[發明專利]氫原子鐘的多段線圈式超均勻C場產生裝置及其制作方法

在審

• 申請號: 202010213826.1
• 申請日: 2020-03-24
• 公開（公告）號: CN111312497A
• 公開（公告）日: 2020-06-19
• 發明（設計）人: 潘志兵;謝勇輝;帥濤;陳鵬飛;裴雨賢;潘曉燕;趙陽;林傳富
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海天文臺
• 主分類號: H01F27/30
• 分類號: H01F27/30;H01F41/06;G04F5/14;G06F30/20
• 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多段線圈式超均勻C場產生裝置及其制作方法，其安裝于一氫原子鐘的諧振腔的外側，包括一支撐骨架、貼合繞設于所述支撐骨架上且位于一電流輸入端和一電流輸出端之間的多段式線圈，所述多段式線圈包括多段由同一根漆包線順延而成但彼此間隔開的單層線圈，多段式線圈的各段線圈的直徑相等，各段線圈的長度、匝數，以及每兩段相鄰的線圈之間的間距按最佳磁場均勻度進行設計，以提高多段式線圈的磁場均勻度。本發明所提供的氫原子鐘的多段線圈式超均勻C場產生裝置結構簡單、制造方便、均勻度好、單層線圈、單路供電，無需對氫原子鐘電路部分進行任何改造，可直接應用于氫原子鐘。

技術領域

本發明涉及氫原子鐘領域，更具體涉及一種氫原子鐘的多段線圈式超均勻C場產生裝置及其制作方法和應用，其可直接用于氫原子鐘。

背景技術

時間是七個基本物理量之一，特別是2018年11月第26屆國際計量大會再次修訂基本物理量后，對時間的精確計量更具有重要的科研價值和應用價值。二十世紀中葉以來，利用原子能級躍遷實現高精度時間輸出的原子鐘逐漸成熟，并得到了廣泛應用。目前實用型的原子鐘包括銣(Rb)原子鐘、銫(Cs)原子鐘和氫(H)原子鐘。氫原子鐘具有優秀的中短期穩定度和良好的長期穩定度以及漂移率指標，可用于守時授時、導航定位和通訊保障等廣泛領域。

氫原子鐘的工作原理是利用基態氫原子(F＝1，m_F＝0)和(F＝0，m_F＝0)兩個超精細能級之間的躍遷頻率來鎖定晶振。高純度氫氣通過鎳管之后導入電離源系統，在此期間氫氣分子電離成為原子狀態，氫原子由準直器形成原子束流，在磁選態器的作用下，(F＝1，m_F＝0)態的氫原子射入微波諧振腔中的儲存泡。在磁屏蔽筒的屏蔽作用和恒定靜磁場(Constant Magnetic Field，簡稱C場)的作用下，氫原子在儲存泡中發生微波共振躍遷，使腔內微波能量增加，通過檢測微波諧振腔內的微波能量就可以將電路系統輸出的時頻信號鎖定在原子躍遷譜線上，從而可以得到高準確度和高穩定度的時間信號。由此可見，包括原子儲存泡、微波諧振腔、靜磁場C場和磁屏蔽筒等的腔泡系統是氫原子鐘的核心,靜磁場C場是氫原子鐘的重要組成部分。

目前，考慮到發展更輕重量和更小體積的氫原子鐘，并非都采用常見的標準TE011諧振腔，而可能使用基于感容耦合結構的電極式諧振腔。由于感容耦合結構的電極式諧振腔在其電極中部具有較大范圍的均勻磁場，為了延長氫原子在儲存泡的停留時間，現有技術中使用的儲存泡為體積較大長度狹長的橢球式結構，并且儲存泡的出口做了特殊優化，這導致了原子儲存泡可能放置在靜磁場C場中部稍微偏上的位置而非其正中央。

原子儲存泡內的氫原子在軸向靜磁場(C場)的作用下，由諧振腔內的微波場激勵氫原子自(F＝1，m_F＝0)態躍遷至(F＝0，m_F＝0)態。腔泡系統的填充因子可反映微波場與原子體系和軸向靜磁場(C場)的耦合情況，盡可能高的微波填充因子可提高氫原子躍遷譜線的信噪比。其中，C場的作用是將各量子態去簡并和為原子躍遷提供量子化軸，使其發生塞曼能級分裂。如果C場在儲存泡區域內的分布與諧振腔微波場不一致，則處于該非均勻靜磁場作用下的氫原子在儲存泡內發生共振躍遷時，會有部分原子的躍遷頻率偏離期望的原子躍遷中心頻率，從而降低了(0-0)躍遷的峰值強度，進而影響躍遷譜線的增益和信噪比，所以C場的均勻度是影響躍遷譜線質量的重要因素。

由于直螺線管制造簡單，在氫原子鐘中普遍使用直螺線管來產生氫原子(0-0)躍遷所需的靜磁場C場。直螺線管產生的磁場均勻度如圖3所示，直螺線管在其兩端端面的磁場強度相對其中部區域明顯變小，其在中部區域的磁場均勻度較好，在其兩端磁場均勻度較差，因此存在C場均勻度不足的問題。當原子儲存泡放置在直螺線管中，尤其放置在直螺線管的中部稍微偏上的位置而非其正中央時，處于該直螺線管的非均勻靜磁場C場作用下的氫原子在儲存泡內發生共振躍遷時，會有部分原子的躍遷頻率偏離期望的原子躍遷中心頻率，從而降低了氫原子(0-0)躍遷的峰值強度及其信噪比。綜上所述，直螺線管產生的C場磁場均勻度仍舊有提高改善的必要性，以更好地滿足實際工程需求。