被动型星载氢钟H型气体电离模型及参数优化

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1、中国空间科学技术ChineseSpaceScienceandTechnology2013年10月第5期被动型星载氢钟H型气体电离模型及参数优化王勇1。2邱实2李建清1(1东南大学仪器科学与工程学院，南京210096)(2东南大学空间科学与技术研究院，南京210096)摘要针对被动型星载氢钟气体电离装置低功耗、低电磁干扰的设计要求，设计了一种基于平面盘绕馈能天线的H型电离系统，并建立该电离方法的数学模型。首先，由Maxwell方程出发，推导出了电离泡中的电场和磁场的分布模型，得到气体电离机制；再由电磁场的分布方程推导出氢气击穿判据表达式，建立了气体电离条件的数学模型

2、；最后，利用电离击穿条件判据方程优化了电离装置的设计参数。数值仿真与测试表明该模型是有效的，采用优化的设计参数可以使电离功耗和电磁干扰特性得到改善，且电离直流电源总功率可小于2W。关键词气体电离模型电磁场分布电离参数优化被动型星载氢钟DOI：10．3780／j．issn．1000—758X．2013．05．0091引言被动型氢原子钟是实现氢原子钟小型化的主要途径，它体积、质量相对较小，且相对于其他小型原子钟具有无可比拟的中、长期稳定度，适用于卫星定位、导航、空问探测及天文观测等系统，可以提供超稳定度的标准频率信号[1]。氢气电离装置是被动型星载氢原子钟的重要物理部

3、件，它将经过提纯器过滤后的纯净的氢气电离成为氢原子，以便经过选态以后产生高能态氢原子并注入到储存泡中，从而产生1．420GHz跃迁微波信号。电离电源的功率不仅影响了小型氢钟的星载质量和体积，还决定了电离电磁能对整个电子系统的电磁干扰特性(电离振荡器功率越大，电磁辐射干扰越强)[z]。因此，优化电离参数从而降低电离功率是电离装置重要的设计目标。现有氢钟气体电离系统功耗较大且无理论模型，文献E21给出了一种采用螺线管式馈能天线的电离装置，其频率在80～150MHz之间，功耗5～10W；文献r-3]给出了一种直流磁场增强型感应耦合氢气电离装置，功耗2．5W。文献[-4-

4、1给出了一种针对甲烷气体电离的射频感应耦合的电离仿真模型，但是针对被动型氢钟氢气感应耦合电离方式的电离数学模型、电磁场分布及电离规律有待进一步详细研究。本文采用射频H型感应耦合电离方法，建立氢原子在电离泡中的电离及电磁场分布模型，给出电离击穿条件及电离规律，此方法为被动型星载小型氢钟的氢气电离过程的功率优化提供了理论依据，使得设计的电离装置功率较传统设计有所降低，电磁干扰特性得到改善。2氢气电离机制及电磁场分布模型射频H型电离方法的氢气电离过程可以概括为：射频电流流过耦合天线，在天线周围先产生交变磁场，由交变磁场再感应出交变电场；氢气中存在的少量自由电子(约103

5、／cm3)在射频电场的作用下加速而获得较高的平均动能；高速电子与氢分子发生非弹性碰撞产生能量转移，氢分子获得足够的能量而离解成两个氢原子，且放出光子和热量，通常可观测到电离泡中呈暗红色状态圈，如式(1)所示收稿日期：20121卜02。收修改稿日期：201302—25!!!i生!!旦生垦窒回型堂堇查i!H：(1∑g+)一H(2s)+H(2s)+胁(1)式中g+为电离源施加给氢分子的电磁能量；h为普朗克常数；U为放出光子的谱线频率。电离系统设计原理如图1所示，采用图1(a)所示克拉拨三端振荡电路；并将电路中的振荡电感L。作为馈能天线，绕制成图1(b)中所示平面盘绕线圈

6、，采用圆柱形电离泡，且平面盘绕线圈和圆柱形电离泡的底面同轴心安装。振荡电流在天线周围产生H型辐射场，即磁偶型辐射场，从而将射频电离振荡器产生的电磁能量馈入电离泡中的气体。L．06pHC410pF(a)振荡电路原理(b)安装原理图1电离振荡电路及射频H型感应耦合电离原理示意Fig．1IonizationcircuitandinductivecouplingionizationprincipleforH—mode设在平面盘绕天线中通入交变的电流为j=J。exp(--jcot)，工。为电流的振幅，∞为电流源振荡角频率。该电流在电离泡中产生的电磁场分布与电离泡中的气压、泡

7、尺寸及电离源频率等均相关。把电离气体形成的等离子体作为有限电导率介质处理，由Maxwell方程可以得到圆柱形电离泡中的空问电磁场分布规律为口3VXE一一jc出]V×B一掣E+j∞￡／2El(2)V·B—OV·E一0】式中E，B分别为电离泡中的电场强度和磁感强度；仃，卢，e分别为电离氢气的电导率、磁导率和介电常数。由式(2)可以得到电离泡中电场和磁场满足的Helmhohz方程V2E+∞2产8，E一0I(3)v2B+(U2“￡7B一0式中e7一e—j盯／∞。由于交变电磁场具有空间对称性，故电离泡中的电场和磁场可表示为E—bexp(一j“)％1⋯B=B。exp(一j“)

8、e：J式中