка (перпендикулярно его узкой боковой поверхности) между отклоняющими магнитами и дисками третьего экрана, а также в переходной области между отверстиями в дисках третьего, второго и первого экранов установлены четыре пары формирующих пластин. Каждая пара состоит из двух тонких пластин, которые имеют ширину, превышающую длинную сторону прямоугольного поперечного сечения атомного пучка, и расположены параллельно друг другу. Две пары пластин прикреплены к магнитной арматуре отклоняющих магнитов и расположены симметрично относительно прямоугольного отверстия в дисках третьего экрана. Две другие пары пластин соединены с внутренней поверхностью дисков третьего экрана на уровне узких боковых стенок прямоугольных отверстий и проходят сквозь круглые отверстия в дисках второго и первого экранов, не соприкасаясь с их поверхностями.

Указанная система магнитной защиты имеет ряд недостатков.

В существующем виде конструкция этой системы магнитной защиты не может быть использована в АЛТ с оптической селекцией атомных состояний, так как в пространстве между экранами не предусмотрены внутренние полости (камеры) для размещения узлов оптической селекции атомных состояний. Размещение камер с двух сторон СВЧ-резонатора между дисками первого и второго экранов невозможно из-за малой ширины зазора между этими дисками.

Формирующие пластины, с одной стороны, усложняют конструкцию защитных экранов и с другой - увеличивают проницаемость внешнего магнитного поля в полость первого экрана, в которой расположен СВЧ-резонатор (снижают коэффициент экранирования системы магнитной защиты). Кроме того, на протяженной длине U-образного СВЧ-резонатора возникает большой перепад (на 2-3 порядка) напряженности проникающего магнитного поля, что приводит к ухудшению взаимодействия атомного пучка с высокочастотным полем резонатора, сдвигам по частоте выходного сигнала и в целом создает известную и трудно решаемую проблему торцевой защиты АЛТ.

Размер и форма отверстий в дисках третьего экрана также заданы не оптимальным образом. При существующих размерах и форме этих отверстий периферийная часть атомного пучка попадает в неоднородное магнитное поле с меняющимся направлением вектора напряженности поля вблизи кромки отверстий, что ухудшает МСЧ. Поэтому предпринятые в прототипе [4] меры по повышению устойчивости АЛТ к воздействию внешних полей привели лишь к сужение диапазона изменения МСЧ по сравнению с аналогом [3], а сама величина МСЧ (±5·10-13) в полях произвольной ориентации с повышенной напряженностью поля (до 5 Э) осталась на уровне аналога [3] и на порядок хуже прогнозируемого уровня в АЛТ с оптической селекцией атомных состояний [2].

Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание эффективной системы магнитной защиты АЛТ с оптической селекцией атомных состояний с коэффициентом экранирования не менее 106. Такая степень экранирования повышает устойчивость АЛТ к воздействию меняющихся внешних магнитных полей при любой ориентации корпуса АЛТ относительно вектора напряженности внешнего поля и является необходимым условием снижения МСЧ до уровня 10-14.

Предлагаемая система магнитной защиты цезиевой атомно-лучевой трубки с оптической селекцией атомных состояний содержит четыре магнитных экрана, выполненных в виде полых цилиндров, имеющих общую ось вращения, торцы которых закрыты плоскими дисками. Четвертый экран является корпусом атомно-лучевой трубки, третий, второй и первый экраны расположены внутри корпуса, при этом диски экранов разделены между собой зазорами. В центре дисков выполнены сквозные отверстия для пропускания ленточного атомного пучка. Отверстия в дисках третьего экрана выполнены щелевыми с закругленными узкими боковыми стенками, причем вокруг щелевого отверстия с наружной стороны каждого диска выполнен кольцевой выступ. Ширина щелевого отверстия a и длина щелевого отверстия b определяются из условия:

1.2≤a/a1≤1.4, 1.4≤b/b1≤1.6, где

a1 - ширина ленточного пучка,

b1 - длина ленточного пучка,

радиус закругления щелевого отверстия r равен половине ширины щелевого отверстия a.

Высота кольцевого выступа h, внутренний диаметр кольцевого выступа d и толщина кольцевого выступа t определяются из условий:

1.0≤d/b≤1.5, 0.5≤h/d≤1.0, 0.5≤t/t1≤1.0, где

t1 - толщина диска третьего экрана.

Ширина зазора между дисками первого и второго экранов S и ширина зазора между дисками второго и третьего экранов S1 определяются из условия:

5≤S/S1≤15.

Для упрощения конструкции системы магнитной защиты цезиевой атомно-лучевой трубки с оптической селекцией атомных состояний предлагается выполнение первого экрана в виде двух дисков, соединенных с поверхностью цилиндрической части второго экрана.

В источнике атомов цезия с помощью выходной ограничительной диафрагмы формируется ленточный атомный пучок прямоугольного сечения шириной a1 и длиной b1. Для увеличения срока службы источника атомов цезия и, следовательно, цезиевой АЛТ необходимо обеспечить минимальный расход активного вещества в атомном источнике, т.е. при заданных размерах атомного пучка плотность потока атомов цезия должна быть минимальной, но в то же время достаточной для достижения необходимого уровня выходного сигнала АЛТ. Так как в прототипе [4] размеры входного прямоугольного отверстия в диске третьего экрана выбраны равными размерам вырезающей диафрагмы, то атомы периферийной части атомного пучка попадают в область неоднородного магнитного поля на краях прямоугольного отверстия, что ухудшает МСЧ и мощность выходного сигнала АЛТ. Компенсация указанного эффекта повышением плотности потока атомов цезия (количества атомов цезия) путем повышения температуры нагрева активного вещества в источнике атомного пучка снижает срок службы атомного источника и АЛТ.

Выполнение щелевого отверстия в дисках третьего экрана согласно заданным условиям позволяет ослабить влияние краевых неоднородностей на периферийную область атомного пучка, улучшить плавность изменения магнитного поля по сечению пучка. повысить эффективность использования атомного пучка и увеличить срок службы АЛТ.

Кольцевой выступ на наружной поверхности дисков третьего экрана вокруг щелевого отверстия ослабляет напряженность поля, проникающего во внутреннюю полость корпуса АЛТ, помещенного во внешнее магнитное поле. Тем самым он служит дополнительной защитой для второго и первого экранов. Размеры кольцевого выступа, определяемые согласно заданным условиям, обеспечивают максимальную крутизну спада магнитного поля на входе в щелевое отверстие и, следовательно, минимальный уровень поля, проникающего во внутренние полости третьего, второго и первого экранов.

Увеличение зазора s между дисками первого и второго экранов согласно заданному условию позволяет разместить лазерные устройства оптической селекции атомных состояний на необходимом расстоянии от дисков первого экрана и, кроме того, устраняет перепад напряженности поля в области размещения U-образного СВЧ-резонатора.

Выполнение внутреннего первого экрана в виде в виде двух дисков, соединенных с полым цилиндром второго экрана, упрощает конструкцию системы магнитной защиты АЛТ и обеспечивают постоянную величину коэффициента экранирования на всей длине первого и второго экранов. Неизбежное снижение величины коэффициента экранирования, связанное с исключением из конструкции системы магнитной защиты полого цилиндра первого экрана, может быть компенсировано путем утолщения стенок трех оставшихся цилиндров. В такой конструкции функция торцевых дисков первого экрана сводится к защите камеры 9 с расположенным в ней СВЧ-резонатором от магнитного поля рамок с постоянным током, которые устанавливаются в камерах 8 для формирования в них слабого магнитного поля, необходимого для эффективной работы устройств оптической селекции.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 показана предлагаемая конструкция системы магнитной защиты, где: - первый экран 1,

- второй экран 2,

- третий экран 3,

- четвертый экран (корпус АЛТ) 4,

- круглые отверстия в дисках первого и второго экранов 5,

- щелевые отверстия в дисках третьего экрана 6,

- кольцевые выступы на наружной поверхности дисков третьего экрана 7,

- камера для размещения узлов оптической селекции атомных состояний между дисками первого и второго экранов 8,

- камера для размещения СВЧ-резонатора 9.

На фиг.2 показана предлагаемая конструкция системы магнитной защиты, в которой первый экран выполнен в виде двух дисков, где:

- первый экран 1,

- второй экран 2,

- третий экран 3,

- четвертый экран (корпус АЛТ) 4,

- круглые отверстия в дисках первого и второго экранов 5,

- щелевые отверстия в дисках третьего экрана 6,

- кольцевые выступы на наружной поверхности дисков третьего экрана 7,

- камера для размещения узлов оптической селекции атомных состояний между дисками первого и второго экранов 8,

- камера для размещения СВЧ-резонатора 9.

На фиг 3 показан кольцевой выступ и щелевое отверстие в дисках третьего экрана, где: - третий экран 3,

- щелевые отверстия в дисках третьего экрана 6,

- кольцевые выступы на наружной поверхности дисков третьего экрана 7.

На фиг.4 показана компьютерная модель предлагаемого варианта конструкции системы магнитной защиты в плоскости симметрии Y=0.

На фиг.5 показана компьютерная модель предлагаемого упрощенного варианта конструкции системы магнитной защиты в плоскости симметрии Y=0.

На фиг.6 показан фрагмент компьютерной модели с изображением формы щелевого отверстия в дисках третьего экрана в плоскости симметрии Х=0.

На фиг.7 показан фрагмент компьютерной модели с изображением кольцевого выступа и щелевого отверстия в дисках третьего экрана в плоскости симметрии Х=0.

На фиг.8 приведены расчетные функции осевого распределения модуля напряженности магнитного поля вблизи щелевого отверстия третьего экрана.

На фиг.9 приведены расчетные функции осевого распределения модуля напряженности поля для системы магнитной защиты - прототипа и системы магнитной защиты АЛТ согласно предлагаемому изобретению, где показаны:

- функция осевого распределения модуля напряженности поля, рассчитанная для системы магнитной защиты - прототипа - кривая 1,

- функция осевого распределения модуля напряженности поля, рассчитанная для предлагаемой системы магнитной защиты АЛТ с оптической селекцией атомных состояний - кривая 2,

- функция осевого распределения модуля напряженности поля, рассчитанная для упрощенного варианта системы, в которой первый экран выполнен в виде в виде двух дисков - кривая 3.

Пример.

Предлагаемая система магнитной защиты АЛТ с оптической селекцией атомных состояний содержит четыре магнитных экрана 1, 2, 3. 4, изготовленных из пермаллоя 79НМ в виде полых цилиндров, имеющих общую ось вращения, закрытых с торцов плоскими дисками.

Цилиндрическая часть наружного экрана 4 имеет длину 457 мм, наружный диаметром 121.5 мм и толщину стенки 1.5 мм. Плоские диски экрана 4 имеют диаметр 121.5 мм и толщину 1.5 мм.

Цилиндрическая часть экрана 3 имеет длину 320 мм, наружный диаметр 108 мм и толщину стенки 1.5 мм. Плоские диски экрана 3 имеют диаметр 108 мм и толщину 2 мм. В дисках выполнены центральные щелевые отверстия с шириной а=3 мм, длиной b=7 мм и радиусом закругления боковой стенки r=1.5 мм. На наружной поверхности дисков выполнены кольцевые выступы высотой h=4 мм, толщиной t=1 мм и с внутренним диаметром d=8 мм.

Цилиндрическая часть экрана 2 имеет длину 308 мм, наружный диаметр 93 мм и толщину 0.5 мм. Плоские диски экрана 2 выполнены диаметром 93 мм и толщиной 2 мм, в центре которых выполнены сквозные круглые отверстия 5 диаметром 10 мм. Ширина зазора s1 между дисками экранов 3 и 2 составляет 4 мм.

Цилиндрическая часть экрана 1 имеет длину 220 мм, наружный диаметр 81 мм и толщину 0.5 мм. Плоские диски экрана 1 выполнены диаметром 81 мм и толщиной 1.5 мм, в центре которых выполнены сквозные круглые отверстия диаметром 10 мм. Ширина зазора s между дисками экранов 1 и 2 составляет 43.5 мм.

Система магнитной защиты АЛТ работает следующим образом.

Принцип работы системы магнитной защиты АЛТ основан на физическом явлении, связанным с ослаблением напряженности поля внутри полого электрода - экрана из ферромагнитного материала, помещенного во внешнее статическое (или медленно меняющееся) магнитное поле. Отношение напряженности внешнего магнитного поля к напряженности поля внутри полости электрода - экрана принято называть коэффициентом экранирования. Величина коэффициента экранирования тем больше, чем больше магнитная проницаемость µ ферромагнитного материала и чем больше толщина стенок экрана.

Экран 4, являющийся корпусом АЛТ, выполняет роль первой ступени в системе магнитной защиты АЛТ с коэффициентом экранирования К4. Внутри полости последующих экранов 3, 2 и 1 обеспечивается дальнейшее ослабление проникающего магнитного поля соответственно с коэффициентами экранирования К3, К2 и К1. Таким образом, общий коэффициент экранирования системы магнитной защиты (в центре полости экрана 1) равен произведению коэффициентов экранирования всех четырех экранов К=К4·К3·К2·К1. Это обстоятельство позволяет обеспечить в многослойном экране высокий коэффициент экранирования в диапазоне К=105…107.

Сквозные отверстия 5, 6 в дисках экранов 1, 2 и 3, необходимые для прохождения атомного пучка и расположенные на одной центральной оси АЛТ, улучшают проницаемость магнитного поля в полости экранов, т.е. снижают величину коэффициента экранирования К. Этот эффект в наибольшей мере проявляется в случае, когда направление вектора напряженности внешнего магнитного поля совпадает с направлением продольной оси системы защитных экранов. Кольцевой выступ 7 на наружной поверхности дисков экрана 3 частично экранирует центральную область диска экрана 3 с щелевым отверстием 6 от магнитного поля, проникающего сквозь стенки корпуса АЛТ (сплошного экрана 4), и тем самым повышает коэффициент экранирования системы магнитной защиты.

Возможность реализации предлагаемой системы защитных экранов в АЛТ с оптической селекцией атомных состояний и ее технические преимущества над системой - прототипом подтверждены методом компьютерного моделирования. В компьютерном моделировании учитывались нелинейность магнитной проницаемости µ (свойства ферромагнитного материала) путем задания в модель справочных ВН-кривых для применяемых марок пермаллоя 79НМ и 81НМА.

Компьютерные модели системы защитных экранов и их отдельные элементы показаны на фиг.4-7. Модели построены в декартовой системе координат XYZ, координатная ось Z которой направлена вдоль оси симметрии системы защитных экранов, а оси Х и Y - в поперечном и продольном направлениях расположения щелевого отверстия 6 в диске экрана 3. Начало координат Z=0 задано в центре щелевого отверстия 6 во входной (по направлению движения атомного пучка) плоскости первого диска экрана 3. При построении компьютерных моделей учитывалась симметрия относительно плоскостей Y=0 (фиг.4, фиг.5) и Х=0 (фиг.6, фиг.7). Модели изображены в одинаковом масштабе по координатным осям X, Y и Z. Линейные размеры заданы в миллиметрах на оси Z (фиг.4 и фиг.5).

На фиг.8. приведены результаты компьютерного моделирования, поясняющие действие кольцевого выступа 7 на снижение проницаемости внешнего магнитного поля в область щелевого отверстия 6 в диске экрана 3. Расчеты проведены в заданном внешнем однородном магнитном поле напряженностью 2 Э, направленном вдоль оси Z системы экранов, при этом на наружной поверхности дисков экрана или задан, или исключен кольцевой выступ 7, как показано соответственно на фиг.7 и фиг.6.

Результаты расчета представлены в виде функций распределения модуля напряженности поля (в эрстедах) вдоль оси Z (в миллиметрах). Кривая №1 на фиг.8 рассчитана для системы экранов с кольцевым выступом, а кривая №2 на фиг.8 - для системы без кольцевого выступа на наружной поверхности дисков экрана 3. Из расчета видно, что в системе с кольцевым выступом величина напряженности поля на входе в щелевое отверстие Z=0 (точка 1 на фиг.8) снижается по сравнению с напряженностью поля в системе без кольцевого выступа (точка 2 на фиг.8).

На фиг.9 приведены результаты сравнительного анализа экранирующих свойств системы магнитной защиты - прототипа и предлагаемых вариантов системы магнитной защиты для АЛТ с оптической селекцией атомных состояний. Относительная величина зазора между дисками экранов 1 и 2, относительные размеры щелевого отверстия и кольцевого выступа в предлагаемой системе магнитной защиты соответственно заданы равными: s/s1=10.875 (где s1=4.0 мм), a/a1=1.2, b/b1=1.4, r/а=0.5 (где a1=2.5 мм, b1=5.0 мм), d/b=1.2, h/d=0.5, t/t1=0.5 (где t1=2 мм). Расчет всех указанных систем выполнен в режиме сильного внешнего однородного магнитного поля (5 Э) и при наиболее неблагоприятной ориентации вектора напряженности поля вдоль корпуса АЛТ по оси Z. Результаты расчета представлены в виде функциональной зависимости lg|H|=f(Z) в логарифмическом масштабе, где модуль напряженности поля задан в эрстедах, а расстояние Z вдоль оси системы магнитных экранов - в миллиметрах. Величина коэффициента экранирования системы защитных магнитных экранов в любой заданной точке Z определялась как отношение модуля напряженности внешнего магнитного поля (5 Э) к модулю напряженности поля и в заданной точке Z: К=5 Э/lg|H|, Э.

Кривая №1 на фиг.9 рассчитана для системы магнитной защиты - прототипа [4]. В этих расчетах, кроме внешнего однородного продольного поля напряженностью 5 Э, учтено также магнитное поле рассеяния отклоняющих магнитов, внешнее по отношению к экранам 1, 2 и 3. Все геометрические размеры заданы по чертежам экранов, отклоняющих магнитов и формирующих пластин.

Внутри формирующих пластин вектор напряженности поля рассеяния всех источников магнитного поля направлен перпендикулярно плоскости расположения пластин (вдоль оси X). Модуль напряженности поля в этой области слабо меняется. На кривой №1, представленной в логарифмическом масштабе, это отображается в виде плоских участков. Первая пара формирующих пластин находится между наружной поверхностью диска экрана 3 и арматурой отклоняющего магнита в области еще достаточно сильного поля рассеяния отклоняющего магнита. В этом месте образуется первый плоский участок функции lg|H|=f(Z), в которой напряженностью поля находится в пределах 102…103 Э (2<lg|H|<3). Внутри второй пары формирующих пластин, установленных в области отверстий 6 и 5 в дисках экранов 3, 2 и 1, напряженность поля снижается до уровня 10-1…10-2 Э (-2<lg|H|<-1). С этим связан второй плоский участок функции lg|H|=f(Z). По мере приближения к центру системы экранов ((Z=160) напряженность проникающего поля резко снижается. В области 50≤Z≤75, где расположен первый (входной) зазор СВЧ-резонатора, напряженность поля меняется в диапазоне 10-3…10-4 Э (-4<lg|H|<-3). В центре системы она снижается до уровня 10-6 Э (lg|H|=-6). Таким образом, в соответствии с полученными величинами напряженности поля коэффициент экранирования поля в области первого резонаторного зазора меняется в диапазоне K=5·(103…104), в то время как в центре СВЧ-резонатора (экрана 1) его величина составляет К=5·106. Таким образом, результаты компьютерного моделирования подтверждают указанный выше недостаток системы магнитной защиты - прототипа, связанный с недостаточной торцевой защитой АЛТ с магнитной селекцией атомных состояний.

Кривая №2 на фиг.9 рассчитана для предлагаемой системы магнитной защиты АЛТ с оптической селекцией атомных состояний, изображенной на фиг.1. фиг.3, фиг.4 и фиг.7. Относительные размеры зазора между дисками экранов 1 и 2, щелевого отверстия и кольцевого выступа выбраны в пределах, определяемых заданными условиями: s/s1=10.875 (где s1=4.0 мм), a/a1=1.2, b/b1=1.4, r/а=0.5 (где a1=2.5 мм, b1=5.0 мм), d/b=1.2, h/d=0.5, t/t1=0.5 (где t1=2 мм).

Из приведенного расчета следует, что внутри корпуса АЛТ (экрана 4) в области между диском экрана 4 и плоскостью Z=-4.0, в которой расположена вершина кольцевого выступа, внешнее поле (5 Э) ослабляется до уровня 10-1 Э (lg|H|=-1.0). В области кольцевого выступа (-4.0<Z<0) напряженность поля ослабляется еще на порядок и составляет 10-2 Э (lg|H|=-2.0). В отверстиях 6 и 5 в дисках экранов 3 и 2 напряженность поля снижается до уровня 10-4 Э (lg|H|=-4.5) и остается примерно постоянной в интервале 28.0<Z<71.5. В области размещения камеры 8 оптической селекции атомных состояний. Внутри полости экрана 1 напряженность поля уменьшается еще на два порядка, то есть достигает уровня 10-7 Э (lg|H|=-6.5) и остается практически постоянной. Таким образом, во всей внутренней полости экрана 1 коэффициент экранирования составляет К=107.

Кривая №3 на фиг.9 рассчитана для предлагаемой упрощенной конструкции системы магнитной защиты АЛТ с оптической селекцией атомных состояний (фиг.2, фиг.3, фиг.5 и фиг.7), в которой первый экран выполнен в виде в виде двух дисков, соединенных с цилиндрической частью экрана 2. Относительные размеры зазора между дисками экранов 1 и 2, щелевого отверстия и кольцевого выступа выбраны такими же, как и при расчете кривой 2 на фиг.9.

В переходной области Z<12, в которой расположены кольцевой выступ 7 и диски экранов 3 и 2 с отверстиями 6 и 5, ход кривых 1 и 2 практически совпадает. В области между дисками экранов 2 и 1 и в полости 9 экрана 1, где расположен СВЧ-резонатор, напряженность поля достигает 10-5 Э (lg|H|=-5) и остается практически постоянной. В итоге величина коэффициента экранирования в упрощенной конструкции системы магнитной защиты составляет К=0,5·106.

Таким образом, предлагается новая конструкция системы магнитной защиты с увеличенным более чем на порядок коэффициентом экранирования по сравнению с прототипом. Это позволяет повысить устойчивость атомно-лучевых трубок нового типа с оптической селекцией к воздействию внешнего меняющегося магнитного поля и уменьшить магнитный сдвиг частоты.

Источники информации

[1]. Е.Н.Покровский и др. Атомно-лучевые цезиевые трубки. Электронная техника, сер.1, СВЧ-техника, вып.3 (502), 2009, с.4-16.

[2]. С.А.Плешанов, И.И.Самарцев, Ю.А.Турутин. Цезиевая атомно-лучевая трубка с оптической селекцией атомных состояний на входе в СВЧ-резонатор. Электронная техника, сер.1, СВЧ-техника, вып.1 (489), 2007, с.87-92.

[3]. И.И.Самарцев. Атомно-лучевые цезиевые трубки. Сборник лекций в VI томах под общей редакцией д.т.н. А.Н.Королева. ФГУП «НПП «ИСТОК» 2004 г., с.205-223.

[4]. Е.И.Абрамов и др. Атомно-лучевая трубка с повышенной устойчивостью к воздействию магнитных полей. Электронная техника, сер.1, СВЧ-техника, вып.2 (446), 1992, с.11-14 (прототип).

1. Система магнитной защиты цезиевой атомно-лучевой трубки с оптической селекцией атомных состояний, содержащая четыре магнитных экрана, выполненных в виде полых цилиндров, имеющих общую ось вращения, торцы которых закрыты плоскими дисками, четвертый экран является корпусом атомно-лучевой трубки, третий, второй и первый экраны расположены внутри корпуса, диски экранов разделены между собой зазорами, в центре дисков выполнены сквозные отверстия для пропускания ленточного атомного пучка, отличающаяся тем, что отверстия в дисках третьего экрана выполнены щелевыми с закругленными узкими боковыми стенками, вокруг щелевого отверстия с наружной стороны каждого диска выполнен кольцевой выступ, при этом ширина щелевого отверстия a и длина щелевого отверстия b определяются из условия:
1,2≤а/а1≤1,4, 1,4≤b/b1≤1,6,
где a1 - ширина ленточного пучка,
b1 - длина ленточного пучка,
радиус закругления щелевого отверстия r равен половине ширины щелевого отверстия a,
высота кольцевого выступа h, внутренний диаметр кольцевого выступа d и толщина кольцевого выступа t определяются из условий:
1,0≤d/b≤1,5, 0,5≤h/d≤1,0, 0,5≤t/t1≤1,0,
где t1 - толщина диска третьего экрана,
ширина зазора между дисками первого и второго экранов S и ширина зазора между дисками второго и третьего экранов S1 определяются из условия:
5≤S/S1≤15.

2. Система магнитной защиты цезиевой атомно-лучевой трубки с оптической селекцией атомных состояний по п.1, отличающаяся тем, что первый экран выполнен в виде двух дисков, соединенных с поверхностью цилиндрической части второго экрана.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к технике стабилизации частоты и может быть использовано в квантовых стандартах частоты на газовой ячейке с источником света оптической накачки в виде безэлектродной спектральной лампы.

Изобретение относится к технике квантовых дискриминаторов частоты. .

Изобретение относится к технике стабилизации частоты и может быть использовано в атомно-лучевых стандартах частоты. .

Изобретение относится к технике квантовых дискриминаторов частоты (КДЧ). .

Изобретение относится к ионной оптике и может быть использовано в квантовых дискриминаторах частоты на основе атомных пучков, в частности, в цезиевых атомно-лучевых трубках (АЛТ).

Изобретение относится к квантовым стандартам частоты пассивного типа и может быть использовано в рубидиевых стандартах частоты с принудительной подстройкой частоты стандарта.

Изобретение относится к квантовой радиофизике. .

Изобретение относится к атомным стандартам частоты. .
Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано в пассивных квантовых мерах частоты на парах рубидия

Изобретение относится к технике квантовых стандартов частоты (КСЧ) на основе цезиевых атомно-лучевых трубок (АЛТ), предназначенных для использования в качестве источников сверхстабильных частот в различных навигационных системах, в том числе в спутниковой системе ГЛОНАСС

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано в квантовых стандартах частоты

Изобретение относится к технике квантовых стандартов частоты на основе цезиевых атомно-лучевых трубок
Наверх