小型化氫脈澤原子儲存時間設計

何克亮，張為群，林傳富

小型化氫脈澤原子儲存時間設計

何克亮1,2，張為群1*，林傳富1

1. 中國科學院 上海天文臺，上海 200030；2. 中國科學院大學，北京 100049

氫微波激射器（氫脈澤）采用原子儲存泡對氫原子進行囚禁，在低損耗諧振腔內(nèi)形成穩(wěn)定的自持振蕩．本文采用具備低腔頻溫度系數(shù)的介質(zhì)加載諧振腔替換傳統(tǒng)的腔-泡結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了氫脈澤的小型化；并分析了這種小型化方案對頻率穩(wěn)定度和準確度的影響．原子儲存時間設計值為0.4 s，閉環(huán)后的頻率穩(wěn)定度為5.6×10-15/(1 000 s)，與儲存時間設計結(jié)果相吻合．

氫脈澤；原子儲存時間；弛豫時間；頻率穩(wěn)定度

引 言

氫微波激射器（氫脈澤）[1]能夠產(chǎn)生頻率穩(wěn)定且連續(xù)的相干微波信號，是主動型氫原子鐘（氫鐘）的物理部分．氫脈澤設計理論已較成熟，近二十年來，國內(nèi)外對其研究的方向主要集中在如何提高技術(shù)水平[2-7]和實現(xiàn)小型化．國外主動型氫鐘的穩(wěn)定度已可優(yōu)于5×10-16/d，而國內(nèi)相應指標與國外相差1~3倍，在可靠性方面也與國外有一定差距．氫鐘被廣泛應用于導航、守時、甚長基線干涉測量和相對論理論的驗證中[8-11]．將氫鐘小型化會使其應用更加便捷，特別是在空間應用中．

腔-泡結(jié)構(gòu)是氫脈澤的核心．原子儲存泡位于諧振腔內(nèi)部，儲存泡中的氫原子與諧振腔TE011模的軸向磁場相互作用，形成穩(wěn)定的自持振蕩．腔-泡體積是決定氫脈澤體積的主要因素之一，利用介質(zhì)加載諧振腔可使腔-泡結(jié)構(gòu)小型化，再配上相應的磁屏蔽和溫控等外圍結(jié)構(gòu)，即可得到小型化氫脈澤．但當原子儲存泡變小時，若不根據(jù)儲存泡的體積重新設計原子儲存時間和選擇合適的原子束流，儲存泡內(nèi)的自旋交換碰撞弛豫會因氫原子密度增大而大幅變大，從而惡化氫鐘指標，因而原子儲存時間的設計是氫脈澤小型化的一個重要問題．小型化主動型氫鐘的指標因小型化的程度而有所差別．Zivanov等[12-14]研制出僅重35 kg的采用藍寶石介質(zhì)腔的氫脈澤，原子儲存泡體積為1.7 L，穩(wěn)定度可達1×10-15/d．國內(nèi)的楊仁福等[15,16]等也研制了采用藍寶石介質(zhì)腔的氫鐘，原子儲存泡體積為0.7 L，穩(wěn)定度達3×10-15/d．但對氫脈澤小型化引起的問題的全面分析或評估還未見到相關(guān)報道．

本文對采用介質(zhì)加載諧振腔的小型化氫脈澤的原子儲存時間進行了設計，對其準確度、穩(wěn)定度和漂移率指標進行了分析或評估，并測量了其中期穩(wěn)定度．

1 原子儲存時間設計的理論依據(jù)

1.1 原子儲存時間對氫脈澤頻率穩(wěn)定度的影響

從氫原子系綜宏觀磁矩（密度矩陣方法計算）對諧振腔電磁場模式微擾的角度，可以建立氫脈澤的半經(jīng)典理論，定量計算氫脈澤的振蕩功率和振蕩頻率．氫鐘中長期穩(wěn)定度主要受限于諧振腔內(nèi)熱輻射引起的白頻率噪聲和頻率漂移，對于熱噪聲決定的頻率穩(wěn)定度的定量分析，需要綜合考慮原子的各種弛豫對脈澤功率和譜線線寬的影響．當采用介質(zhì)加載諧振腔縮小諧振腔的體積時，原子儲存泡的體積自然也變?。捎谠觾Υ鏁r間和氫原子束流會影響泡壁碰撞和自旋交換碰撞的弛豫時間，進而影響譜線品質(zhì)因子、脈澤功率和頻率穩(wěn)定度，因而對于小型化氫脈澤需要充分考慮這些效應．圖1給出原子儲存泡小型化后，腔內(nèi)熱輻射白頻率噪聲決定的頻率穩(wěn)定度隨原子儲存時間和氫原子束流的變化，在計算過程中，先后依次計算了各項弛豫時間、脈澤功率和頻率穩(wěn)定度，相關(guān)計算公式可參閱文獻[17]．從圖1中可以看出，原子儲存時間對頻率穩(wěn)定度的影響很大，對于這種小型化氫脈澤，為使中期頻率穩(wěn)定度最優(yōu)，最優(yōu)原子儲存時間需設計在0.4 s左右，而傳統(tǒng)氫脈澤的最優(yōu)原子儲存時間設計值約為1 s．在選擇較優(yōu)原子儲存時間和原子束流的基礎上，小型化和傳統(tǒng)氫脈澤的氫原子自旋交換碰撞和泡壁碰撞弛豫時間的典型值對比如表1所示．

圖1 小型化氫脈澤1 000 s頻率穩(wěn)定度與原子儲存時間的關(guān)系．藍寶石儲存泡體積為0.7 L．不同的線型表示不同的原子束流

表1 氫脈澤中氫原子的主要弛豫時間評估值（313 K）. 小型化和傳統(tǒng)氫脈澤的原子束流分別為7×1012/s和4×1012/s

隨著儲存泡體積的減小，在原子束流相同的情況下，氫脈澤熱噪聲決定的極限頻率穩(wěn)定度也會相應地變差．當氫原子束流較小時（例如，2×1012/s~3×1012/s），氫脈澤的小型化會使頻率穩(wěn)定度有較明顯的惡化（相同平均時間的頻率穩(wěn)定度系數(shù)增大1倍多）；但隨著原子束流的增大，這種惡化程度越來越?。纾槍θN腔-泡尺寸不一樣的氫脈澤，當原子儲存泡體積分別為2.1 L、1.7 L和0.7 L時，原子儲存時間分別為1.0 s、0.8 s和0.4 s．當有效氫原子束流設定為5×1012/s時，白頻率熱噪聲決定的頻率穩(wěn)定度如圖2所示．可以看出，氫脈澤小型化后頻率穩(wěn)定度沒有明顯惡化．這是因為當氫原子束流較小時，相較于傳統(tǒng)氫脈澤，小型化氫脈澤的譜線品質(zhì)因子（l）和振蕩功率都較小，穩(wěn)定度自然發(fā)生明顯惡化；但當原子束流較大時，相較于傳統(tǒng)氫脈澤，盡管小型化氫脈澤的l仍然較小，但振蕩功率會大于傳統(tǒng)氫脈澤，小型化后頻率穩(wěn)定度就不會發(fā)生明顯惡化（圖3）．但介質(zhì)加載諧振腔（儲存泡0.7 L）氫脈澤的l降低至8×108左右，約是傳統(tǒng)氫脈澤（標準諧振腔-儲存泡2.1 L）l值（約15×108）的1/2，使得腔頻對振蕩頻率的牽引因子增大了約1倍，從而使得振蕩頻率更易受腔頻波動的影響．

圖2 白頻率熱噪聲決定的頻率穩(wěn)定度．原子束流為5×1012/s

圖3 氫脈澤功率和譜線品質(zhì)因子與氫原子束流的關(guān)系．儲存泡體積為2.1、1.7和0.7 L時，對應的原子儲存時間分別為1.0、0.8和0.4 s

1.2 小型化對氫脈澤準確度和漂移率的影響

采用這種小型化的方案，會增大泡壁碰撞頻移（壁移）和頻率漂移率．儲存泡內(nèi)原子密度的增加，導致壁移和自旋交換碰撞頻移增大．但壁移不確定度由測量不確定度決定，采用同樣測量壁移的方法，并不會增大頻移不確定度，不影響準確度．經(jīng)過自旋交換調(diào)節(jié)，氫脈澤的振蕩頻率為[17,18]:

2 介質(zhì)加載諧振腔原子儲存時間的設計和實現(xiàn)

在小型化氫脈澤中，我們設計了低腔頻-溫度系數(shù)的介質(zhì)加載腔[19]．將藍寶石晶體（晶型為型的Al2O3晶體）放置在內(nèi)壁鍍銀的金屬腔體中，藍寶石晶體是中空的，將其內(nèi)壁涂敷特氟龍分散液，并燒結(jié)成特氟龍膜而作為原子儲存泡，外壁與金屬腔體間也有一定的間隙以安裝耦合環(huán)．為了方便調(diào)節(jié)腔頻，在40 ℃時，腔頻-溫度系數(shù)為-12.5 kHz/K的介質(zhì)加載諧振腔被采用．

原子通過準直器泄流的過程是一個復雜的過程[18,20]，準直器的長度與截面半徑之比（/）是一個很重要的量．當準直器的長度遠小于其截面半徑時，原子與準直器的內(nèi)壁碰撞后將不能返回儲存泡；而當準直器的長度與其截面相當時，原子與準直器的內(nèi)壁碰撞后將可能返回儲存泡．根據(jù)氫脈澤的物理原理，設計好原子儲存時間后，就可以根據(jù)小孔泄流的理論，設計準直器的長度和截面半徑來實現(xiàn)原子儲存時間[18]．在初期的自激振蕩實驗中，沒有仔細考慮原子儲存時間的設計，泡口直徑設計為7.0 mm，與泡口相連的準直器長度設計為28 mm時，原子儲存時間約為0.11 s．為了實現(xiàn)0.4 s的原子儲存時間，將泡口直徑設計為5.8 mm，準直器長度設計為66 mm，介質(zhì)加載諧振腔和儲存泡的等比例結(jié)構(gòu)圖如圖4所示．

圖4 介質(zhì)加載諧振腔和儲存泡結(jié)構(gòu)

通過觀測氫原子束流很小情況下的Rabi振蕩現(xiàn)象，可以間接驗證原子儲存時間的設計．Rabi振蕩和自由感應衰變的測量方法如圖5所示．其中，原子束流要低于自激振蕩的閾值束流，使氫脈澤不能維持自激振蕩，且微波探尋信號和氫原子束流都需要時序控制．通過單片機來控制繼電器，實現(xiàn)對電離源通斷的時序控制，以時序控制有無原子束流進入儲存泡．在網(wǎng)絡分析儀（加10 MHz外參考）輸出端串聯(lián)兩個數(shù)字衰減器（衰減器芯片型號為HMC273MS10G），通過另一片單片機來控制數(shù)字衰減器的衰減值，實現(xiàn)對網(wǎng)絡分析儀輸出的連續(xù)微波信號的時序衰減，即控制微波探尋信號的時序通斷，控制方法與文獻[21]中的方法類似．

圖5 Rabi振蕩和自由感應衰變測量方法框圖

圖6 Rabi章動和自由感應衰變．(a)激勵功率為-67 dBm；(b)激勵功率為-72 dBm；(c)激勵功率為-77 dBm；(d)激勵功率為-70 dBm．脈寬為50 ms

3 中短期頻率穩(wěn)定度結(jié)果和討論

將本文設計的介質(zhì)加載諧振腔替換SOHM-4傳統(tǒng)型氫脈澤的諧振腔，構(gòu)成新型氫脈澤的驗證平臺．測量得到原子儲存時間為0.11 s和0.4 s時，氫脈澤起振的原子閾值束流分別約為0.30 mA（離子泵電流）和0.14 mA，原子譜線l值分別約為4×108和8×108．分別將兩種儲存時間的氫脈澤和接收機閉環(huán)鎖定，將其輸出的5 MHz信號與VCH-1003A 型氫鐘的5 MHz信號通過TSC-5120A相位噪聲分析儀進行比對，比對的相位差原始數(shù)據(jù)經(jīng)遠程傳遞至計算機，用stable32畫出頻率穩(wěn)定度．當原子儲存時間為0.11 s時，100 s和1 000 s的頻率穩(wěn)定度分別為3.5×10-14和1.5×10-14；當原子儲存時間為0.40 s時，100 s和1 000 s的頻率穩(wěn)定度分別為1.5×10-14和5.6×10-15．兩種情況下的頻率穩(wěn)定度比較如圖7所示．比對在溫度波動大于±1 ℃的房間內(nèi)完成，受環(huán)境溫度波動的影響較大，且實驗平臺的力學結(jié)構(gòu)也不穩(wěn)定，因而兩種情況的頻率比對分別只進行了5.5 h和14 h，未進行更長時間的頻率比對．按照小型化氫脈澤原子儲存時間設計的對比實驗計劃，還需測量原子儲存時間為0.2 s、0.3 s和0.5 s時的中短期頻率穩(wěn)定度表現(xiàn)，但考慮到已獲得較好的實驗結(jié)果，且反復打開真空更改原子儲存時間會對儲存泡壁帶來不利影響，就未進一步更改原子儲存時間和分別進行閉環(huán)鎖定實驗．

圖7 采用介質(zhì)加載諧振腔（儲存泡體積 0.7 L）的氫脈澤頻率穩(wěn)定度

盡管頻率比對的時間不夠長，但已足以評估平均時間1~1 000 s的頻率穩(wěn)定度，且100 s和1 000 s的頻率穩(wěn)定度指標充分體現(xiàn)了物理部分的性能．可以看出，原子儲存時間由0.11 s變?yōu)?.40 s時，氫脈澤的100 s和1 000 s頻率穩(wěn)定度改善了2倍多，這個比例與圖1的理論分析是基本相符的，實驗結(jié)果驗證了小型化氫脈澤原子儲存時間設計的合理性．兩種情況下測量得到的100 s和1 000 s穩(wěn)定度與圖1所示的理論值相差2~3倍，1~10 s的短期穩(wěn)定度也較差，我們認為這是由電子學系統(tǒng)噪聲較大引起的．

圖8 腔頻自動調(diào)諧探尋信號頻譜對脈澤譜線的影響．曲線1和曲線2分別為小型化氫脈澤和傳統(tǒng)氫脈澤的脈澤譜線；梳狀譜3表示腔頻自動調(diào)諧探尋信號的頻譜

圖9 5 MHz輸出信號相位噪聲．儲存時間為0.4 s

4 結(jié)論

本文基于對小型化氫脈澤的仿真計算和分析，實現(xiàn)了對小型化氫脈澤原子儲存時間的設計，在實驗上將介質(zhì)加載諧振腔儲存泡（體積0.7L）的原子儲存時間調(diào)控至約0.4 s，閉環(huán)后頻率穩(wěn)定度達5.6×10-15/(1 000 s)，且頻率穩(wěn)定度指標可通過改變腔頻探尋的調(diào)制方式和改進電子學得到進一步提升．因此，在進行氫脈澤小型化設計時，需要綜合考慮原子多項弛豫時間的變化，通過設計原子儲存時間來實現(xiàn)對多項弛豫時間的調(diào)整．總體來說，采用介質(zhì)加載諧振腔取代傳統(tǒng)氫脈澤的腔-泡結(jié)構(gòu)，可以有效地縮小主動型氫原子鐘的體積和重量，但是頻率穩(wěn)定度會略低于傳統(tǒng)主動型氫鐘，并且腔頻波動對振蕩頻率的牽引變大，同時頻率漂移率也會相應增大．

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Design of the Atomic Storage Time of a Miniaturized Hydrogen Maser

1,2，1*，1

1. Shanghai Astronomical Observatory, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200030, China; 2.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

A hydrogen maser confines hydrogen atoms in the storage bulb and produces self-sustained oscillation in a low-loss resonance cavity. In this work, a miniaturized hydrogen maser was designed and fabricated utilizing a dielectric loaded cavity having a low frequency-temperature coefficient. The frequency stability and accuracy of the hydrogen maser were analyzed. The experimentally measured atomic storage time of the hydrogen maser was 0.4 s, and the frequency stability 5.6×10-15/(1 000 s), agreeing with the design.

hydrogen maser, atomic storage time, relaxation time, frequency stability

O455+.1；TM935.11

A

10.11938/cjmr20192712

2019-02-02;

2019-05-30

* Tel: 13585738245, E-mail: wqzhang@shao.ac.cn.