Повышение точности, стабильности и надежности квантового дискриминатора пассивного водородного стандарта частоты

• Автор: Васильев, Владимир Ильич
• Шифр специальности: 05.11.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 202 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 АМПЛИТУДНЫЕ И ЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

КВАНТОВОГО ВОДОРОДНОГО ДИСКРИМИНАТОРА

1.1 Физические принципы работы пассивного водородного

стандарта частоты

1Л Л Квантовый водородный дискриминатор и стандарт

частоты па его основе

1Л .2 Существующее решение уравнений квантового

дискриминатора в приближении «стационарного режима»

1.2 Исследование характеристик квантового дискриминатора в

широком диапазоне мощности сигнала возбуждения
1.2.1 Верификация амплитудных характеристик, полученных в приближении «стационарного режима»
1.2.2 Экспериментальное исследование формы спектральной линии в зависимости от мощности сигнала возбуждения
1.2.3 Модель резонансного воздействия сильного поля на квантовый дискриминатор
1.2.4 Анализ сдвигов частоты квантового дискриминатора
1.2.4.1 Затягивание частоты резонатором - нормальный и аномальный режимы
1.2.4.2 Зависимость от мощности сигнала возбуждения
1.3 Выводы
ГЛАВА 2 ОПТИМИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ ФОРМИРОВАНИЯ ПУЧКА
АТОМАРНОГО ВОДОРОДА
2.1 Исследование стабильности очистителя молекулярного
водорода
2.1.1 Очиститель молекулярного водорода в составе
квантового дискриминатора
2.1.2 Причины неидеальной проницаемости никелевых мембран
2.1.3 Квазиравновесная модель очистителя

2.1.4 Неравновесная модель очистителя
2.1.5 Усовершенствование технологии изготовления
2.2 Надежность источника атомарного водорода
2.2.1 Исследование поверхности разрядной колбы
2.2.2 Факторы физического разрушения разрядной колбы
2.2.3 Физика плазмы ВЧ-разряда низкого давления
2.2.4 Электретный механизм деградации разрядной колбы
2.3 Оптимизация магнитной сортирующей системы
2.4 Выводы
ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЕ СВЧ-РЕЗОНАТОРА С ПОМОЩЬЮ
ЧИСЛЕННОГО ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
3.1 Возможности компьютерного моделирования
3.2 Изменение добротности СВЧ-резонатора при миниатюризации
конструкции
3.3 Влияние перемещения накопительной колбы на изменение
частоты СВЧ-резонатора
3.3.1 Изучение СВЧ-поля в резонаторе методом возмущений
3.3.2 Сдвиг частоты резонатора в зависимости от параметров смещения колбы
3.4 Коэффициенты отражения и поглощения при передаче
мощности через СВЧ-резонатор с потерями
3.4.1 Постановка задачи
3.4.2 Коэффициенты связи с резонатором
3.4.3 Результаты моделирования резонатора с двумя разными петлями
3.5 Выводы
ГЛАВА 4 ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОЙ
ПОДСТРОЙКИ ЧАСТОТЫ СВЧ-РЕЗОНАТОРА
4.1 Точность настройки резонатора методом фазовой модуляции
сигнала возбуждения
4.1.1 Искажение спектра сигнала возбуждения

4.1.2 Асимметрия резонансной кривой резонатора
4.1.3 Влияние длины СВЧ-кабелей связи с резонатором
4.2 Добротность цилиндрического СВЧ-резонатора при
электронной перестройке его частоты
4.2.1 Модель однократного рассеяния от петли-антенны
4.2.2 Перестраиваемый рассеиватель - учет киральности
петли
4.2.3 Особенность резонатора магнетронного типа
4.3 Выводы
ГЛАВА 5 ИССЛЕДОВАНИЕ НЕСТАБИЛЬНОСТИ ЧАСТОТЫ
ВЫХОДНОГО СИГНАЛА ПАССИВНОГО ВОДОРОДНОГО СТАНДАРТА ЧАСТОТЫ
5.1 Анализ кратковременной нестабильности частоты,
обусловленной тепловыми шумами квантового дискриминатора и приемника
5.1.1 Общие принципы
5.1.2 Оптимизация коэффициентов связи резонатора с нагрузкой
5.2 Оценка кратковременной нестабильности частоты по
отношению сигнал/шум на выходе селективного усилителя
5.2.1 Влияние времени накопления атомов водорода на нестабильность частоты
5.2.2 Нестабильность частоты в зависимости от мощности сигнала возбуждения
5.3 Анализ достижимой кратковременной нестабильности частоты
и ее связь с миниатюризацией конструкции
5.4 Исследование долговременной нестабильности частоты
5.4.1 Температурная чувствительность стандарта частоты, обусловленная влиянием квантового дискриминатора
5.4.2 Фликкер-шум электронной перестройки частоты СВЧ-резонатора
5.4.3 Дрейф частоты выходного сигнала

десятилетие усовершенствовались, и это позволяет обнаруживать более тонкие эффекты.
1.2.3 МОДЕЛЬ РЕЗОНАНСНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ СИЛЬНОГО ПОЛЯ НА КВАНТОВЫЙ ДИСКРИМИНАТОР
В квантовой механике задача о возмущении атомного спектра двухуровневой системы под действием сильного переменного электромагнитного поля решена [34, 35, 36]. Данное решение может быть использовано для водородного мазера.
В случае сильного поля результат включения поля нельзя рассматривать в рамках первого порядка теории возмущений. При воздействии внешнего поля Н cos(tu/) на двухуровневую квантовую систему рассматривается новое качественное состояние «атом+поле» («dressed atom» - атом, одетый полем).
В приближении нерезонансного воздействия (со Ф сул ) система, в соответствии с теоремой Флоке, трансформируется в спектр квазиэнергетических состояний, отстоящих друг от друга на величину пропорциональную значению со и имеющих разный спектральный вес [37]. Доказано также, что система получает дополнительную энергию:
ДЕ = ±Хдш,Р,
где Хдип - динамическая восприимчивость (поляризуемость) атома, Р - мощность поля.
Нерезонансный вариант эффекта исследовался Одуаном на КВГ в Лаборатории атомного времени в Орсэ (Франция) [38, 39]. В Питтсбургском университете (США) он был подтвержден в экспериментах с ридберговскими. (высоковозбужденными) состояниями атома водорода [37]. В настоящее время нерезонансная модель «атом+поле» применяется для уточнения прецизионных экспериментов с КВГ по двойному резонансу [40].
В случае резонансного воздействия частота перехода близка к частоте внешнего поля, в этом случае расстройка A = (E2-El)/ti-a>« со. В приближении мгновенного включения поля доказано [35, 36, 41], что каждый невозмущенный уровень с энергиями £/ и Е2 расщепляется на два квазистационарных уровня. Переходы между квазистационарными состояниями одного уровня запрещены: На рис. 1.13 изображено образование новых квазистационарных состояний для двухуровневой системы в