[發明專利]一種氫原子鐘的原子態選態系統

在審

• 申請號: 201811155619.4
• 申請日: 2018-09-30
• 公開（公告）號: CN109324498A
• 公開（公告）日: 2019-02-12
• 發明（設計）人: 李錫瑞
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海天文臺
• 主分類號: G04F5/14
• 分類號: G04F5/14
• 代理公司: 上海智信專利代理有限公司 31002
• 代理人: 鄧琪

本發明提供一種氫原子鐘的原子態選態系統，包括在一水平軸上依次布置的準直器、第一選態磁鐵、原子布居轉移裝置、第二選態磁鐵和原子存儲泡；原子布居轉移裝置包括一個磁屏蔽器，在該磁屏蔽器內部鄰近第一選態磁鐵的一端和鄰近第二選態磁鐵的一端分別設有尺寸相同且中心軸線與所述水平軸重合的第一亥姆霍茲線圈和第二亥姆霍茲線圈，第一亥姆霍茲線圈和第二亥姆霍茲線圈上具有大小相同且流動方向相反的電流。本發明采用兩個選態裝置和一個原子布居轉移裝置，實現了氫原子的單態選擇，以避免增加有效原子的碰撞馳豫，從而通過改善進入氫原子鐘的原子儲存泡內原子束流的純度，提高氫原子鐘的自激振蕩的頻率穩定度。

技術領域

本發明涉及原子鐘領域，具體涉及一種氫原子鐘的原子態選態系統。

背景技術

上海天文臺1970年開始研制氫原子鐘，1987年研制成功實用型工程化氫原子鐘。發展至今無論在理論上還是技術可靠性運用上都已經非常成熟，然而與國外的同類產品相比，在指標上還是存在一個量級的差距。

目前國際上公開的氫原子鐘主要是通過真空環境的加工工藝，溫度控制的精度方面的優化設計來實現更高的指標，尚未有人通過改進氫原子鐘單選態原子態制備技術來提高指標。

氫原子鐘的躍遷是氫原子基態超精細磁子能級(F＝1，m_F＝0)與(F＝0，m_F＝0)之間的磁偶極躍遷(F為基態氫原子角量子數,m_F為磁量子數)。由于在自然條件下，氫原子不能穩定的存在，因此需要制備特定的氫原子基態超精細磁子能級的氫原子以供氫原子鐘的躍遷使用。由于氫原子振蕩器采用的是超精細基態(F＝1，m_F＝0)到(F＝0，m_F＝0)態的躍遷，只有(F＝1，m_F＝0)態的原子對脈澤振蕩起作用，因此被稱為氫原子鐘原子態，而在進入氫原子儲存泡的基態的另外三個磁子能級原子則會引起輻射原子的自旋交換馳豫和輸出信號的頻移。制備獲得的氫原子鐘原子態(即(F＝1，m_F＝0)態)的純度越高，氫原子鐘的量級越高。

現有的氫原子鐘的原子態選態系統的原理如下：氫分子被引入電離泡中并被高頻電離為氫原子，(F＝1，m_F＝1，0)態的氫原子經過磁選態器被聚焦而進入原子儲存泡[何克亮，“采用介質加載諧振腔實現主動型氫鐘小型化的關鍵技術研究”，中國科學院大學博士學位論文，2017]。

如圖1所示為現有的氫原子鐘的原子態選態系統的具體結構，其包括準直器101、磁選態器102和原子儲存泡103。下面說明該氫原子鐘的原子態選態系統的工作原理。

如圖1所示，(F＝1，m_F＝0)能級的原子在選態區域內沿圖中飛行軌跡運動[謝勇輝等，“被動型氫原子鐘的原子準直和選態研究”，2009年全國時間頻率年會論文集]。準直器101射出的原子射流需要通過磁選態器102進行選態，將與躍遷無關的低能級原子偏出軸心，將參與躍遷的(F＝1，m_F＝0)能級原子匯聚進入原子儲存泡103。

磁選態器102為一四極磁鐵，在該四級磁鐵內部某點的磁場強度H如圖1所示，是沿截面呈線形變化，即

H＝H₀r/r₀

其中H₀為磁選態器102的磁極處的磁場強度，r₀為磁選態器102的磁選態區域半徑，r為磁選態器102內部某點距離磁選態器102中心軸線的距離。

選態區域內磁場強度梯度為：

所以此梯度為常數,由于原子所受的磁偏轉力為