氢原子钟原子囚禁-储存时间调节装置、验证方法及系统与流程

1.本技术属于氢原子钟技术领域，具体涉及氢原子钟原子囚禁-储存时间调节装置、验证方法及系统。背景技术：2.氢原子激射器实现电磁场的受激辐射放大，其自持信号有谱线窄、信噪比高、辐射功率小和频率稳定性高的特点。从微波原子钟到光钟，原子(或离子)钟往往随着囚禁或操控原子(或离子)的技术而发展。氢原子激射器采用原子储存泡技术对氢原子进行囚禁，其作用就是让一定数量的相干跃迁的有效氢原子在石英储存泡内停留一定的时间，与辐射场相互作用，同时增加受激发射能量。和任何精密光谱实验一样，其分辨率都受到被探测粒子与辐射场相互作用时间的限制。这个时间由相互作用区域的尺寸和被测量粒子的速度决定。由图1(a)可以看到，原子群将穿越长度为l的微波腔。原子看到的辐射正如图1(b)显示的一样。原子受到辐射的时间是△t＝l/v。图1(c)显示的是辐射的傅里叶变换。原子感受到的辐射脉冲的线宽与相互作用时间成反比。这就是所谓的渡越增宽，增加相互作用时间，渡越增宽就变小。3.然而，当宏观物体处在热平衡时，各能级上的原子数遵从玻尔兹曼分布。而在达到热平衡前，系统内部会存在多种相互作用，使原子在不同能级之间跃迁，最终达到平衡状态。以上多种相互作用称为弛豫作用，使原子与辐射场的相互作用中断，缩短了激活原子的寿命，并会导致跃迁频率的移动和谱线增宽。4.氢原子激射器实现电磁场的受激辐射放大，其自持信号有谱线窄、信噪比高、辐射功率小和频率稳定性高的特点。氢原子激射器通过锁相环控制伺服的晶体振荡器而形成主动型氢原子钟，主动型氢原子钟作为稳定的时间频率计量装置被广泛应用于守时、导航、甚长基线干涉测量等工程项目和科学实验中。5.氢原子激射器以氢原子基态超精细磁子能级|f＝1，mf＝0》与|f＝0，mf＝0》为跃迁能级，由于氢原子基态超精细磁子能级间跃迁的单光子能量很微弱，氢原子激射器对原子的弛豫、微波电磁场的损耗率和原子束流等参数有严格的要求。氢原子在储存泡中经历自旋交换碰撞、泡壁碰撞、磁场不均匀弛豫等弛豫过程，与te011模式谐振腔内的电磁场相互作用而形成连续的原子跃迁自激振荡，同时引起自激振荡信号的多种频移。现阶段，国内外关于氢原子钟方面的研究，包括腔频的新自动调谐方法、双选态的束光学系统、采用复合泵代替离子泵等，以期稳定度能接近其物理极限。目前，俄罗斯、瑞士和美国的主动型氢原子钟稳定度可达2(3)×10-16/day。也有一些工作是关于采用介质加载谐振腔实现腔泡结构及氢原子钟整机的小型化。但小型化腔泡结构很明显会伴随有泡中原子跃迁振荡弛豫时间的减小，进而导致氢原子钟长期稳定度性能的下降。6.在现有谐振腔水平、储存泡技术等技术基础之上，要使氢原子激射器容易实现自激振荡并且维持优良的自激振荡的频率稳定度，需要维持原子储存泡内原子的碰撞弛豫较小的状态(即使泡内密度较小)，这就要求原子储存泡和谐振腔体积v尽量的大。氢原子激射器谐振腔的体积限制了外围的真空、磁屏蔽和恒温结构的体积，这是氢原子钟体积比较大的直接原因。技术实现要素：7.针对上述现有技术的缺点或不足，本技术要解决的技术问题是提供氢原子钟原子囚禁-储存时间调节装置、验证方法及系统，综合考虑原子的多种弛豫因素和铝合金微波谐振腔的特点，在保持原子储存泡体积不变小的情况下，不会改变氢原子激射器的腔泡结构特性和物理状态，设计了连续可伸缩调节的调节机构，实现原子储存时间的连续可调设计，测试验证合理的原子储存时间，使氢原子钟的中长期频率稳定度达到最优。8.为解决上述技术问题，本技术通过以下技术方案来实现：9.本技术一方面提出了氢原子钟原子囚禁-储存时间调节装置，包括氢原子钟，还包括可伸缩的调节机构，所述调节机构与所述氢原子钟的泡口连通设置。10.可选地，上述的氢原子钟原子囚禁-储存时间调节装置，其中，所述调节机构包括调节阀组件和可伸缩管，所述可伸缩管的一端与所述调节阀组件连通设置，所述可伸缩管的另一端与所述泡口颈部连接。11.可选地，上述的氢原子钟原子囚禁-储存时间调节装置，其中，还包括连杆，所述调节阀组件通过所述连杆与所述可伸缩管的一端连通设置。12.可选地，上述的氢原子钟原子囚禁-储存时间调节装置，其中，所述可伸缩管包括波纹管段。13.可选地，上述的氢原子钟原子囚禁-储存时间调节装置，其中，所述可伸缩管还包括与所述波纹管段连接至少一直管段。14.可选地，上述的氢原子钟原子囚禁-储存时间调节装置，其中，所述可伸缩管为一体成型结构。15.可选地，上述的氢原子钟原子囚禁-储存时间调节装置，其中，所述可伸缩管由聚四氟乙烯材料制成。16.本技术另一方面还提出了基于上述的氢原子钟原子囚禁-储存时间调节装置的验证方法，所述验证方法包括：基于原子储存时间tb调节l/a的比值；其中，l为氢原子钟中原子储存泡出入口的长度，a为原子储存泡出入口的半径。17.可选地，上述的验证方法，其中，还包括：基于原子储存时间tb获取修正因子k，基于修正因子k调节l/a的比值。18.可选地，上述的验证方法，其中，还包括：基于原子储存泡的体积vb、氢原子平行速度原子储存泡的泡口面积s获得修正因子k。19.可选地，上述的验证方法，其中，其中，原子储存时间tb与原子储存泡的体积vb成正比，原子储存时间tb与原子储存泡的泡口面积s成反比。20.本技术再一方面还提出了基于上述的氢原子钟原子囚禁-储存时间调节装置的验证系统，其中，包括所述调节装置、参考型氢原子钟、频率比对器以及终端，所述调节装置、所述参考型氢原子钟分别与所述频率比对器连接，所述频率比对器还与所述终端连接。21.与现有技术相比，本技术具有如下技术效果：22.本技术综合考虑原子的多种弛豫因素和微波谐振腔的特点，在保持原子储存泡体积不变小的情况下，不改变氢原子激射器的腔泡结构特性和物理状态，设计了连续可伸缩的调节机构，实现原子储存时间的连续可调设计，实现储存时间从0.2s～2.0s连续可调，测试验证合理的原子储存时间，使氢原子钟的中长期频率稳定度达到最优。附图说明23.通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：24.图1：渡越增宽的概念描述示意图；25.图2：本技术一实施例氢原子钟原子囚禁-储存时间调节装置的结构示意图；26.图3：本技术一实施例调节机构的结构示意图；27.图4：本技术一实施例中原子储存时间与泡口长度的关系图；28.图5：本技术一实施例中原子储存时间与泡口半径的关系图；29.图6：束流强度与信号增益的测量曲线图；30.图7：本技术一实施例氢原子钟原子囚禁-储存时间调节装置的验证系统结构示意图；31.图8：本技术一实施例中测定1000s稳定度随储存时间的变化曲线。具体实施方式32.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。33.如图2所示，在本技术的其中一个实施例中，氢原子钟原子囚禁-储存时间调节装置，包括氢原子钟，还包括可伸缩的调节机构9，所述调节机构9与所述氢原子钟的泡口连通设置。34.在本实施例中，在保持原子储存泡体积不变小的情况下，不改变氢原子激射器的腔泡结构特性和物理状态，设计了连续可伸缩的调节机构9，实现原子储存时间的连续可调设计，实现储存时间从0.2s～2.0s连续可调，测试验证合理的原子储存时间，使氢原子钟的中长期频率稳定度达到最优。35.如图2所示，现有的氢原子钟包括是由原子束源1、态选择磁铁2、原子储存泡5、微波谐振腔3以及c场线圈4、磁屏蔽、提纯器7、氢源6、钟罩8等主要部件构成。其中原子束源1、态选择磁铁2以及原子储存泡5位于位于10-6pa高真空中，而微波谐振腔3和磁屏蔽位于10-4pa高真空室内，并且它们都调校准直在同一束光学轴上。高真空依赖于吸附泵和钛离子泵组成的复合泵维持。36.在高频电离源作用下，电离泡中的氢气被电离成氢原子，|f＝1，mf＝0，1》两个磁子能级的氢原子经六极或四极选态磁铁进入原子储存泡。原子经由同一个泡口进入和逃逸出储存泡，并在其中停留约1s的时间，期间与电磁场完成相互作用。原子储存泡的泡壁很薄，涂有3或4层特氟龙材料，使原子与泡壁碰撞的过程中只有很小的概率被弛豫。整个原子储存泡对谐振腔的模式和频率仅有很微小的影响。与核磁共振理论中原子系综与电磁场相互作用的经典分析方法不同，在氢原子钟的理论中，采用密度矩阵对氢原子系综进行描述。用经典电磁场方程来描述腔内电磁场，并采用谐振腔的微扰理论描述腔壁损耗、耦合环、原子储存泡、原子介质对谐振腔本征模式的影响。37.当宏观物体处在热平衡时，各能级上的原子数遵从玻尔兹曼分布。而在达到热平衡前，系统内部会存在多种相互作用，使原子在不同能级之间跃迁，最终达到平衡状态。以上多种相互作用称为弛豫作用，使原子与辐射场的相互作用中断，缩短了激活原子的寿命，并会导致跃迁频率的移动和谱线增宽。38.放置在氢原子激射器谐振腔中心的薄壁石英储存泡用来储存经由选态磁铁选择的高能级原子。在泡内停留的时间里，氢原子不断地与泡壁碰撞。储存泡内壁涂敷聚四氟乙烯溶液，经烧结形成一层薄膜。该层膜在氢原子与泡壁之间形成一个缓冲层，阻止氢原子与石英玻璃直接接触，使氢原子长时间保持在高能态，从而延长与谐振腔场相互作用的时间并获得高的谱线ql。当然，上述涂敷材料也可采用f-10涂敷材料，其产生的壁移比聚四氟乙烯小10倍。39.如图3所示，所述调节机构9包括调节阀组件91和可伸缩管92，所述可伸缩管92的一端与所述调节阀组件91连通设置，所述可伸缩管92的另一端与所述泡口颈部连接。通过可伸缩管92的设置，在调节机构9的调节作用下，可对所述可伸缩管92的长度l和管半径a进行连续调节，实现存储时间从0.6s～1.4s连续可调，选择存储时间的最有值。由于所述可伸缩管92插入所述泡口颈部设置，那么，所述可伸缩管92的长度l、管半径a亦分别等同于下文所述的原子储存泡出入口的长度l以及原子储存泡出入口的半径a。40.其中，所述调节阀组件91优选为高真空调节阀组件，即，所述调节阀组件91在实现调节功能的同时，同样保证所述氢原子钟的高真空性以及密闭要求。41.可选地，还包括连杆93，所述调节阀组件91通过所述连杆93与所述可伸缩管92的一端连通设置。通过所述连杆93的设置，可进一步提高所述调节机构9调节的便利性。42.可选地，所述可伸缩管92包括波纹管段。其中，所述波纹管段可在所述调节阀组件91的调节作用下，实现拉伸或压缩动作。即，通过所述调节机构9的调节，可调节的l/a比值，从而可实现存储时间从0.2s～2.0s连续可调，选择存储时间的最有值。43.可选地，所述可伸缩管92还包括与所述波纹管段连接至少一直管段。即，所述波纹管段与所述直管段连接，或者交替连接，或者单独采用波纹管段，或者单独采用直管段，以形成所述可伸缩管92。44.可选地，所述可伸缩管92为一体成型结构。该一体成型结构一方面便于批量化生产加工，另一方面便于安装且在调节过程中不易发生故障等。45.其中，所述可伸缩管92由聚四氟乙烯材料制成。46.本技术另一方面还提出了基于上述的氢原子钟原子囚禁-储存时间调节装置的验证方法，所述验证方法包括：基于原子储存时间tb调节l/a的比值；其中，l为氢原子钟中原子储存泡出入口的长度，a为原子储存泡出入口的半径。47.可选地，还包括：基于原子储存时间tb获取修正因子k，基于修正因子k调节l/a的比值。48.可选地，还包括：基于原子储存泡的体积vb、氢原子平行速度原子储存泡的泡口面积s获得修正因子k。49.具体地，原子储存时间由原子储存泡几何形状尺寸v、l和a参数)决定。原子通过储存泡出入口泄流的过程是一个复杂的过程，出入口的长度与其半径之比l/a是一个很重要的量，通过调节l/a的比值可以调节原子储存时间。当出入口的长度远小于其半径时，原子与孔的内壁碰撞后将不能返回储存泡；而当出入口的长度与其半径相当时，原子与孔的内壁碰撞后将可能返回储存泡。根据氢原子激射器的物理原理，确定好原子储存时间后，就可以根据小孔泄流的理论，设计储存泡出入口的长度和半径来实现原子储存时间。50.单位时间从储存泡泡口逃逸的原子数为：[0051][0052]k为小孔泄流的修正因子。k与l和a的定量关系为：[0053]k＝(1+3l/8a)-1ꢀꢀꢀ(2)[0054]在平衡状态下，单位时间内进入储存泡的原子数和从泡口逃逸的原子数相等，即有q＝ξ，而n＝qtb，所以可求得原子储存时间tb的计算公式：[0055][0056]将上式变形可得:[0057][0058]其中，n＝n/vb，n是储存泡内原子密度，n为泡中总原子数，vb表示储存泡体积；表示氢原子飞行速度,k为玻尔兹曼常数，t为热力学温度，m是单个气体分子的质量(室温下)。[0059]对于既定的原子储存时间tb和储存泡体积vb，根据上式就可以计算出k因子，代入式(2)就可以计算出储存泡出入口的l/a，据此设计l和a。使用2.7l储存泡时，原子储存时间tb与l和a的关系如表1所示。根据上式可知原子储存时间tb与泡体积vb成正比，与泡口面积s成反比。要延长存储时间可以增加泡体积、减小泡口半径或增大储存泡出入口的长度，原子储存时间tb与l和a的关系如图4和图5所示。[0060]表1原子储存时间tb与储存泡泡口长度l和半径a的关系[0061][0062]本技术再一方面还提出了基于上述的氢原子钟原子囚禁-储存时间调节装置的验证系统，以进行氢原子钟性能指标的测量和分析，其中，包括所述调节装置10、参考型氢原子钟20、频率比对器30以及终端40，所述调节装置10、所述参考型氢原子钟20分别与所述频率比对器30电连接，频率比对器30还与所述终端40电连接，见图7所示，其中，所述终端40包括但不限于电脑等智能控制终端。[0063]可选地，下文为对氢原子钟性能指标进行测量分析，首先需对原子储存时间对频率稳定度的影响的原理进行详细阐述。[0064]阿伦偏差σy(τ)用来表征氢原子激射器的频率稳定度，其由热力学噪声功率kt、原子激射器功率p及横向弛豫时间t2(t2＝2ql/ω0)决定，氢原子钟中长期稳定度的表达式为：[0065][0066]增大原子储存泡体积一般会提高氢原子钟的频率稳定度，减小频率漂移率。定性地看，当原子储存时间和储存泡体积不变时，原子储存泡内原子密度n随原子束流的增大而增大，与此同时原子与原子的自旋交换碰撞弛豫γex随原子密度而增大。当原子束流较小时，γex较小，不会明显增大总弛豫，原子激射器功率随原子束流增大而变大，频率稳定度指标随束流增大而更好。当原子束流增加到一定值时，γex会较明显地增大总弛豫，频率稳定度指标随束流增大而开始变差，原子激射器功率也会逐渐变小。可以通过改变减小或增加镍管电流减小或增大氢束流量，调节束流强度达到信号增益与碰撞弛豫的协调，图6为束流强度与信号增益的测量曲线图。所以，当增大原子储存泡时，考虑到储存泡内原子密度水平以及原子之间的碰撞弛豫，应适当增加原子储存时间或者增加原子束流。而实际上适当的增加氢原子激射器原子储存时间可以获得比增加原子束流稍好的频率稳定度。原子储存泡越小，原子驰豫时间越短，ql越小，频率稳定度越差。在选定最优原子储存时间后，适当增加储存泡的体积有利于提高氢原子钟频稳指标。[0067]原子储存时间和原子储存泡的尺寸及原子束流决定了储存泡内原子的密度，从而影响自旋交换碰撞弛豫和泡壁碰撞弛豫。原子储存时间和其他弛豫时间的比值在0.5时比较合适。考虑到不同的原子储存时间，可以计算出相应的自旋交换碰撞弛豫和泡壁碰撞弛豫，可以分析不同的原子储存时间对频率稳定度的影响。大体来看，采用较大的原子储存泡时，应适当增加原子储存时间。对于镀银层铝合金微波谐振腔，内部的储存泡体积为2.7l，原子储存时间的调节应该通过调节泡口面积和与原子出入口的长度来实现。[0068]下文将对氢原子钟性能指标的测量和分析进行具体阐述，如图7所示，由同一台氢原子激射器和锁相接收机组成的主动型氢原子钟，即上述调节装置10，闭环锁定。将其输出的5mhz信号与参考源vch-1003m型氢原子钟20的5mhz信号连接vch-314型频率比对器30，进行比对测试，测量其频率稳定度(时间长度1000s)，测试连接图如图5所示。通过调节机构9，实现储存时间连续可调。调节测量束流强度改变信号增益大小，调节可伸缩的调节机构9调节弛豫时间，验证1000s频率稳定度指标与束流强度、存储时间的关系。[0069]当束流强度ξ(每秒进入原子储存泡的原子个数)为3×1012时，存储时间约为1.1s时1000s稳定度最好，可达1.15×10-15；当束流强度为4×1012时，存储时间约为0.9s时，1000s稳定度优于1.05×10-15；当束流强度为5×1012时，存储时间约为0.8s时，1000s稳定度优于0.95×10-15。根据上述图6和图8的测试数据分析可知，在一定流量区间范围内，1000s频率长期稳定度趋势与束流强度和储存时间存在较好的相关性，束流强度越强信号增益变大，1000s稳定度变好；束流强度变大存储时间较小时，弛豫时间相对减小，储存时间亦减小1000s长期稳定度最好。与上文所述的原子储存时间对频率稳定度的影响的原理部分的理论分析符合的比较好。[0070]本技术计验证了一种连续可伸缩的调节机构，实现了在不影响氢原子激射器的内部真空环境和腔泡结构特性的情况下，储存时间从0.6s～1.4s的连续可调。在不同束流强度(束流原子数分别为3×1012、4×1012、5×1012)情况下，测试验证了储存时间即横向和纵向弛豫时间与原子束流强度的关系，不同束流强度的1000s频率稳定度与储存时间的关系。测试验证与理论计算基本相符。本技术通过1000s频率稳定度在不同束流强度下的比测，束流强度(束流原子数)为5×1012，储存时间在0.8s左右可以实现1000s频率稳定度0.95×10-15。[0071]理论和实验表明，原子储存时间对频率稳定度有很明显的影响，在氢原子激射器小型化过程中，为了达到优异的长期稳定度指标，可根据腔泡的尺寸合理地设计原子储存时间。[0072]在本技术的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。[0073]以上实施例仅用以说明本技术的技术方案而非限定，参照较佳实施例对本技术进行了详细说明。本领域的普通技术人员应当理解，可以对本技术的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本技术技术方案的精神和范围，均应涵盖在本技术的权利要求范围内。