Введение к работе
Актуальность работы
Газоразрядные источники оптического излучения па основе высокочастотного безэлектродного разряда в парах металла широко используются в различных областях науки и техники Одним из важных направлений применения является их использование в пассивных квантовых стандартах частоты (КСЧ) на основе паров щелочных металлов, в частности рубидия Наивысшая стабильность и воспроизводимость частоты достигнуты в настоящее время в КСЧ, работа которых основана на использовании явлений избирательного поглощения энергии электромагнитного поля Свойством этих явлений, благодаря которому стало возможным их использование для эталонирования частоты, является то, что при определенных условиях поглощение происходит на строго фиксированных частотах, значения которых слабо зависят от внешних факторов и сохраняются неизменными во времени с высокой точностью В настоящее время КСЧ применяют в составе современных систем навигации, синхронизации и связи коммерческого и военного назначения как источники сигнала опорной частоты. Требования к характеристикам этих систем постоянно растут, что предполагает совершенствование и улучшение применяемых в КСЧ элементов В КСЧ осуществляется стабилизация кварцевого генератора по частоте атомного перехода Одним из узлов КСЧ, определяющих в значительной степени, как его кратковременную нестабильность, так и долговременный дрейф, является газоразрядный источник излучения (ИИ), используемый в составе физического блока КСЧ для реализации принципа радиооптического резонанса Поэтому к ИИ предъявляются повышенные требования по стабильности потока излучения Применение для оптической накачки излучения газоразрядного источника не является единственным возможным вариантом построения подобных систем, однако, по совокупности всех предъявляемых требований по устойчивости, надежности и стабильности, исследуемый тип КСЧ и ИИ в его составе сможет обеспечить длительный срок службы и жесткие условия эксплуатации Работа по изучению особенностей процессов, происходящих в ИИ на основе газоразрядной лампы с парами рубидия в квантовых стандартах частоты является важной и актуальной
Цель работы
Целью работы являлось изучение особенностей работы ИИ, применяемых в КСЧ, а также поиск границ использования результатов при разработке современного ИИ с долгосрочным ресурсом работы
Задачи исследования
Обзор современного состояния и общих принципов построения ИИ используемых в КСЧ
Исследование теоретических положений, описывающих физические явления, используемые при работе ИИ.
Изучение особенностей работы ИИ в физическом блоке КСЧ
Создание методики энергетического расчета физического блока КСЧ
Разработка методики настройки ИИ
Создание ИИ с большим ресурсом работы
Разработка стенда и экспериментальное исследование характеристик ИИ
Методы исследования
8 работе применялись числовой метод спектральной фильтрации и
модуляции оптического излучения, аналитический метод, основанный на
применении теории газового разряда, методы расчета электрических
цепей, элементы теории четырехполюсников, и теории СВЧ транзисторов,
компьютерный метод моделирования структуры электромагнитных
полей
Научная новизна диссертации
методика энергетического расчета физического блока КСЧ с учетом сверхтонкой фильтрации и модуляции потока излучения при возникновении эффекта радиооптического резонанса,
компьютерная модель формирования безэлектродного разряда в электромагнитном поле с заданной несимметричной геометрией электродов,
инженерная методика расчета ИИ на основе безэлекродной газоразрядной лампы с низкими флуктуациями потока излучения,
принципы построения стенда для долговременных исследований характеристик ИИ
Основные результаты, выносимые на защиту
Результаты моделирования и оптимизации параметров ИИ на основе безэлектродной газоразрядной лампы и СВЧ генератора возбуждения, для использования в КСЧ
Компьютерная модель формирования безэлектродного разряда в электромагнитном поле с заданной несимметричной геометрией при изолированных электродах
Методика энергетического расчета физического блока КСЧ с учетом модуляции потока излучения при возникновении эффекта радиооптического резонанса.
4 Методика настройки генератора возбуждения ИИ по критерию максимальной энергетической светимости спектральной лампы
5. Результаты экспериментальных исследований времени готовности, флуктуации и дрейфа потока излучения ИИ во времени
Практические результаты работы
1. Найдены оптимальные решения при моделировании и оптимизации параметров ИИ на основе безэлектродной газоразрядной лампы и СВЧ генератора возбуждения, использованные для создания современного ИИ применительно к приложению в КСЧ,
Методика энергетического расчета физического блока КСЧ, определяющая энергетические характеристики ИИ с учетом модуляции потока излучения при возникновении эффекта радиооптического резонанса
Методика настройки ИИ для КСЧ, позволяющая проводить настройку на основании выбранного критерия максимальной энергетической светимости спектральной лампы
Макет нового ИИ с использованием современной элементной базы, на котором достигнуты характеристики обеспечивающие нестабильность КСЧ на уровне ПО"11 т-0'5и менее (у серийных КСЧ 3 10_и т0,5)
Создан стенд для долговременных исследований характеристик ИИ
Реализация результатов работы подтверждена использованием и внедрением результатов моделирования, оптимизации и практических исследований по тематике диссертации на научно-техническом предприятии «ТКА», в ОАО «Российский институт радионавигации и времени» и на кафедре оптико-электронных приборов и систем «Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики»
Апробация работы
Основные результаты работы представлялись на форуме и конференциях 16th European Frequency and Time Forum (Saint-Petersburg, 2002), конференции «Прикладная оптика» (Санкт-Петербург, 2004 г.), II конференции молодых ученых (Санкт-Петербург, 2005 г.), 34-й научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава ИТМО (Санкт-Петербург, 2005 г), XXXV научной и учебно-методической конференции СПбГУИТМО (Санкт-Петербург, 2006 г), всероссийской конференции «РСДБ-2012 для астрометрии, геодинамики и астрофизики» (Санкт-Петербург, 2006 г), VIII Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления» (Таганрог, 2006 г), второй
Международной научно-практической конференции "Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности" (Санкт-Петербург, 2006 г.)
Публикации
По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ
Структура и объем работы
