Рубидиевый стандарт частоты разобрали на физические блоки
Выходные 10 МГц рубидиевого стандарта формирует кварцевый генератор, а атомы задают ему частотную привязку через оптический провал в газовой ячейке. В классическом физическом пакете свет разрядной лампы с 87Rb проходит фильтр с 85Rb и резонансную ячейку, где СВЧ-поле меняет поглощение. Точность этой схемы определяется уже не только атомной линией, но также световым сдвигом, буферным газом и температурой.
Разбор рубидиевого стандарта частоты, опубликованный 6 августа, возвращает внимание к устройству, которое часто ошибочно представляют источником «готовых атомных 10 МГц». Внутри типового прибора выходной сигнал создаёт термостатированный кварцевый генератор OCXO. Атомный узел измеряет его частотную ошибку и замыкает медленную петлю коррекции.
Реперной точкой служит сверхтонкий переход основного состояния изотопа 87Rb с невозмущённой частотой 6 834 682 612.8 Гц. Из 10 МГц OCXO синтезируют СВЧ-сигнал около 6.835 ГГц, подают его в микроволновую полость вокруг газовой ячейки и ищут центр атомной линии. В архитектуре PRS10 компании Stanford Research Systems, например, синтезатор работает около 359.72 МГц, затем step-recovery diode формирует 19-ю гармонику в области рубидиевого перехода. Такая схема переносит кратковременную фазовую чистоту OCXO на рабочую частоту, сохраняя возможность атомной коррекции на длинных интервалах.
Классический physics package состоит из разрядной лампы с 87Rb, фильтрующей ячейки с 85Rb, резонансной ячейки с 87Rb и фотодетектора. Лампа даёт резонансный оптический спектр. Фильтр на другом изотопе подавляет часть спектральных компонент и создаёт условия для селективной оптической накачки атомов в рабочей ячейке. Газовая среда обычно содержит буферный газ: он замедляет диффузию атомов к стенкам и меняет форму линии, одновременно внося частотный сдвиг и температурную зависимость.
Вдали от СВЧ-резонанса оптическая накачка накапливает населённость в состоянии, слабо поглощающем проходящий свет. При совпадении частоты СВЧ-поля с переходом между сверхтонкими уровнями населённости перераспределяются, поглощение растёт, а фотодетектор фиксирует минимум пропускания. Постоянный уровень фототока для точной настройки неудобен: его меняют старение лампы, температура и оптическая мощность. Поэтому СВЧ-частоту модулируют около линии, синхронный детектор выделяет производную резонансной кривой, а контур удерживает нуль полученного сигнала ошибки.
Физическая линия также не остаётся идеальной константой после сборки прибора. Буферный газ, давление, интенсивность и спектр лампы вызывают light shift и другие систематические поправки; слабое постоянное магнитное поле C-field coil снимает вырождение магнитных подуровней, а магнитный экран подавляет внешние поля. Для PRS10 производитель указывает сдвиг наблюдаемого перехода примерно на 3 кГц относительно частоты свободного атома. Компенсация состава газа, температуры и режима оптической накачки превращается в основную часть инженерии рубидиевого стандарта.
Трёхъячеечная оптическая цепочка остаётся наглядной схемой, однако серийные приборы используют и интегрированные ячейки, где фильтрующий и резонансный объёмы заменяет смесь изотопов с подобранным буферным газом. Компактность сокращает число оптических деталей, но усложняет подбор состава и температурных коэффициентов. Рубидиевый генератор в итоге представляет собой связку OCXO, СВЧ-синтезатора, газовой спектроскопии и сервопетли, где 10 МГц сохраняют кварцевую природу, а долгосрочная частота получает атомный эталон.