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1、小型TE111无泡隔膜腔氢脉泽的实验研究第21卷第2期2000年4月计量ACTAMETR0LoGICASINICAVol21.№2Apn1.2000邺E一实验,摘要:研究了脚柱形TEll1摸式无泡谐振腔,根据脉泽振蔼条件验证了新模式的可行性.对该谐振腔进行了模式分析,结构设计及腔频灵敏度计算,并对这种氢酥泽进行了感应辐射信号的观察和正反馈振荡实验,这种体积约为传统谐振腔一半的隔膜腔的应用对高性能氢酥泽的小型化具有重要意义.化-/-E,,jTB935113元咆/中圈分类号:,文献标识码:AuIIv,^1引言黔撅辛祥组,焉聘名d,基于原子氢脉
2、泽机理的氢原子钟是一种高精度的现代时间和频率标准.它不仅在基础理论研究领域,而且在军事应用,如军事测绘,导航,通讯,导弹制导等方面具有广泛应用.目前实用型氢原子钟体积较大,一定程度上限制了其应用范围,因此高性能小型化氢原子钟的研制势在必行.自从1974年,世界上第一台空间钟研制成功并用于空间飞行后,用于空间和军事工程的小型氢原子钟的研究十分活跃,不同结构的小型氢钟应运而生,由6O,70年代的几百千克现已减小到不足20千克.图1所示为氢脉泽的工作原理图,氢源产生的氢原子经喷口射人高真空室,在六极束光学系统中被能态分离,高能态原子聚焦到位于谐振
3、腔中心的储存泡中,与腔高频磁场相互作用而产生跃迁,释放能量.氢脉泽的最小尺寸决定于电磁谐振腔的尺寸.传统的氢脉泽采用TE0l1模式的共振腔,腔中装配着球形或椭球形熔凝石英泡.泡把氢原子限制在一个振荡磁场的纵向分量在相位和方向都均匀的范围内,共振在氢超精细跃迁频率fhh=1420.406MHz的典型TE0"脉泽腔,腔直田l氢棘泽工作原理图径,长度约28cTT1.腔的尺寸决定外围真空壳及磁屏蔽的最小尺寸和最小重量,而泡的介人将减小腔Q值,增大因介电材料引起脉泽温度变化的灵敏性.为了使脉泽小型,重量轻且坚固,希望减小腔的尺寸并消除单独的石英泡,从
4、而减小脉泽的温度梯度,改善热控制,降低温度控制电路所需要的功率.为此,我们研究一种新型的小型原子氢脉泽,即采用新型的圆柱形TEl11无泡隔膜腔.本文将通过对脉泽振荡条件的描述,验证新模式的可行性,对该谐振腔进行设计计算,并对这种杖稿言:l8—03～吡.謦订日期:l9—07—06■音拜计量2000年4月氢脉泽进行感应辐射信号的观察和正反馈振荡实验.2TE…模式谐振腔2.1脉泽振荡条件不是所有的腔结构都可以维持白激振荡,氢原子所辐射的功率必须超过腔的损耗.这就为腔0值和激励原子的振荡磁场的强度分别定了一个下限.下面将描述一个振荡条件【,这个条件
5、考虑到腔中场的分布原子限制区域的几何学以及腔壁的电导性.应用这种量度可估价小型TE1l1脉泽腔的现实性.已经证明,若使脉泽维持振荡,必须满足如下等式:=嚣We?-矗≤¨,z㈩式中:P:o为玻尔磁子,.,为泡中氢原子的平均相对速度;为氢一氢自旋交换截面;0为腔的有载0值;I为进^泡的氢原子总流量;I为进^泡在F=1,F=0能态的氢原子流量;Vh为泡的体积;V为腔的体积;(H)为腔内振荡磁场的平方的平均值;(H)b为泡内轴向振荡磁场的平均值;y为总的与密度无关的氢弛豫率(不包括自旋交换弛豫);为氢原子从泡的损耗率.氢脉泽中六极态选择器把F:l,
6、F=1和F=1,F=0能态的原子等数量地聚焦到腔中,使得J/I=2,当腔温度为50℃时,/(85)=510,且实验表明,/71=1.故得到脉泽振荡条件:S;0l≥5.9×10(2)式中:为填充因子,对于隔膜腔,=㈤(3)这里vb是单泡区域的体积(等于腔体积的一半).因为从腔耦合的功率的数值事先不知道,如令口为腔的外部耦合因子,则氢脉泽振荡条件为:l_≥5.9×10(4)lo2.2TEll1腔的模式分析及结构设计圆柱形TEll1隔膜腔的磁场分布如图2所示,在中心对称轴线用Teflon薄膜把腔分成振荡磁场方向相反的两区域,高能级氢原子进入腔人口
7、被分成两部分,分别进人"双腔产生辐射跃迁.该模式谐振频率和尺寸的关系为:c=(刚)(5)取D/l=0.8,代人式(5),对于f:1420.406MHz,得D:15cm.1:18.75cm.在该尺寸下,TE11l模是圆柱腔各种模式中的主模,在给定工作波段下,TEIl1模圆柱腔的体积最小.根据TE1l1腔的S0曲线L.,该尺寸下S0=13.2×10;当卢=0.2时,S=11×10,是阈值5.9×10的2倍,因此理论上这种模式的谐振腔可以振荡.封基■妨"[etle~盒■艘"[etlon静屡仆量乐于牵田2TElll隔膜腔磁场分布第21卷第4期王庆华
8、等:小型TELI1无泡隔膜腔氢脉泽的实验研究91可见,这种谐振腔的尺寸约原来TE叭1模式的二分之一,它既是原子跃迁范围,又是原子储存范围,代替了通常氢脉泽所用的大俸积谐振腔及与之
