Способ настройки частоты резонатора водородного генератора

 

ОПИС

ИЗОБРЕ

К АВТОРСКОМУ С

5340ОЗ

Союз Советских

Социалистических

Республик (61) Дополнительное к (22) Заявлено 01,11.74 (2 с присоединением з (23) Приоритет

Опубликовано 30.10.76.

Дата опубликования on

М. Кл.- Н 01$1 06

Государственный комитет

Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

УДК 621.375.8 (088.8) (72) Авторы изобретения

Б. А. Гайгеров и Л. П. Елкина (71) Заявитель (54) СПОСОБ НАСТРОЙКИ ЧАСТОТЫ РЕЗОНАТОРА

ВОДОРОДНОГО ГЕНЕРАТОРА

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано при разработке схем стабилизации частоты квантовых генераторов.

Известно, что частота генерации водородного генератора зависит от расстройки частоты резонатора относительно вершины спектральной линии излучения атомов водорода. Для стабилизации частоты генерации используют настройку частоты резонатора по какому-либо критерию, которая может производиться эпизодически или непрерывно с помощью системы автоматической подстройки частоты. При эпизодической настройке необходимая стабильность частоты водородного генератора достигается за счет стабилизации параметров, влияющих на частоту резонатора (температура, давление воздуха, механические нагрузки и т. д.), что при необходимости обеспечить высокую стабильность на длительных интервалах времени (от нескольких суток до нескольких месяцев) приводит к весьма сложным техническим решениям.

Известны способы автоматической настройки резонаторов квантовых генераторов по модуляции добротности ширины линии излучения и по амплитудному критерию. При автоматической настройке частоты резонатора по модуляции ширины линии излучения (1) частоту резонатора стабилизируют относительно того значения, при котором изменение интенсивности пучка, неоднородности магнитного поля или других факторов, приводящих к измене. нию ширины линии излучения, соответствует минимуму девиации частоты генерации.

Недостатком этого способа автоматической настройки является необходимость для его реализации непрерывной работы вспомогательного высокостабильного генератора, в качестве которого используют второй водородный генератор.

Были предложены схемы автоматической настройки (2), в которых роль основного генератора исполняет кварцевый генератор, стабили15 зируемый по водородному генератору с достаточно большой постоянной времени. Эти схемы не позволяют реализовать высокую стабильность частоты водородного генератора, так как воспроизводимость частоты водород20 ного генератора ограничена погрешностью измерения вариации частоты водородного генератора при модуляции ширины линии излучения, а применение в качестве опорного генератора кварцевого генератора не позволяет из25 мерять вариации частоты водородного генератора с достаточно малой погрешностью (1. .10-") ни при каких интервалах времени измерения.

Известен способ автоматической настройки

30 резонатора водородного генератора по ампли534003 стотной ность в больше. глубины глубины излучени ннем:

10 где

20

6 f,= — С. 1+

Л4+ЛЬ= О.

30 где

3 тудному критерию (3). Для его осуществления модулируют собственную частоту резонатора симметричными, например, прямоугольными импульсами, что приводит к амплитудной модуляции сигнала водородного генератора с частотой первой гармоники модуляции в том случае, если резонатор расстроен относительно вершины линии излучения. Частоту ре;:îíàòîðà при этом стабилизируют относительно того значения, при котором отсутствует амплитудная модуляция сигнала водородного генератора с частотой модуляции собственной частоты резонатора.

Недостатком этого способа настройки является зависимость частоты водородного генератора от ширины линии излучения, обусловленная спин-обменными соударениями атомов в накопительной колбе. Сдвиг частоты генерации от значения частоты перехода, невозмущенного спин-обменными соударениями, зависит от интенсивности пучка атомов водорода, неоднородности магнитного поля и других факторов, влияющих на ширину линии излучения. Теоретически сдвиг частоты из-за спин-обменных соударений атомов определяется соотношением

С вЂ” некоторый коэффициент, типичное значение которого 1 ° 10 —, Ло,„— глубина частотной модуляции резонатора;

Q — добротность резонатора;

2 б — ширина линии излучения атомов водорода.

Эта зависимость приводит к нестабильности частоты водородного генератора, которая в отдельных случаях достигает (1 —:3) 10 — 12 в относительном выражении.

Целью изобретения является повышение стабильности частоты водородного генератора при автоматической стабилизации резонатора по амплитудному критерию за счет устранения зависимости частоты генерации от ширины линии излучения.

Поставленная цель достигается тем, что вводят в такт с модуляцией частоты модуляцию добротности резонатора сигналом, величину и полярность которого устанавливают по признаку минимальной зависимости частоты генерации от ширины линии излучения.

Модулировать ширину линии излучения можно любым известным способом, например, изменением интенсивности пучка. При этом сдвиг частоты линии излучения, вызванный спин-обменным взаимодействием атомов, смещает частоту генератора, резонатор которого настроен по амплитудному критерию. Предлагается в такт с частотной модуляцией ввести модуляцию добротности резонатора (ЛЯР), которая при автоматической настройке резонатора по амплитудному критерию смещает частоту резонатора в сторону того склона ча35

4 характеристики, на котором добротрезультате модуляции оказывается

Величина этого сдвига зависит от модуляции добротности резонатора, частотной модуляции, ширины линии я атомов и определяется соотноше 4=f:

f, номинальное значение частоты водородного генератора;

ЛЯр — относительная величина глубины модуляции добротности резонатора;

2 6„ — ширина линии излучения;

Ль„— глубина расстройки резонатора.

Глубину модуляции добротности резонатоАЦ ра Р предлагается эпизодически корректиQy ровать к тому значению, при котором изменение сдвига частоты Л/в, обусловленное спинобменными соударениями атомов, будет скомпенсировано изменением частоты генерации при модуляции добротности резонатора, что соответствует условию

В предложенном способе настройки в отличие от известного способа автоматической настройки по амплитудному критерию, значение частоты генерации не зависит от факторов, вызывающих изменение ширины линии излучения.

На чертеже приведена функциональная схема системы автоматической настройки резонатора водородного генератора по амплитудному критерию с использованием предлагаемого способа настройки.

Схема работает следующим образом.

Модуляция собственной частоты резонатора

1 водородного генератора производится путем подачи специально сформированного сигнала, например симметричных прямоугольных импульсов, с генератора модулирующих импульсов 2 на управляемый реактивный элемент 3, в качестве которого может быть использован варикап или переключающий диод, связанный с резонатором при помощи петли связи. Сигнал водородного генератора после усиления и преобразования в приемнике-преобразователе

4 подается на амплитудный детектор 5, на котором выделяется огибающая амплитудной модуляции сигнала. Амплитуда низкочастотного сигнала на выходе амплитудного детектора 5 зависит от величины расстройки резонатора относительно вершины линии излучения, а сдвиг фаз относительно модулирующего — от знака расстройки. Низкочастотный сигнал с выхода селективного усилителя 6 поступает на схему управления 7 реверсивным двигателем

8, связанным с элементом перестройки резонатора .9, например, диэлектрическим штырем, 534003

Способ настройки частоты резонатора водоЗ5 родного генератора, заключающийся в модуляции собственной частоты резонатора симметричными, например, прямоугольными импульсами и в автоматической стабилизации ее среднего значения, при котором отсутствует

40 амплитудная модуляция выходного сигнала генератора, отличающийся тем, что, с целью повышения стабильности частоты генератора, вводят в такт с модуляцией частоты модуляцию добротности резонатора сигналом, 45 величину и полярность которого устанавливают по признаку минимальной зависимости частоты генерации от ширины линии излучения. вводимым в резонатор. Таким образом, система регулирования автоматически подстраивает частоту рсзонатора к тому среднему значению, при котором отсутствует амплитудная модуляция сигнала водородного генератора с частотой первой гармоники модулирующего сигнала.

Модуляция добротности резонатора производится путем подачи модулирующих импульсов с выхода генератора 2 через схему корректировки глубины модуляции 10 на управляемое активное сопротивление 11, например полупроводниковый диод, связанный с резонатором посредством петли связи.

Модуляция ширины линии излучения (о ) производится изменением интенсивности пучка атомов водорода 12 при помощи специального модулятора 13. Период модуляции ширины линии излучения выбирается много большим времени установления в системе автоматической подстройки резонатора. Вариации частоты генерации, сопровождающие модуляцию ширины линии излучения, измеряются специальным сличительным устройством 14 при сличении частоты стабилизируемого генератора и вспомогательного опорного ген ер атор а 15.

Предложенный способ настройки резонатора водородного генератора включает следующие операции: модуляцию частоты резонатора симметричными, например, прямоугольными импульсами; модуляцию добротности резонатора симметричными, например прямоугольными импульсами; автоматическую стабилизацию частоты резонатора по амплитудному критерию; включение модуляции ширины линии излучения; измерение девиации частоты водородного генератора в такт с модуляцией ширины линии излучения; корректировку глубины модуляции добротности установку такого значения глубины модуляции, при котором девиация частоты минимальна; прекращение модуляции ширины линии излучения и переход на автономный режим работы с автоподстройкой по амплитудному критерию.

Использование предложенного способа настройки частоты резонатора водородного генератора обеспечивает по сравнению с известными способами следующие преимущества; позволяет значительно повысить долговременную стабильность частоты водородного генератора на интервалах времени, ограниченных только ресурсом работы устройства; исполь5 зовать водородные генераторы в качестве хранителей времени в режиме непрерывной работы; удешевить конструкцию водородного генератора за счет упрощения узлов, обеспечивающих стабилпзацгпо его частоты.

10 Введение предложенного способа настройки позволило уменьшить средпеквадратическое относительное суточное отклонение выходной частоты квантовой меры на водородном генераторе от среднего за месяц с (1 —:2) 10 —" до (2 — 3) 10 — з

Частота генератора в течение шести месяцев не корректировалась и за это время дрейф частот с погрешностью 2.10 —" в относительном выражении обнаружен не был. Среднеквадратическая вариация частоты выходного сигнала 2 МГц квантовой меры частоты составила 3 10 —" при времени измерения 10 с;

1 10 —" за 100 с и более.

Водородные генераторы с использованием

25 предложенного способа настройки могут найти применение в качестве источников сигналов с высокой долговременной стабильностью в составе эталонов времени и частоты, в навигационных системах.

Формула изобретения

534003

Составитель С. Рыжих

Техред 3. Тараненко

Корректор Л. Котова

Редактор Н. Коляда

Типография, пр. Сапунова, 2

Заказ 2478/3 Изд. № 1763 Тираж 963 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5