CN107342212B - 一种电离源系统、氢原子频标 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种电离源系统，包括硅基，所述硅基上设有至少一个通孔，在所述硅基相互对立的两面分别设置正电极与负电极，所述正电极与负电极分别位于通孔的两端，所述正电极与负电极上均设有与通孔匹配的开口，所述正电极、负电极分别与电源电气连接，所述电源为脉冲调制电源。本发明提出了一种氢原子频标，包括所述电离源系统。本发明提供的一种电离源系统、氢原子频标，对氢气的电离效率高，降低了对外部环境的要求。
Description
技术领域
本发明涉及氢原子频标领域，具体涉及一种电离源系统、氢原子频标。
背景技术
时间是五个基本物理量之一，对其的精确计量具有重要的科研和应用价值。进入二十世纪后，利用确定能级跃迁实现高精度时间输出的原子频标逐渐成熟，并得到广泛地应用。目前实用型的原子频标包括铷原子频标、铯原子频标和氢原子频标，其中氢原子频标具有优秀的中短期稳定度和良好长期稳定度和漂移率指标，可用于守时授时、导航定位和通讯保障等众多领域。
氢原子钟的工作原理是利用氢原子基态(F＝1，mF＝0)和(F＝0，mF＝0)两超精细能级之间的跃迁频率来锁定晶振。工业氢气通过提纯之后导入电离源系统，在此期间氢分子离解成为原子状态，同时发光发热，氢原子由准直器形成原子束流，在磁选态器的作用下，(F＝1，mF＝0)态的氢原子射入微波谐振腔中的储存泡，并在其中发生微波共振跃迁，使腔内微波能量增加，通过检测微波谐振腔内的微波能量就可以将电路系统输出的微波信号锁定在原子跃迁谱线上，从而可以得到具有高稳定度和高准确度的输出信号。由此可见，氢原子频标的核心是其物理部分，包括微波谐振腔、电离源系统和选态系统等，其中电离源系统是氢原子频标的重要子系统。
现有电离源系统原理相对结构复杂、功率太大以及电离效率不高等问题和局限，这种电离方式的激励功率要求比较高，一般从几w到几十w不等，并且离解后复合率比较高，据仿真计算分析，实际有效活性氢原子数不足氢源释放出氢量的1％。且电离源发生辉光反应，由于电磁场分布等原因，会发生无法启辉导致氢频标无法正常工作的情况。氢原子频标电离源系统是一个对内外界环境较为苛刻的系统，任何一个电离参数的变化都会导致该系统处于失效模式。在地面常压下，电离区域温度、湿度、电荷量等参数满足该系统的起振条件；但在真空条件下，电离区域外真空电离参数的改变会导致其不完全满足起振条件出现的泡区的部分电离甚至更严重的是完全不起振。另外，氢原子频标长时间处于不开机状态下，内真空放气量逐渐积累导致内真空下降的厉害，而钛泵又在短时间内实现不了内真空的高真空度氢频标电离系统亦满足不了起振条件而失效。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种电离源系统、氢原子频标。本发明提供的一种电离源系统、氢原子频标，对氢气的电离效率高，降低了对外部环境的要求。
本发明采用的技术方案如下：
一种电离源系统，包括电离源单元与电源，所述电离源单元包括硅基，所述硅基上设有至少一个通孔，在所述硅基相互对立的两面分别设置正电极与负电极，所述正电极与负电极分别位于通孔的两端，所述正电极与负电极上均设有与通孔匹配的开口，所述正电极、负电极分别与电源电气连接，所述电源为脉冲调制电源。
上述的一种电离源系统，其中，所述通孔的一端为氢气进气口，另一端为氢等离子体流喷嘴，所述氢等离子体流喷嘴的喷射方向朝向信号跃迁发射区域。
上述的一种电离源系统，其中，所述硅基上设有多个互相平行的通孔。
上述的一种电离源系统，其中，所述通孔的深宽比在8:1～20:1之间。
上述的一种电离源系统，其中，所述正电极与负电极之间的电场强度大于3MV/m。
上述的一种电离源系统，其中，向所述通孔的进气口输入浓度大于99.99％的氢气。
一种氢原子频标，包括至少一个上述的电离源系统。
上述的一种氢原子频标，其中，包括多个所述的电离源单元以及一个所述电源，多个所述电离源单元呈阵列式排布。
上述的一种氢原子频标，其中，多个所述电离源单元的正电极分别与电源电气连接，多个所述电离源系统的负电极分别与电源电气连接。
本发明提供的用于氢原子频标的电离源系统，在开放空间内对氢气进行直接接触式离解制备非平衡等离子体，气体温度保持在常温，从而获得最高的活性粒子数密度，设计高深宽比微结构，增加接触面积和离解效率，以阵列的形式增加了气流的界面面积，可以根据需要排列不同的阵列。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一种电离源系统的一实施例的结构示意图；
图2是本发明一种电离源系统的另一实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
如图1所示，一种电离源系统，包括电离源单元与电源(图中未示出)，所述电离源单元包括硅基1，所述硅基1上设有至少一个通孔2，在所述硅基1相互对立的两面分别设置正电极3与负电极4，所述正电极3与负电极4分别位于通孔2的两端，所述正电极3与负电极4上均设有与通孔2匹配的开口(5，6)，所述正电极3、负电极4分别与电源电气连接，所述电源为脉冲调制电源。所述通孔的一端为氢气进气口，另一端为氢等离子体流喷嘴，所述氢等离子体流喷嘴的喷射方向朝向信号跃迁发射区域。
如图2所示在一实施例中，一种电离源系统的硅基上设有多个互相平行的通孔，对应的，所述正电极3与负电极4上均设有与通孔2匹配的开口。
在一实施例中，，一种电离源系统的通孔的深宽比在8:1～20:1之间。
在一实施例中，一种电离源系统的正电极与负电极之间的电场强度大于3MV/m。
在一实施例中，向所述通孔的进气口输入浓度大于99.99％的氢气。
一种氢原子频标，包括至少一个上述的电离源系统。
在一实施例中，所述氢原子频标，包括多个电离源单元以及一个电源，多个所述电离源单元呈阵列式排布。
在一实施例中，多个所述电离源单元的正电极分别与电源电气连接，多个所述电离源系统的负电极分别与电源电气连接。
在一实施例中，所述氢原子频标，，包括多个电离源单元以及一个电源，多个所述电离源单元呈阵列式排布。所述电离源单元包括硅基、正电极、负电极，所述硅基上设有多个互相平行的通孔，在所述硅基相互对立的两面分别设置正电极与负电极，所述正电极与负电极分别位于通孔的两端，所述正电极与负电极上均设有与通孔匹配的开口，多个所述电离源单元的正电极分别与同一个电源电气连接，多个所述电离源单元的负电极分别与同一个电源电气连接。
本发明提供的电离源系统基于MEMS技术，利用最少的电源功率来驱动以获得最高的活性粒子数密度、电源输出能量耦合进氢气的等离子体后优化分配。
对于本领域技术人员而言，显然本申请不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本申请的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本申请。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本申请的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本申请内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。装置权利要求中陈述的多个单元或装置也可以由一个单元或装置通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。
当然，对于本领域技术人员而言，显然本申请不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本申请的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本申请。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本申请的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本申请内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种电离源系统，其特征在于，包括电离源单元与电源，所述电离源单元包括硅基，所述硅基上设有至少一个通孔，在所述硅基相互对立的两面分别设置正电极与负电极，所述正电极与负电极分别位于通孔的两端，所述正电极与负电极上均设有与通孔匹配的开口，所述正电极、负电极分别与电源电气连接，所述电源为脉冲调制电源；
所述通孔的一端为氢气进气口，另一端为氢等离子体流喷嘴，所述氢等离子体流喷嘴的喷射方向朝向信号跃迁发射区域。
2.根据权利要求1所述的一种电离源系统，其特征在于，所述硅基上设有多个互相平行的通孔。
3.根据权利要求2所述的一种电离源系统，其特征在于，所述通孔的深宽比在8:1～20:1之间。
4.根据权利要求1所述的一种电离源系统，其特征在于，所述正电极与负电极之间的电场强度大于3MV/m。
5.根据权利要求1所述的一种电离源系统，其特征在于，向所述通孔的进气口输入浓度大于99.99％的氢气。
6.一种氢原子频标，其特征在于，包括至少一个如权利要求1-5任一项所述的电离源系统。
7.根据权利要求6所述的一种氢原子频标，其特征在于，包括多个如权利要求1-5任一项所述的电离源单元以及一个所述电源，多个所述电离源单元呈阵列式排布。
8.根据权利要求7所述的一种氢原子频标，其特征在于，多个所述电离源单元的正电极分别与电源电气连接，多个所述电离源系统的负电极分别与电源电气连接。
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