CN100428088C - 场移式空间冷原子钟 - Google Patents

Abstract

一种用作高空频率标准的场移式空间冷原子钟，包括一带有原子源的原子捕获腔、真空导管、微波谐振腔、磁屏蔽与恒温套、螺线管线圈、探测腔、真空泵浦系统、计算机、微波发生器、激光系统和支架，其特点是采用一个移动微波谐振腔来完成原子选态及微波与原子两次相互作用，本发明可消除微波谐振腔引起的端-端相位差，简化结构并提高空间冷原子钟的精度。

Description

场移式空间冷原子钟

技术领域

本发明涉及原子钟，特别是一种场移式空间冷原子钟。

背景技术

目前，世界各国在空间使用的频率标准-原子钟还是传统的氢钟、铯钟、铷钟等热原子钟。只有法国、美国等少数发达国家已研制成自己的空间冷原子钟，在空间环境下，磁场和重力的影响几乎为0，将会有比地面喷泉钟更高的精确度，预计达到10^-17量级。地面喷泉冷原子钟是在重力的作用下，利用重力实现微波场与原子的两次相互作用，在空间微重力环境下，就不能利用重力来实现了。为了实现原子与微波场的两次相互作用，目前国外研制的空间冷原子钟都是使用两个微波腔来实现两次相互作用的，冷原子团是沿一个方向通过两个微波腔，这样就存在微波腔的端-端相位差。

目前美国的空间冷原子钟PARCS(European Frequency and Time Forum，1999 andthe IEEE International Frequency Control Symposium，1999.，Proceedings of the 1999Joint Meeting of the，Volume：1，13-16April 1999，文献PARCS：A PRIMARYATOMIC REFERENCE CLOCK IN SPACE)的实现方案如图1所示，由激光系统10产生九束激光，其中六束激光由第二光纤组10.2在原子捕获腔1中形成三对正交激光束，激光束由第一光纤10.1引导接在原子捕获腔1的左端，两束激光由第三光纤组10.3引导接在探测腔6的上端形成探测光路。原子捕获腔1连接原子源11，探测腔6的右端接真空泵浦系统7。原子捕获腔1与选态微波谐振腔3.1的一端连接，该选态微波谐振腔3.1的另一端与两个串联的Ramsey微波谐振腔3连接，该两个Ramsey微波谐振谐振腔3的另一端与探测腔6连接。其整个连接过程都是通过真空导管2来连接的。两个串联的Ramsey微波谐振腔3在螺线管线圈5内部，螺线管线圈5又在磁屏蔽与恒温套4的内部。微波发生器9由微波线路9.1向选态微波谐振腔3.1馈送微波信号，通过微波线路9.2向两个Ramsey微波谐振腔3馈送微波信号。工作过程是：在原子捕获腔1中由第二光纤组10.2引导的三对正交激光束捕获原子并将捕获的原子冷却到1～3×10^-6K温度，改变三对正交激光束的激光频率产生移动光学粘胶(moving molasses)，利用该移动光学粘胶带动所述的原子一起水平方向向右运动，使原子加速到一定的初速度，然后关掉光学粘胶，使原子沿其初速度方向自由匀速飞行，所述的选态微波谐振腔3.1对所述原子进行选态，接着通过两个串联的Ramsey微波谐振腔3，最后到达探测腔6。在探测腔6对原子的跃迁情况用光电管进行探测，将探测结果由输入信号线8.1传给计算机8处理，计算机8的处理结果由第一输出信号线8.2反馈给微波发生器9，微波发生器9根据第一输出信号线8.2的信号进行调整，使送入选态微波谐振腔3.1和两个Ramsey微波谐振腔3的微波信号频率与所述的原子共振。由此我们可以看出，在空间冷原子钟中，加上选态微波谐振腔3.1一共用了3个微波谐振腔。其次，由于两个Ramsey微波谐振腔3存在不同的微波腔端端相位差Φ₁和Φ₂，通过两个Ramsey微波谐振腔3后引起端端的总相位差Φ＝Φ₁+Φ₂。

王育竹院士提出了一种场移式空间冷原子钟的基本思想：使用一个移动微波谐振腔来完成原子选态及微波与原子两次相互作用，即同一个微波谐振腔从两个不同的方向与原子相遇完成两次相互作用，微波谐振腔的端端相位差为Φ₀，第一次相互作用引起了Φ₀的相位差，第二次反方向相互作用引起了-Φ₀的相位差，所以总的相位差Φ＝0，因此，可消除微波谐振腔引起的端-端相位差。

发明内容

本发明采用场移式空间冷原子钟的基本思想，提出一种场移式空间冷原子钟结构，以简化结构、消除微波谐振腔引起的端-端相位差，并提高空间冷原子钟的精度。

本发明场移式空间冷原子钟的技术方案如下：

一种用作高空频率标准的场移式空间冷原子钟，包括一带有原子源的原子捕获腔、真空导管、微波谐振腔、磁屏蔽与恒温套、螺线管线圈、探测腔、真空泵浦系统、计算机、微波发生器、激光系统和支架，所述的真空导管的一端与所述的原子捕获腔相连通，另一端与所述的探测腔相连通，所述的探测腔与所述的真空泵浦系统相连通；所述的激光系统产生九束激光，其中一束由第一光纤引导至所述原子捕获腔的左端窗口，由第二光纤组将六束激光引导至该原子捕获腔的六个窗口形成三对正交的激光束，由第三光纤组将其余两束激光引导至所述的探测腔的上端形成探测光路；所述的计算机的输入端口通过输入信号线与所述的探测腔中的光电管相连，其第一输出端口通过输出信号线与微波发生器的控制端相连，该微波发生器的输出通过微波线路与所述的微波谐振腔相连，其特征在于：所述的微波谐振腔是唯一的并装有驱动系统，该微波谐振腔的中轴通孔套在所述真空导管上，在其驱动系统的驱动下沿真空导管作受控运动；所述的驱动系统包括一滚珠丝杆，该滚珠丝杆上套配一丝杆螺母，该丝杆螺母与所述的微波谐振腔固定连接，所述滚珠丝杆通过两个滚珠轴承与所述的真空导管平行地架装在所述支架上，该滚珠丝杆的一端通过联轴器与一交流伺服电机的转轴相连，所述计算机的第二输出端口通过控制线与所述的交流伺服电机相连；所述的真空导管、微波谐振腔和滚珠丝杆架装在所述的磁屏蔽与恒温套和螺线管线圈的内部。

所述的真空导管是由中部的玻璃导管和两端的钛金属导管烧结成一体的，其左端与第一法兰焊接在一起，其右端通过一密封环与第二法兰形成可拆卸的密封连接，左端通过第一法兰与原子捕获腔形成密封连接，右端通过第二法兰与探测腔的第三法兰形成密封连接。

本发明的技术效果：

与现有技术相比，由于本发明使用一个移动微波谐振腔来完成原子选态及微波与原子两次相互作用，即同一个微波谐振腔从两个不同的方向与原子相遇完成两次相互作用，微波谐振腔的端端相位差为Φ₀，第一次相互作用引起了Φ₀的相位差，第二次反方向相互作用引起了-Φ₀的相位差，所以总的相位差Φ＝0，因此，可消除微波谐振腔引起的端-端相位差，简化结构并提高空间冷原子钟的精度。

附图说明

图1是现有的空间冷原子钟的结构示意图

图2是本发明场移式空间冷原子钟的结构示意图

图3是本发明场移式空间冷原子钟的真空系统示意图

图4是本发明场移式空间冷原子钟的真空导管示意图

图5是本发明场移式空间冷原子钟的驱动系统示意图

图6是本发明场移式空间冷原子钟的一个Ramsey谱线图

具体实施方式

先请参阅图2、图3和图4，由图可见，本发明场移式空间冷原子钟的结构，包括一带有原子源11的原子捕获腔1、真空导管2、微波谐振腔3、磁屏蔽与恒温套4、螺线管线圈5、探测腔6、真空泵浦系统7、计算机8、微波发生器9、激光系统10和支架14，所述的真空导管2的一端与所述的原子捕获腔1相连通，另一端与所述的探测腔6相连通，所述的探测腔6与所述的真空泵浦系统7相连通；所述的激光系统10产生九束激光，其中一束由第一光纤10.1引导至所述原子捕获腔1的左端窗口，由第二光纤组10.2将六束激光引导至该原子捕获腔1的六个窗口形成三对正交的激光束，由第三光纤组10.3将其余两束激光引导至所述的探测腔6的上端形成探测光路；所述的计算机8的输入端口通过输入信号线8.1与所述的探测腔6中的光电管相连，其第一输出端口通过输出信号线8.2与微波发生器9的控制端相连，该微波发生器9的输出通过微波线路9.1与所述的微波谐振腔3相连，其特点是：所述的微波谐振腔3是唯一的并装有驱动系统12，该微波谐振腔3的中轴通孔套在所述真空导管2上，在其驱动系统12的驱动下沿真空导管2作受控运动；所述的驱动系统12，参见图5，包括一滚珠丝杆12.3，该滚珠丝杆12.3上套配一丝杆螺母12.2，该丝杆螺母12.2与所述的微波谐振腔3固定连接，所述滚珠丝杆12.3通过两个滚珠轴承12.1与所述的真空导管2平行地架装在所述支架14上，该滚珠丝杆12.3的一端通过联轴器12.4与一交流伺服电机12.5的转轴相连，所述计算机8的第二输出端口通过控制线8.3与所述的交流伺服电机12.5相连；所述的真空导管2、微波谐振腔3和滚珠丝杆12.3架装在所述的磁屏蔽与恒温套4和螺线管线圈5的内部。

所述的真空导管2，参见图3，是由中部的玻璃导管2.1和两端的钛金属导管2.2烧结成一体的，其左端与第一法兰2.3焊接在一起，其右端通过一密封环2.5与第二法兰2.4形成可拆卸的密封连接，左端通过第一法兰2.3与原子捕获腔1形成密封连接，右端通过第二法兰2.4与探测腔6的第三法兰6.1形成密封连接。

本发明的设计思想阐述如下：

原子钟的工作介质通常是87Rb或133Cs。由于铷原子的碰撞频移比铯原子小50倍，在本场移式空间冷原子钟中采用铷原子作为工作介质。由于该原子钟运行在空间，需要低的质量和好的刚性，还要求无磁性，因此选择钛金属材料制作。本发明场移式空间冷原子钟的结构主要由下列部分组成：真空系统13、驱动系统12、支架14、磁屏蔽与恒温系套4、螺线管线圈5、激光系统10、微波发生器9、计算机8构成。整体结构见图2。本发明的一个具体实施例为场移式空间冷原子铷钟。

场移式空间冷原子铷钟与PARCS空间冷原子钟相比，减少了一个选态微波谐振腔3.1和一个Ramsey微波谐振腔3，仅为一个Ramsey微波谐振腔3，增加了驱动系统12，同时改变了Ramsey微波谐振腔3的装配关系，即PARCS空间冷原子钟的Ramsey微波谐振腔3作为了真空壁使用，而场移式空间冷原子钟的Ramsey微波谐振腔3不作为真空壁使用，而是由真空导管2穿过Ramsey微波谐振腔3。各部件之间的装配关系如下：真空系统13的装配见图3，原子捕获腔1上接有铷原子源11，真空导管2左边接原子捕获腔1，右边接探测腔6，探测腔6的右端接真空泵浦系统7。真空导管2两端的第一法兰2.3和第二法兰2.4及两端的导管2.2是钛金属制成的，真空导管2在磁屏蔽与恒温套4和螺线管线圈5内部的中间部分是玻璃管2.1，玻璃管2.1和两端钛金属导管2.2烧结在一起，真空导管2的左端的第一法兰2.3和钛金属导管2.2之间是焊接在一起的，右端的第二法兰2.4是通过螺纹与钛金属导管2.2连接在一起的，这个端口的密封不同于一般的法兰密封，它是由探测腔6左端的第三法兰6.1和钛金属导管2.2之间的2.5密封环密封的，这样既保证了在装配时能使钛金属导管2.2和玻璃管2.1从Ramsey微波谐振腔3中穿过，也可以达到真空密封的目的，如图4所示。

驱动Ramsey微波谐振腔3的驱动系统12见图5，由交流伺服电机12.5，联轴器12.4，滚珠丝杆12.3，丝杆螺母12.2，滚珠轴承12.1组成。由交流伺服电机12.5通过联轴器12.4带动滚珠丝杆12.3驱动丝杆螺母12.2带着Ramsey微波谐振腔3运动，滚珠丝杆12.3两端用滚珠轴承12.1支撑在支架14上。由计算机8通过第二信号输出线8.3控制交流伺服电机12.5进行加速和减速运动。

参见图2和图5，交流伺服电机12.5和滚珠丝杆12.3驱动Ramsey微波谐振腔3在螺线管线圈5内来回运动。交流伺服电机12.5和滚珠丝杆12.3固定在底座支架14上，滚珠丝杆12.3和真空导管2都穿过磁屏蔽与恒温套4。磁屏蔽与恒温套4固定在底座支架14上。所述的Ramsey微波谐振腔3通过支架14固定在螺线管线圈5内，真空导管2穿过Ramsey微波谐振腔3的中轴小孔，Ramsey微波谐振腔3通过丝杆螺母12.2锁定在滚珠丝杆12.3上，这样Ramsey微波谐振腔3可以在真空导管2上来回运动。通过第二光纤组10.2将激光系统10的六束激光引到原子捕获腔1正交的三对相应窗口，在原子捕获腔1中形成三对正交激光场，由第一光纤10.1从激光系统10将一束激光连接到原子捕获腔1的左端。激光系统10由第三光纤组10.3引出两束激光连接到探测腔6，组成与PARCS钟相同的探测光路。微波发生器9产生6.8GHz的微波信号，由同轴软微波线路9.1，穿过磁屏蔽与恒温套4上的小孔馈送给Ramsey微波谐振腔3。用光电管在探测腔6的前后两边探测原子跃迁信号，并由输入信号线8.1传给计算机8，计算机8经过处理，将误差信号转换成反馈信号由第一输出信号线g.2传给微波发生器9，微波发生器9对微波信号进行校正，继续馈送给Ramsey微波谐振腔3。

本发明场移式空间冷原子铷钟与PARCS钟相比，增加了Ramsey微波谐振腔3运动的驱动系统12，所以真空系统13与PARCS钟不同外，磁屏蔽与恒温套4两端多开了两个孔外，不同之处上文都有说明，其余的螺线管线圈5、探测腔6、计算机8、微波发生器9、激光系统10等都和PARCS钟相同，这里不作介绍，请看PARCS钟的有关文献。

场移式空间冷原子铷钟的工作过程是：

场移式空间冷原子铷钟是让Ramsey微波谐振腔3来回运动，使铷原子团三次通过同一个Ramsey微波谐振腔3，第一次通过Ramsey微波谐振腔3时，对冷原子团进行选态，其余两次与原子团发生相互作用。开始时，Ramsey微波谐振腔3静止在磁屏蔽与恒温系套4内部的左端。利用激光冷却技术在原子捕获腔1中捕获并冷却铷原子云到10^-5K温度以下，原子处在<F＝2，m_F>态。通过移动光学粘胶技术使原子云加速到速度v₀，关断激光，冷原子沿水平方向作匀速运动。原子第一次穿过Ramsey微波谐振腔3时对冷原子进行选态，<F＝2，m_F＝0>态的原子发生π反转，用原子捕获腔1左端的由第一光纤10.1引导的激光束形成激光脉冲去掉<F＝2，m_F≠0>态的原子，留下处于<F＝1，m_F＝0>态的原子。该选态冷原子穿过Ramsey微波谐振腔3后，该Ramsey微波腔3开始加速向右移动，到达速度V后，做水平匀速运动，然后追上该选态冷原子，与原子发生第一次相互作用，使处于<F＝1，m_F＝0>态的原子发生π/2反转。由于Ramsey微波谐振腔3的速度V远大于选态冷原子的速度v₀，因此，Ramsey微波谐振腔3到达磁屏蔽与恒温套4内部的右端后停下，并静止一段时间，然后反向加速至速度V后作水平匀速反向运动，接着与该选态冷原子再次相遇，发生第二次相互作用，使处于<F＝1，m_F＝0>态的原子再发生π/2的反转，这时<F＝1，m_F＝0>态的冷原子发生了π反转而被激发到了<F＝2，m_F＝0>态。等Ramsey微波谐振腔3到达初始位置后停下静止，接着开始下一个周期的运动和相互作用。因为V＞＞v₀，所以可以使两次作用的时间间隔T足够长，又因为T与Ramsey谱线宽度成反比关系，因此进一步压窄了Ramsey线宽。因为Ramsey微波谐振腔3的移动速度可由驱动系统12控制可调，所以两次作用的时间间隔T可调，以至Ramsey谱线宽度可以调节。

理论分析：

对于场移式空间冷原子钟与PARCS钟的情况不同，首先是使用一个Ramsey微波谐振腔3就可以完成微波场对原子的选态和微波场与原子的两次相互作用。其次，微波场与原子的两次相互作用时间不相等，而PARCS钟微波场与原子的两次相互作用时间相等。这样场移式空间冷原子钟的原子跃迁几率公式就不同于PARCS钟中的跃迁几率公式。

场移式空间原子铷钟的原子跃迁几率公式如下：

选态冷原子与微波场的两次作用时间不相等，若令τ₁-ε＝τ₂+ε＝τ，L是Ramsey微波谐振腔3腔长，V和v₀分别是Ramsey微波谐振腔3和选态冷原子的速度，则有

$\mathrm{\&tau;}=\frac{\mathrm{LV}}{V^2-{v_0}^2},$ $\mathrm{\&epsiv;}=\frac{{\mathrm{Lv}}_0}{V^2-{v_0}^2}$

假如T＝0时，原子全部处于下能级，冷原子开始穿越谐振腔3。经过原子与微波场两次相互作用后，原子从最初的下能级跃迁到上能级的跃迁几率可以通过精确求解薛定谔方程得出：

$P(2\mathrm{\&tau;}+T)=4{\sin }^2\mathrm{\&theta;}\{{[\cos \mathrm{\&theta;}({\sin }^2\left(\frac{1}{2}\mathrm{a\&tau;}\right)-{\sin }^2\left(\frac{1}{2}\mathrm{a\&epsiv;}\right))\sin \left(\frac{1}{2}\mathrm{\&lambda;T}\right)-\frac{1}{2}\sin \left(\mathrm{a\&tau;}\right)\cos \left(\frac{1}{2}\mathrm{\&lambda;T}\right)]}^2$

$+\frac{1}{4}{\sin }^2\left(\frac{1}{2}\mathrm{\&lambda;T}\right){\sin }^2\left(\mathrm{a\&epsiv;}\right)\}$

式中：

cosθ＝(ω₀-ω)/a       sinθ＝-Ω/a

a＝[(ω₀-ω)²+Ω₂]^1/2   λ＝(ω₀-ω)

式中ω₀和ω分别表示原子的共振频率和外加振荡场频率，ω₀表示原子与微波场无相互作用的T时间内原子的共振频率的时间平均值，在没有其他杂散场的影响时，ω₀＝ω₀。Ω表示原子与微波场相互作用的强度，其定义式为：

这里，E和H分别表示微波场的电场和磁场振幅，P和μ分别表示对应的电偶极跃迁矩阵元和磁偶极跃迁矩阵元。

有了原子的跃迁几率公式，就可以计算出原子与微波场相互作用的Ramsey谱线，得到Ramsey谱线的线宽。

由上面的分析我们可以知道场移式空间冷原子钟不同于PARCS钟，在空间微重力下，场移式空间冷原子钟能够用单个Ramsey微波谐振腔3实现微波场对原子的选态和微波场与原子的两次相互作用，消除了Ramsey微波谐振腔3引起的端-端相位差，使原子钟精度得到提高。在V＝1m/s、v₀＝4cm/s、T＝10s、微波磁场磁感应强度的幅值B＝5.15419×10^-10T、冷原子的温度为10^-5K时，Ramsey谱线的中心峰半高宽为0.3H_z。Ramsey谱线如图6。

由以上的分析可以知道，场移式空间冷原子钟比PARCS钟的优点在于场移式空间冷原子钟利用单个Ramsey微波谐振腔3实现了微波场对原子的选态和微波场与原子的两次相互作用，还消除了Ramsey微波谐振腔3引起的端-端相位差。其次，微波场与选态冷原子的两次相互作用的时间间隔T可以通过控制冷原子云速度和Ramsey微波谐振腔3移动速度V灵活调整，可以改变Ramsey谱线的线宽，从而改变原子钟的精度。

Claims (2)

1、一种用作高空频率标准的场移式空间冷原子钟，包括一带有原子源(11)的原子捕获腔(1)、真空导管(2)、微波谐振腔(3)、磁屏蔽与恒温套(4)、螺线管线圈(5)、探测腔(6)、真空泵浦系统(7)、计算机(8)、微波发生器(9)、激光系统(10)和支架(14)，所述的真空导管(2)的一端与所述的原子捕获腔(1)相连通，另一端与所述的探测腔(6)相连通，所述的探测腔(6)与所述的真空泵浦系统(7)相连通；所述的激光系统(10)产生九束激光，其中一束由第一光纤(10.1)引导至所述原子捕获腔(1)的左端窗口，由第二光纤组(10.2)将六束激光引导至该原子捕获腔(1)的六个窗口形成三对正交的激光束，由第三光纤组(10.3)将其余两束激光引导至所述的探测腔(6)的上端形成探测光路；所述的计算机(8)的输入端口通过输入信号线(8.1)与所述的探测腔(6)中的光电管相连，其第一输出端口通过输出信号线(8.2)与微波发生器(9)的控制端相连，该微波发生器(9)的输出通过微波线路(9.1)与所述的微波谐振腔(3)相连，其特征在于：所述的微波谐振腔(3)装有驱动系统(12)，该微波谐振腔(3)的中轴通孔套在所述真空导管(2)上，在驱动系统(12)的驱动下沿真空导管(2)作受控运动；所述的驱动系统(12)包括一滚珠丝杆(12.3)，该滚珠丝杆(12.3)上套配一丝杆螺母(12.2)，该丝杆螺母(12.2)与所述的微波谐振腔(3)固定连接，所述滚珠丝杆(12.3)通过两个滚珠轴承(12.1)与所述的真空导管(2)平行地架装在所述支架(14)上，该滚珠丝杆(12.3)的一端通过联轴器(12.4)与一交流伺服电机(12.5)的转轴相连，所述计算机(8)的第二输出端口通过控制线(8.3)与所述的交流伺服电机(12.5)相连；所述的真空导管(2)、微波谐振腔(3)和滚珠丝杆(12.3)架装在所述的磁屏蔽与恒温套(4)和螺线管线圈(5)的内部。

2、根据权利要求1所述的场移式空间冷原子钟，其特征在于所述的真空导管(2)是由中部的玻璃导管(2.1)和两端的钛金属导管(2.2)烧结成一体的，其左端与第一法兰(2.3)焊接在一起，其右端通过一密封环(2.5)与第二法兰(2.4)形成可拆卸的密封连接，左端通过第一法兰(2.3)与原子捕获腔(1)形成密封连接，右端通过第二法兰(2.4)与探测腔(6)的第三法兰(6.1)形成密封连接。

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