CN101839965A - 被动型铷原子频标剩场量的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种被动型铷原子频标剩场量的测量方法，它是通过对原子频标腔泡系统施加的正方向C场后，测量正方向C场H_I的对应的外界磁场为H_I时的共振频率F₁；再对原子频标腔泡系统施加的反方向C场后，测量反方向C场-H_I的对应的外界磁场为-H_I时的共振频率F₂，通过比较共振频率F1和共振频率F2的差频数据，间接得出相应的剩余磁场的大小。过本方法可以较好地了解到原子频标系统内的剩余磁场的大小，而更重要的是了解剩余磁场的变化对整机的指标影响，知道了剩余磁场的大小及剩余磁场的变化对整机指标的影响量后，可以很方便地给出进一步改进原子频标整机频率稳定度的依据。

Description

被动型铷原子频标剩场量的测量方法

技术领域

本发明属于被动型铷原子频标腔泡系统的测量检测技术，具体涉及一种测量被动型铷原子频标腔泡系统中剩余磁场量的方法。

背景技术

腔泡系统是被动型铷原子频标整机的核心部件，主要包括谐振腔及为了减小物理系统的体积而设计的集成滤光共振泡，以及辅助完成原子频标工作所需的C场及控温部件等。

谐振腔是一种微波谐振器件，它的主要作用是为87Rb原子基态精细结构的微波跃迁提供合适的微波场，其共振频率与作为量子鉴频参考的原子跃迁频率是一致的，同时它也起着为集成滤光共振泡提供热环境的作用。集成滤光共振泡是整个量子系统的核心，集成泡中的铷原子的基态超精细0-0跃迁频率即是铷原子频标的鉴频参考频率。集成滤光共振泡内的铷原子运动方向是杂乱无章的，加上一个固定电流大小及方向的磁场(即C场)，能够很好的起到“原子分裂”及“量子化轴”的作用。腔泡系统中的控温部件由热敏电阻和加热丝组成并分别安装于腔盖和腔体上，控温部件配合腔泡系统外部的控温电路对谐振腔的温度进行控制。

腔泡系统本身存在着各种形式的干扰，它们通过闭合线路电磁交换形式，产生一定量的剩余磁场。这些磁场的存在是相当复杂的，是“原子分裂”及“量子化轴”用C场之外的附加磁场。另外腔泡系统的控温模块中的加热器环节设计不合理，也可以引入剩场，其产生的原因是当环境温度变化时，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。在剩场作用下，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。而目前在被动型原子频标技术领域，对整机系统的剩余磁场大小无法进行比较精确的测量，而由于剩余磁场的存在，外界环境的变化引起的剩余磁场大小和方向的改变导致的整机指标变化也无法测量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种被动型铷原子频标剩场量的测量方法，并通过环境温度的改变来评估剩场对原子频标系统的频率稳定度造成的影响。

本发明的技术方案为：被动型铷原子频标剩场量的测量方法，它是通过对原子频标腔泡系统施加的正方向C场后，测量正方向C场H_I的对应的外界磁场为H_I时的共振频率F1；再对原子频标腔泡系统施加的反方向C场后，测量反方向C场-H_I的对应的外界磁场为-H_I时的共振频率F2，通过比较共振频率F1和共振频率F2的差频数据，间接得出相应的剩余磁场的大小，

$H_{\mathrm{\γ}}=\frac{|F1-F2|\×F_0}{574.14\×4\×H_I\×\cos \mathrm{\α}}$

其中F1、F2为C场换向前后频稳测试仪测量的差频值；F0为原子基态超精细0-0跃迁的共振频率；H_I为人为加上的用于“原子分裂”及“量子化轴”的C场；α为向量H_I与向量H_γ相差角度，H_γ为剩余磁场。

磁致频移是由于原子能级的Zeeman效应引起的，对于⁸⁷Rb原子非0-0跃迁而言，其频率对磁场H较为敏感，而对于0-0跃迁而言，其频率仅与H的二次方成正比，与H的一次方无关，对外界磁场较不敏感，即

            F＝F₀+574.14H²            (1)

式中F₀为外界磁场为零时的频率，F是外界磁场为H时的共振频率。式(1)中H(磁场)的单位为“高斯”，F(共振频率)的单位为“赫兹”。在式(1)中对H进行求导得

            dF＝1148.28HdH            (2)

式(2)两边除以原子共振中心频率F₀，对于铷原子频标而言，我们取

F₀＝6834.6875MHz，则有

            dF/F₀＝1.68×10^-7HdH        (3)

式(3)左边代表原子频标的频率稳定度，而右边反映了腔泡系统中总磁场大小的变化。

需要指出的是，式(3)中推导出的磁场量是以向量模的大小给出的，并未考虑到向量角的影响。在实际的原子频标腔泡系统中的总磁场应该是用于“原子分裂”及“量子化轴”的C场与剩余磁场的相量叠加而成。我们设计一个总磁场H_∑模型，它由向量H_I及H_γ叠加而成：其中H_I是人为加上的用于“原子分裂”及“量子化轴”的C场，其大小及方向是固定的(可反向)；H_γ由腔泡系统的剩余磁场构成，其大小及方向均未知。向量H_I与向量H_γ相差角度为α。当H_I正负方向时，与剩场H_γ叠加后的有效磁场分别为H_∑和

整体模型如图1所示。

根据图1，按向量加减法有：

$H_{\mathrm{\Σ}}=\sqrt{{(H_{I1}\cos \mathrm{\α}+\mathrm{H\γ})}^2+{\left(H_{I1}\sin \mathrm{\α}\right)}^2}---\left(6\right)$

$H_{\mathrm{\Σ}}^{\′}=\sqrt{{(H_{I2}\cos \mathrm{\α}+\mathrm{H\γ})}^2+{\left(H_{I2}\sin \mathrm{\α}\right)}^2}---\left(7\right)$

其中H_I2＝-H_I1

在原子频标腔泡系统中给定一个固定大小的C场H_I，整个剩场测量原理框图2所示，由物理系统、电子线路、C场换向开关、频稳测试仪及PC几部分组成。其中物理系统包括光谱灯、集成滤光共振泡、微波腔和光电探测器(光电池)等组成，电子线路由基本的隔离放大器、综合、倍频、混频、伺服组成。(上述物理系统、电子线路、C场换向开关、频稳测试仪及PC等装置均为现有技术。)。物理系统作为原子标准频率输出参考，电子线路与物理系统构成一个频率锁定环路，用以将压控晶体振荡器VCXO的输出频率锁定在物理系统的原子标准参考频率上。本发明方法通过C场换向开关控制加在腔泡系统中的C场H_I的正反方向，由于整机剩余磁场无论是大小还是方向都是固定的，当C场H_I的方向发生改变时，整机叠加的综合磁场必然会发生变化，通过隔离放大器将C场H_I的方向改变前后的两次频率信号送至外接高稳H钟源的频稳测试仪中分别进行差频测量，将结果送至PC端，通过比较两次频稳测试仪中的差频数据，可以间接得出相应的剩余磁场的大小。

通过改变外界环境的的温度，或间接改变腔泡系统中恒温电路中的控温值，此时整机系统中的剩余磁场会发生改变，通过上述方法采用频稳测试仪分别测量原子频标输出频率信号的差频数值，来评估剩余磁场的变化量对整机指标的影响。

在被动型铷原子频标中，系统所需C场的制法往往是采用螺旋管电流方式，如图3所示。

根据右手螺旋定则，电流产生的磁场方向可以方便地给出。其大小可用下列公式计算：

$H=\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{4\mathrm{\π}}2\mathrm{\πnI}(\cos {\mathrm{\β}}_1-\cos {\mathrm{\β}}_2)---\left(4\right)$

其中，n为线圈单位长度匝数，I为通电电流，

为一常数值10-7。通电螺线管轴线上离中心点x处点A，

$\cos {\mathrm{\β}}_1=\frac{x+\frac{L}{2}}{\sqrt{R_1^2+{(x+\frac{L}{2})}^2}}$ $\cos {\mathrm{\β}}_2=\frac{x-\frac{L}{2}}{\sqrt{R_1^2+{(x-\frac{L}{2})}^2}}$

对于线圈单位长度匝数n，假设实际C场绕线的圈数为m，绕线的半径为r，则相应的n计算公式为

$n=(\frac{L}{2r}*m)/L=\frac{m}{2r}---\left(5\right)$

采用国际单位制，式(4)及(5)中各参数的单位如下：磁感应强度(H)：特斯拉、电流强度(I)：安培、长度单位(L、R1、x)：米。需要指出的是，式(1)中所提及的磁感应强度H，用“高斯”作单位，转换关系是：1特斯拉＝10⁴高斯。

此本发明提出一种测量剩场的方法，通过该方法能够精确的知道原子频标内部剩余磁场的大小，并通过环境温度的改变来评估剩场对原子频标系统的频率稳定度造成的影响，为日后原子频标磁场领域的研究给出相应依据。通过本方法可以较好地了解到原子频标系统内的剩余磁场的大小，而更重要的是了解剩余磁场的变化对整机的指标影响，知道了剩余磁场的大小及剩余磁场的变化对整机指标的影响量后，可以很方便地给出进一步改进原子频标整机频率稳定度的依据。

附图说明

图1腔泡系统磁场模型图

图2剩场用频率稳定度测量原理图

图3 C场线圈剖面

具体实施方式

利用反向开关将C场电流反向得到的I₁、I₂中，因开关量的干扰势必引起I₁、I₂绝对值并不完全相等，其中I₁＝1.81680、I₂＝1.81765，利用式(4)转换为相应磁感应强度H_I1、H_I2。频稳测试仪测量的差频值F₁-F₂＝1E-11(其中F₁＝-1.61411E-8、F₂＝-1.61518E-8)则反映了改变C场电流方向，引起的原子跃迁频率改变通过伺服回路反馈到晶体振荡器(VCXO)上的频率变化量，有转换关系：f₁＝F₁×f₀、f₂＝F₂×f₀。

根据图1，按向量加减法有：

$H_{\mathrm{\Σ}}=\sqrt{{(H_{I1}\cos \mathrm{\α}+\mathrm{H\γ})}^2+{\left(H_{I1}\sin \mathrm{\α}\right)}^2}---\left(6\right)$

$H_{\mathrm{\Σ}}^{\′}=\sqrt{{(H_{I2}\cos \mathrm{\α}+\mathrm{H\γ})}^2+{\left(H_{I2}\sin \mathrm{\α}\right)}^2}---\left(7\right)$

其中H_I2＝-H_I1

应用公式(1)可得：

        f₁＝f₀+574.14H_∑ ²                (8)

$f_2=f_0+574.14H_{\mathrm{\Σ}}^{{\′}^2}---\left(9\right)$

上述两式相减可得：

        |f₁-f₂|＝574.14×2Hγcosα(H_I1-H_I2)    (10)

考虑到C场电流在转向时由于开关量干扰存在正向与反向绝对值偏差，但此偏差值很小，故应用公式(4)求得的正、反磁感应强度要视为大小相等，即H_I1＝H_I2＝H_I，所以式(10)可写为：

    |f₁-f₂|＝574.14×4HγH_Icosα        (11)

对于实测的系统，所加的C场大小为51mG，|cosα|取值在0-1之间，则剩余磁场最大为：

考虑到腔泡系统内主要的剩场制造者非通电加热丝所至，为减小腔泡系统剩场对原子频标频率稳定度的影响，应使加热丝线圈绕向与C场线圈绕向垂直。

通过上述方法可以较精确地测量出腔泡系统内的剩余磁场的大小，但这对评估原子频标整机性能是不充分的，因为在考核剩余磁场对系统稳定度的影响时，更多的应该考虑剩余磁场的变化性，腔泡系统内主要的剩场来源于加热丝在外界环境温度变化时电流发生变化，从而导致剩场大小乃至方向的变化。故本发明提出用改变环境温度的方法，来评估腔泡系统内剩场对频率稳定度的影响：将原子频标整机置于恒温环境中，通过选择恒温室温度T1和T2，按照图1的测量原理图，将C场换向开关固定在某一方向上，用频稳测试仪测量晶体振荡器(VCXO)经隔离放大器输出的信号差频数据，并将结果反馈给PC端。因为在原子频标整机结构中，腔泡系统外面含有多层磁屏装置，起到隔离开外界变化磁场对腔泡系统的干扰作用，通过比较在T1与T2环境温度下的具体差频数据的大小，即可评估温度变化导致的剩场变化对原子频标整机频率稳定度的影响。

Claims (1)

1.一种被动型铷原子频标剩场量的测量方法，它是通过对原子频标腔泡系统施加的正方向C场后，测量正方向C场H_I的对应的外界磁场为H_I时的共振频率F₁；再对原子频标腔泡系统施加的反方向C场后，测量反方向C场-H_I的对应的外界磁场为-H_I时的共振频率F₂，通过比较共振频率F1和共振频率F2的差频数据，间接得出相应的剩余磁场的大小，

$H_{\mathrm{\γ}}=\frac{|F1-F2|\×F_0}{57.4\×4\×H_I\×\cos \mathrm{\α}}$

其中F1、F2为C场换向前后频稳测试仪测量的差频值；F0为原子基态超精细0-0跃迁的共振频率；H_I为人为加上的用于“原子分裂”及“量子化轴”的C场；α为向量H_I与向量H_γ相差角度，H_γ为剩余磁场。

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