С.В. Ермак1, В.В. Семенов2, А.А. Баранов3, Р.К. Лозов4

1–4 Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого (Санкт-Петербург, Россия)

Постановка проблемы. Рубидиевые атомные часы (АЧ) с оптической накачкой широко применяются в качестве опорных источников частоты в таких системах телекоммуникации и навигации, как служба точного времени, дальняя космическая связь и системы спутниковой навигации [1]. Несмотря на то, что рубидиевые АЧ значительно (на несколько порядков) уступают водородным аналогам по долговременной и кратковременной стабильности, они используются в различных навигационных системах в качестве компактной резервной аппаратуры. Поскольку в бортовом применении АЧ на их точность оказывают влияние величина и направление геомагнитного поля, актуальным является поиск способов уменьшения измерительных погрешностей рубидиевых АЧ с оптической накачкой, вызванных действием динамического эффекта Штарка и флуктуациями рабочего магнитного поля [2–4].

Цель. Рассмотреть возможность уменьшения ориентационной погрешности бортовых АЧ с ламповой и лазерной оптической накачкой в системе двух устройств со встречно включенными магнитными полями.

Результаты. С помощью численного моделирования проведено исследование вклада ориентационного сдвига частоты 0-0-резонанса в суммарную погрешность эфемерид спутниковых систем глобального позиционирования Galileo и GPS применительно к расположенным на борту спутников АЧ. Определены коэффициенты корреляции расчетных и экспериментальных зависимостей ориентационного сдвига частоты (от 0,3 до 0,75), которые существенно зависят от рабочего магнитного поля атомных часов (0,8 и 8 А/м) и временного сдвига отсчета ориентационного сдвига относительно начала временной шкалы экспериментальной зависимости ориентационной погрешности спутника. Проведен сравнительный анализ экспериментально полученных частот 0-0-резонансов в системе двух рубидиевых АЧ, помещенных в медленно меняющееся по величине и направлению внешнее магнитное поле, имитирующее динамику изменения магнитного поля на орбите спутника. Показано, что в такой системе реализуется существенное подавление флуктуаций средневзвешенной частоты двух рубидиевых АЧ (в 4,9 раза по девиации Аллана), связанных с вариациями величины и направления внешнего магнитного поля. Введен параметр η в качестве коэффициента подавления магнитных вариаций средневзвешенной частоты в системе двух рубидиевых АЧ. Для случаев индуцирования 0-0-резонанса в газовой ячейке с лазерной накачкой рассчитаны ориентационные сдвиги его частоты в парах щелочных металлов 87Rb, 85Rb и 133Cs. Выявлено, что предпочтительней использовать настройки лазера на коротковолновую компоненту линии D2 независимо от сорта рабочего вещества. Установлено, что полученный относительный сдвиг частоты 0-0-резонанса на уровне 10–14 при вариации угла между вектором магнитного поля и оптической осью на один градус может не учитываться в случае бортовых атомных часов на двойном радиооптическом резонансе в атомах рубидия при определении суммарной ориентационной погрешности эфемерид спутников.

Практическая значимость. Результаты проведенного исследования помогают определить природу ориентационной зависимости частоты бортовых рубидиевых АЧ, обусловленных влиянием геомагнитного поля, а также выбрать методы подавления данной зависимости.

Ермак С.В., Семенов В.В., Баранов А.А., Лозов Р.К. Ориентационные сдвиги частоты бортовых рубидиевых атомных часов // Радиотехника. 2022. Т. 86. № 12. С. 58−67. DOI: https://doi.org/10.18127/j00338486-202212-05

1. Риле Ф. Стандарты частоты. Принципы и приложения: Пер. с англ. М.: Физматлит. 2009. 512 с.
2. Mathur B.S., Tang H, Happer W. Light shifts in alkali atoms. Phys. Rev. 1968. V. 171. P. 11–19.
3. Formichella V. Space rubidium clocks and the light-shift effect. IEEE Xplore. 2017. Art. № 17338798.
4. Пихтелев А.И., Ульянов А.А., Фатеев Б.П. и др. Стандарты частоты и времени на основе квантовых генераторов и дискриминаторов. М.: Сов. радио. 1978. 303 с.
5. Семенов В.В. О вкладе тензорной компоненты в световой сдвиг частоты радиооптического СВЧ-резонанса в парах рубидия // Изв. вузов. Сер.: Физика. 1999. № 2. С. 86–90.
6. Semenov V.V., Baranov A.A., Ermak S.V. The orientation dependence of the SHF radio-optical resonance frequency light shift in rubidium vapors // IEEE Xplore. 2011. Art. № 12177994.
7. Baranov A.A., Ermak S.V., Lozov R.K., Semenov V.V. The influence of the magnetic field direction variations on the frequency stability of a gas cell atomic clock // IEEE Xplore. 2019. Art. № 8906799.
8. Пихтелев А.И., Пузанов С.Л. Методы лазерной накачки в атомах цезия и рубидия для построения высокостабильных промышленных квантовых стандартов частоты новых поколений // Измерительная техника. 2009. № 10. С. 31–35.
9. Yudin V.I., Basalaev M.Yu., Taichenachev A.V., Pollock J.W., Newman Z.L., Shuker M., Hansen A., Hummon M.T., Boudot R., Donley E.A., Kitching J. General Methods for Suppressing the Light Shift in Atomic Clocks Using Power Modulation // Phys. Rev. Appl. 2020. V. 14, Art. № 024001-1.
10. Баранов А.А., Ермак С.В., Семенов В.В. Подавление ориентационного светового сдвига частоты радиооптического резонанса в щелочных атомах в условиях лазерной накачки // Науч.-технич. вед. СПбПУ: Радиофизика. 2012. № 1(141). С. 156–160.
11. Лозов Р. К., Ермак С. В., Семенов В. В., Ермак О.В. Моделирование влияния геомагнитного поля на точность атомных часов бортовой аппаратуры систем спутниковой навигации // Радиотехника. 2019. № 12(20). С. 32–36.
12. Donley E.A., Hodby E., Hollberg L., Kitching J. Demonstration of high-performance compact magnetic shields for chip-scale atomic devices. Rev. of Scientic Instr. 2007. V. 78. № 8. Art. № 083102.
13. Куршин А.В. Повышение точности определения местоположения потребителей ГЛОНАСС путем увеличения частоты закладок временной информации на спутники // Труды МАИ (электронный журнал). 2012. № 57. С. 1–7.
14. https://www.bgs.ac.uk/ (дата обращения: 23.05.2022).
15. Svehla D. Geometrical Theory of Satellite Orbits and Gravity Field. Springer. 2018. 542 p.
16. Bandura A.S. Evaluation of the accuracy of the data of navigation messages of spacecraft of satellite radio navigation systems // Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics. 2006. № 6. Р. 215–221.
17. https://www.glonassiac.ru/ (дата обращения: 11.06.2022).
18. Ermak S., Semenov V. Orientation error compensation of two rubidium atomic clocks system placed into varying in direction magnetic field //. IEEE Xplore. 2021. Art. № 21507923.
19. Semenov V.V., Baranov A.A., Ermak S.V. Orientation light shift suppression in alkali atom microwave standards with laser pumping // Proc. of the IEEE European Frequency and Time Forum 2012. № 6502336. P. 72–73.
20. Happer W., Mathur B.S. Effective Operator Formalism in Optical Pumping // Phys. Rev. 1967. V. 163. № 1. P. 12–25.
21. Osipov A.A., Enns Y.B., A.N. Kazakin A.N. et al. OES diagnostics as a universal technique to control the Si etching structures profile in ICP // Nature: Scientific Reports. 2022. Art. № 12:5287.
22. Kazakin A., Kleimanov R., Komarevtsev I., Kondrateva A. Microfabrication of Alkali Vapor MEMS Cells for chip-scale atomic clock // J. Phys.: Conf. Ser. 2021. V. 2103. Art. № 012188.
23. Baranov A.A., Ermak S.V., E.A. Sagitov E.A., Smolin R.V., Semenov V.V. Double resonance frequency light shift compensation in optically oriented laser-pumped alkali atoms // J. of Exper. and Theor. Phys. 2015. V. 121. P. 393–403.
24. Ермак С.В., Семенов В.В., Ермак О.В. Исследование возможности подавления влияния изменений направления внешнего магнитного поля на относительные частотные флуктуации двух рубидиевых атомных часов // Радиотехника. 2021. Т. 85. № 12.
    С. 129-138.