铷原子钟技术对于汞离子钟研制的借鉴性分析
发布时间：2021-07-25 01:33
谱灯光抽运被动型铷原子钟具有长寿命、极低的随机频率漂移噪声和较好的短、中期稳定度等显著的优点,在卫星导航定位系统中有着广泛的应用。但是这种铷原子钟的准确度和长期稳定度较差,已经不能满足新一代导航定位系统的要求。离子阱汞离子微波（Hg+）钟已经达到了主动型氢原子钟的性能指标,与传统铷原子钟相比,具有更加广泛的应用前景。铷原子钟和汞离子微波钟有许多相同点和不同点,对两者差异性进行分析可以借鉴现有铷原子钟的研究,加深对汞离子微波钟工作过程的认识。本文对两者的原理和关键技术进行了比较分析,对汞离子微波钟的发展具有一定的借鉴作用。
【文章来源】：真空与低温. 2020,26(02)
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
被动型原子钟工作原理示意图
在稳态下，原子或离子中电子的能态分布为波耳兹曼分布。特征为低能级上的电子数多于高能级上的电子数，因此，在稳态下无法检测到有用的能级间能量差信号，若两者能量差较小（如微波频率段），电子数差别会微乎其微。为获取电子能级之间的能量差（与频率相关）信息，必须首先实现电子分布数目的翻转，使得两个基态超精细能级间的电子数目具有很大的差距，常用的方法有光抽运和磁选态两种。铷原子钟和汞离子微波钟均采用光抽运的方法。在光抽运中，光源可以是激光器或谱灯。谱灯光抽运需要利用同位素能级光谱线交叠的特性，铷原子钟为87Rb/85Rb，汞离子微波钟为199Hg+/202Hg和201Hg+/198Hg组合[5]。目前，汞离子微波钟常用的组合为199Hg+/202Hg，其光抽运效率稍低于201Hg+/198Hg，能级结构简单，如图2所示。由202Hg光谱灯发出的波长为194.2 nm的紫外光，经过汇聚或反射聚焦到囚禁在四极阱（或其他形式的离子阱，如Paul阱等）中的线性199Hg+离子云上，引起受激跃迁，使电子从F=1能级跃迁到激发态2P1/2上。在激发态自发辐射跃迁到基态的过程中，电子可以跃迁到F=1和F=0两个能级上。由于跃迁到F=0能级上的概率大于跃迁到F=1能级上的概率，因此，经过一段时间后大部分电子被抽运到F=0的能级上，形成远离平衡态的电子数分布，199Hg+不再吸收或发射与抽运光波长相同的光，也不再发射相关的荧光。这时施加相应于基态超精细能级能量差的微波场（频率约为40.5 GHz）可实现F=1到F=0的跃迁，使超精细能级电子数均匀化，又可以激活这一光吸收或发射过程，也就是利用光过程反映微波跃迁过程，大幅提高了检测灵敏度，称为光检测。汞离子微波钟检测的是荧光[6]，铷原子钟检测的是透射光。利用该光信号将输出的晶振频率锁定在原子跃迁的微波频率上。
汞离子微波钟的光谱灯采用的发光原理与铷光谱灯相同，属于无极放电方式。其工作介质为202Hg同位素，缓冲气体为Ar，为实现离子阱中离子云的均匀照射，形状以柱状为宜。为达到有效光抽运效果，汞离子微波钟光谱灯的功率要比铷原子钟光谱灯的功率高一个数量级，一般汞离子微波钟光谱灯功率为10 W以上（铷光谱灯功率为1～2 W），汞离子微波钟工作波段为真空紫外光（波长为194.2nm）。因此对光谱灯的材质和热设计等都有很高的要求。除了光谱灯材质和热设计外，重金属、紫外线、臭氧防护都是需要考虑的因素。工作介质与泡壁的化学反应并在其间扩散会影响灯的寿命，须要用有特殊涂层的透真空紫外光（VUV）石英玻璃或者蓝宝石基材解决上述问题。为提高信噪比，降低杂散光的影响（中性汞原子对应深紫外光（DUV），波长为254 nm），需要波长选择性薄膜来提高真空紫外光和深紫外光的比值。图4为长寿命汞灯和无涂层汞灯的对比[10]。在相同工作条件下，无涂层汞灯的玻璃变为茶色，长寿命汞灯无明显颜色变化。透过率随时间的衰变也有明显差别，长寿命汞灯（图中蓝线）光透过率衰减比普通汞灯（图中绿线）明显降低，寿命显著延长。光谱灯对于汞离子微波钟的重要性不言而喻，光谱灯技术也一直在不断改进和优化[11-12]，目的是开发出光谱纯净、寿命足够长、功耗低、能够适应真空环境的汞灯以满足长寿命和高可靠的要求。2.2 真空技术
本文编号：3301835
【文章来源】：真空与低温. 2020,26(02)
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
被动型原子钟工作原理示意图
在稳态下，原子或离子中电子的能态分布为波耳兹曼分布。特征为低能级上的电子数多于高能级上的电子数，因此，在稳态下无法检测到有用的能级间能量差信号，若两者能量差较小（如微波频率段），电子数差别会微乎其微。为获取电子能级之间的能量差（与频率相关）信息，必须首先实现电子分布数目的翻转，使得两个基态超精细能级间的电子数目具有很大的差距，常用的方法有光抽运和磁选态两种。铷原子钟和汞离子微波钟均采用光抽运的方法。在光抽运中，光源可以是激光器或谱灯。谱灯光抽运需要利用同位素能级光谱线交叠的特性，铷原子钟为87Rb/85Rb，汞离子微波钟为199Hg+/202Hg和201Hg+/198Hg组合[5]。目前，汞离子微波钟常用的组合为199Hg+/202Hg，其光抽运效率稍低于201Hg+/198Hg，能级结构简单，如图2所示。由202Hg光谱灯发出的波长为194.2 nm的紫外光，经过汇聚或反射聚焦到囚禁在四极阱（或其他形式的离子阱，如Paul阱等）中的线性199Hg+离子云上，引起受激跃迁，使电子从F=1能级跃迁到激发态2P1/2上。在激发态自发辐射跃迁到基态的过程中，电子可以跃迁到F=1和F=0两个能级上。由于跃迁到F=0能级上的概率大于跃迁到F=1能级上的概率，因此，经过一段时间后大部分电子被抽运到F=0的能级上，形成远离平衡态的电子数分布，199Hg+不再吸收或发射与抽运光波长相同的光，也不再发射相关的荧光。这时施加相应于基态超精细能级能量差的微波场（频率约为40.5 GHz）可实现F=1到F=0的跃迁，使超精细能级电子数均匀化，又可以激活这一光吸收或发射过程，也就是利用光过程反映微波跃迁过程，大幅提高了检测灵敏度，称为光检测。汞离子微波钟检测的是荧光[6]，铷原子钟检测的是透射光。利用该光信号将输出的晶振频率锁定在原子跃迁的微波频率上。
汞离子微波钟的光谱灯采用的发光原理与铷光谱灯相同，属于无极放电方式。其工作介质为202Hg同位素，缓冲气体为Ar，为实现离子阱中离子云的均匀照射，形状以柱状为宜。为达到有效光抽运效果，汞离子微波钟光谱灯的功率要比铷原子钟光谱灯的功率高一个数量级，一般汞离子微波钟光谱灯功率为10 W以上（铷光谱灯功率为1～2 W），汞离子微波钟工作波段为真空紫外光（波长为194.2nm）。因此对光谱灯的材质和热设计等都有很高的要求。除了光谱灯材质和热设计外，重金属、紫外线、臭氧防护都是需要考虑的因素。工作介质与泡壁的化学反应并在其间扩散会影响灯的寿命，须要用有特殊涂层的透真空紫外光（VUV）石英玻璃或者蓝宝石基材解决上述问题。为提高信噪比，降低杂散光的影响（中性汞原子对应深紫外光（DUV），波长为254 nm），需要波长选择性薄膜来提高真空紫外光和深紫外光的比值。图4为长寿命汞灯和无涂层汞灯的对比[10]。在相同工作条件下，无涂层汞灯的玻璃变为茶色，长寿命汞灯无明显颜色变化。透过率随时间的衰变也有明显差别，长寿命汞灯（图中蓝线）光透过率衰减比普通汞灯（图中绿线）明显降低，寿命显著延长。光谱灯对于汞离子微波钟的重要性不言而喻，光谱灯技术也一直在不断改进和优化[11-12]，目的是开发出光谱纯净、寿命足够长、功耗低、能够适应真空环境的汞灯以满足长寿命和高可靠的要求。2.2 真空技术
本文编号：3301835
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