铷原子频标赝温度系数研究

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1、波谱学杂志第２４卷第２期Ｖｏｌ．２４Ｎｏ．２２００７年６月ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｇｎｅｔｉｃＲｅｓｏｎａｎｃｅＪｕｎ．２００７文章编号：１０００４５５６（２００７）０２０１９１０７铷原子频标赝温度系数研究赵峰１，王芳１，钟达１，安绍锋１，夏白桦２，梅刚华１（１．波谱与原子分子物理国家重点实验室（中国科学院武汉物理与数学研究所），湖北武汉４３００７１；２．解放军通信指挥学院，湖北武汉，４３００１２）摘要：提出了一种测量铷原子频标赝温度系数的方法，该方法具有灵敏度高、简便

2、、快速的特点．分析了赝温度系数的物理机理，指出了克服赝温度系数的技术对策．实验结果表明，通过加热器的合理设计，赝温度系数可以降低１到２个量级．关键词：铷原子频标；温度系数中图分类号：Ｏ４５５．１文献标识码：Ａ引言气泡型铷原子频标经过几十年的发展，性能指标已经得到了很大提高．例如，美国－１４［１］，比商品小铯ＧＰＳ卫星定位导航系统所用的铷频标的日稳定度已经达到小系数１０钟还要好．最近，出现了铷频标天稳定度指标达到１０－１５量级的报道［２，３］．要设计出如此高指标的铷原子频标，要求对影响铷频标稳定度指标的每一种物理因素进行仔细研究，并找到有效的技术对策加以克服．温度系数是影

3、响铷频标稳定度指标的最重要因素之一．它是指环境温度变化引起的输出频率的变化．铷频标温度系数的起因十分复杂．通常情况下，温度系数与原子体系的物理特性有关，处理这类温度系数应从铷泡充制参数、滤光方式、铷泡工作温度的选［４－６］取和优化入手，许多文献作过专门讨论．物理系统的加热器设计不合理，也可以引入可观的温度系数．产生这种温度系数的原因是，环境温度变化时，加热电流将发生变化，变化的电流在原子周围感生出附加的磁场，在磁场作用下，由于Ｚｅｅｍａｎ效应，原子能级发生移动，最终导致原子频标的输出频率发生变化．在这种情况下，频率变化的确收稿日期：２００６１０１９；收修改稿日期：２

4、００６１１０８基金项目：“９７３”项目“原子频标物理与技术基础”子课题“铷原子频标的新方法和新技术”（２００５ＣＢ７２４５０７）．作者简介：赵峰（１９７９），男，博士研究生，从事原子频标研究．通讯联系人：梅刚华，电话：０２７８７１９７１９０，Ｅｍａｉｌ：ｍｅｉ＠ｗｉｐｍ．ａｃ．ｃｎ．１９２波谱学杂志第２４卷由温度变化引起，但不直接，故称为赝温度系数．赝温度系数如果处理不好，对原子频标性能也会产生很大影响．本文以铷原子频标为例，提出一种测量赝温度系数的方法，分析赝温度系数产生的原因，给出克服赝温度系数技术措施．１赝温度系数物理机理在铷原子频标中，起鉴频器作用的

5、物理系统由腔泡系统和铷光谱灯组成．赝温度系数仅与腔泡系统有关．图１给出我们使用的一种腔泡系统结构．腔泡系统主要由微波腔和充有金属Ｒｂ的吸收泡构成．微波腔由开槽管、圆柱型腔筒、介质环和耦合环等组成．吸收泡安装在微波腔内．光电池安装在腔端盖内表面．微波通过耦合环耦合进腔．耦合环串装用于倍频、混频的阶跃二极管．Ｃ场线圈缠绕在腔筒外表面，通以恒定电流后，产生微波腔轴向的恒定磁场，用来定义原子跃迁的量子化轴．为了产生频标工作物质，即Ｒｂ蒸气，需要对吸收泡加热．加热器由加热三极管、热敏电阻和温控电路（图中未示出）构成．为了提高加热效率，将温控电路的末级大功率三极管贴装在微波腔上作为

6、加热元件．其相对于微波腔的安装方式及引线结构如图２所示．图１铷频标腔泡系统结构示意图图２加热三极管安装方式以及对外引线示意图．其中Ｆｉｇ．１Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｃａｖｉｔｙｃｅｌｌａｓｓｅｍｂｌｙｏｆａｒｕｂｉｄｉｅ、ｂ、ｃ分别为连接加热三极管发射极、基极和集电极ｕｍａｔｏｍｉｃｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｔａｎｄａｒｄ的引线Ｆｉｇ．２Ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅｈｅａｔｅｒｉｎｗｈｉｃｈａｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｗａｓｕｓｅｄ．ｅ，ｂａｎｄｃｉｎｄｉｃａｔｅｌｅａｄｓｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇｔｏｅｍｉｔｔｅｒ，ｂａｓｅａｎｄｃｏｌｌｅｃｔｏｒｏｆｔｈｅｔｒａｎｓｉｓ

7、ｔｏｒｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ三极管３根引线基本平行，线间距约２ｍｍ．在系统正常工作的时候，３根引线内均有直流加热电流通过犐电流会在各自导线周围产生磁场．根据电磁场理论，此犲＝犐犮＋犐犫．时磁力线是以导线为轴心的同心圆，磁场方向在与轴垂直的平面内．由于３根导线的位置在空间上不重合，导线中的电流在腔泡系统的微波共振区产生的磁场不能互相抵消，剩余磁场犅方向垂直于Ｃ场犅，且与Ｃ场叠加形成总磁场犅，作用于共振区的铷蒸气１０第２期赵峰等：铷原子频标赝温度系数研究１９３原子，如图３所示．如果犅能保持恒定，也不会对系统产１生不良影响．但是当环境温度发生