CN109412592A - 一种氢原子钟电离源系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及、一种氢原子钟电离源系统，其包括：依次连接的一电离源振荡组件、一氢原子钟电离泡以及一电离泡光强检测组件，其还包括：一与所述电离泡光强检测组件连接的电离源工作模式控制组件，其根据电离源当前的工作模式以及所述电离泡光强检测组件输出的光强电压值，输出一电压控制信号；以及一连接在所述电离源工作模式控制组件与电离源振荡组件之间的振荡组件功率控制模块，其根据所述电压控制信号，选择对应的电压并输出至所述电离源振荡组件。本发明解决了传统氢钟电离源系统需要较高功率启动，并维持高功率工作模式长期工作，从而易导致电离源寿命及可靠性降低的问题，并且实现了电离源组件的可靠性提升。
Description
技术领域
本发明涉及原子频标领域，尤其涉及一种氢原子钟电离源系统。
背景技术
氢原子钟由物理和电路两大部分组成，其中，电路部分产生探测信号，激发氢原子基态两超精细能级之间的跃迁，以此跃迁频率(1420.405MHz)作为整机的锁定基准，将10MHz晶振锁定在原子跃迁频率上，实现氢钟高稳定10MHz信号输出。
电离源系统是氢钟物理部分的一个重要组件，采用射频激励诱导无极放电的方式实现氢分子电离。具体的过程如下：将氢分子通入石英制的电离泡内，由克拉泼共振电路或者多级射频放大电路产生频率为100MHz左右、功率5W～10W的射频信号，导入电离泡内，自由电子在射频电场的作用下进行加速并轰击氢分子，产生氢原子、氢离子和更多电子。
电子连续的加速和轰击，能够在电离泡内构成持续的电离。被电子轰击离结生成的氢原子一般处于激发态，会通过自发辐射回到基态，同时发出光辐射。电离源系统需要保证氢分子的电离效率，从而保持氢原子的有效流量满足跃迁的需求。电离过程中可通过辐射光谱进行间接判断。
然而，现有技术中电离源系统存在以下问题：
传统的电离源系统可如图1所示，该系统包括：电离源振荡组件1、氢原子钟电离泡2和电离泡光强检测组件3，其中，电离泡光强检测组件3输出的光强信息并不反馈至电离源振荡组件1，因此，电离源工作时一直维持初始的高功耗模式工作。
另外，专利201110097185.9氢原子钟电离源系统公开了一种氢钟电离源振荡电路及散热设计，其虽然解决了真空下电离源系统可靠工作问题，但是，由于该氢钟电离源采用了恒定电压电流供电方式，电离源工作期间功耗恒定，因此，稳态功耗较大。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明旨在提供一种氢原子钟电离源系统，以根据实际情况对电离源工作的功率进行可控调节。
本发明所述的一种氢原子钟电离源系统，其包括：依次连接的一电离源振荡组件、一氢原子钟电离泡以及一电离泡光强检测组件，其特征在于，所述系统还包括：
一与所述电离泡光强检测组件连接的电离源工作模式控制组件，其根据电离源当前的工作模式以及所述电离泡光强检测组件输出的光强电压值，输出一电压控制信号；以及
一连接在所述电离源工作模式控制组件与电离源振荡组件之间的振荡组件功率控制模块，其根据所述电压控制信号，选择对应的电压并输出至所述电离源振荡组件。
在上述的氢原子钟电离源系统中，所述电离源的工作模式包括：中功耗短期工作模式、低功耗短期工作模式、高功耗短期工作模式、低功耗长期工作模式、中功耗长期工作模式以及断电模式。
在上述的氢原子钟电离源系统中，所述电离源工作模式控制组件配置为：
使所述电离源在中功耗短期工作模式下加电启动并工作预设时间后，将所述光强电压值与预设的阈值电压进行比较，若超过该阈值电压，则将所述电离源切换至工作在低功耗短期工作模式下，否则将所述电离源切换至工作在高功耗短期工作模式下；
当所述电离源在低功耗短期工作模式下工作预设时间后，再次将所述光强电压值与预设的阈值电压进行比较，若超过该阈值电压，则将所述电离源切换并维持工作在低功耗长期工作模式下，否则将所述电离源切换并维持工作在中功耗长期工作模式下；
当所述电离源在高功耗短期工作模式下工作预设时间后，再次将所述光强电压值与预设的阈值电压进行比较，若超过该阈值电压，则将所述电离源切换回工作在低功耗短期工作模式下，否则将所述电离源切换至工作在断电模式下；
当所述电离源在断电工作模式下工作预设时间后，再次使所述电离源在中功耗短期工作模式下加电启动。
在上述的氢原子钟电离源系统中，所述电离源工作模式控制组件还配置为：当所述电离源工作在低功耗短期工作模式或低功耗长期工作模式下时，所述电离源工作模式控制组件输出的电压控制信号为低电压控制信号；当所述电离源工作在中功耗短期工作模式或中功耗长期工作模式下时，所述电离源工作模式控制组件输出的电压控制信号为中电压控制信号；当所述电离源工作在高功耗短期工作模式下时，所述电离源工作模式控制组件输出的电压控制信号为高电压控制信号；当所述电离源工作在断电模式下时，所述电离源工作模式控制组件输出的电压控制信号为零电压控制信号。
在上述的氢原子钟电离源系统中，所述振荡组件功率控制模块包括：
一电压转换单元，其接收一外部的输入电压，并将该输入电压转换生成低电压、中电压以及高电压；
一与所述电压转换单元连接的线路切换开关，其接收并根据所述电离源工作模式控制组件输出的低电压、中电压、高电压或零电压控制信号，选择对应的所述低电压、中电压、高电压或一接地的零电压并输出至所述电离源振荡组件。
在上述的氢原子钟电离源系统中，所述低电压的范围为22～26V，所述中电压的范围为27～29V，所述高电压的范围为30～34V。
由于采用了上述的技术解决方案，本发明相较于传统电离源系统，增加了振荡组件功率控制模块和电离源工作模式控制组件，由此通过将电离泡光强信息反馈至电离源工作模式控制组件来实现电离源的工作模式控制，并通过振荡组件功率控制模块根据不同的工作模式调整电离源系统的功率，从而解决了传统氢钟电离源系统需要较高功率启动，并维持高功率工作模式长期工作，从而易导致电离源寿命及可靠性降低的问题。同时，本发明在此基础上，通过光强检测及电离源振荡功率控制，进一步解决了电离源启动及稳态工作的控制与衔接问题，实现了电离源组件的可靠性提升。
附图说明
图1是传统的电离源系统的结构示意图；
图2是本发明的一种氢原子钟电离源系统的结构示意图；
图3是本发明中电离源工作模式控制组件的工作原理图；
图4是本发明中振荡组件功率控制模块的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。
如图2所示，本发明，即一种氢原子钟电离源系统，包括：依次连接的电离源振荡组件1、氢原子钟电离泡2、电离泡光强检测组件3、电离源工作模式控制组件4以及振荡组件功率控制模块5，其中，振荡组件功率控制模块5还与电离源振荡组件1连接，以使整个系统构成一个闭环控制链路。
具体来说，电离源振荡组件1为功率可调节振荡电路，其通过控制振荡电路的工作电压或工作电流，来实现电离源振荡组件1的功耗及辐射信号的功率调节；
氢原子钟电离泡2接收电离源振荡组件1输出的辐射信号，并在该辐射信号的作用下对自由电子进行加速并轰击氢分子，以产生氢原子、氢离子和更多电子，同时发出光辐射，即，点亮氢原子钟电离泡2；
电离泡光强检测组件3用于检测氢原子钟电离泡2的光强，并输出相应的电压信号；
电离源工作模式控制组件4根据当前工作模式和电离泡光强检测组件3输出的电压信号(即，光强电压值)判断氢原子钟电离泡2内部的电离情况，并相应地输出高电压、中电压、低电压或零电压控制信号至振荡组件功率控制模块5，其中，电离源的工作模式包括：中功耗短期工作模式A、低功耗短期工作模式B、高功耗短期工作模式C、低功耗长期工作模式D、中功耗长期工作模式E以及断电模式F；
振荡组件功率控制模块5根据电离源工作模式控制组件4输出的不同的电压控制信号，选择输出对应的电压至电离源振荡组件1，以改变电离源振荡组件1的工作电压，从而改变电离源系统的功率，实现不同状态下的功率控制。
在本发明中，电离源工作模式控制组件4可通过FPGA或CPU处理器芯片等可编程器件实现，如图3所示，其工作流程如下：
步骤S1，电离源在中功耗短期工作模式A下加电启动，并在中功耗短期工作模式A下工作数分钟(例如5分钟)后，维持中功耗短期工作模式A，并执行步骤S2；
步骤S2：将电离泡光强检测组件3输出的光强电压值与预设的阈值电压进行比较，若超过阈值电压，则切换至低功耗短期工作模式B，并执行步骤S3，否则切换至高功耗短期工作模式C，并执行步骤S4；
步骤S3：在低功耗短期工作模式B下工作数分钟(例如5分钟)后，执行步骤S5；
步骤S4：在高功耗短期工作模式C下工作数分钟(例如5分钟)后，执行步骤S6；
步骤S5：将电离泡光强检测组件3输出的光强电压值与预设的阈值电压进行比较，若超过阈值电压，则切换至低功耗长期工作模式D，并执行步骤S7；否则切换至中功耗长期工作模式E，并执行步骤S8；
步骤S6：将电离泡光强检测组件3输出的光强电压值与预设的阈值电压进行比较，若超过阈值电压，则切换至低功耗短期工作模式B，并执行步骤S3，否则切换至断电模式F，并执行步骤S9；
步骤S7：维持在低功耗长期工作模式D下工作；
步骤S8：维持在中功耗长期工作模式E下工作；
步骤S9：维持断电模式F数分钟(例如5分钟)后，返回执行步骤S1。
在上述工作过程中，电离源工作模式控制组件4通过两条控制信号线输出四种电压控制信号，具体来说：当电离源工作模式控制组件4控制电离源工作在低功耗短期工作模式B或低功耗长期工作模式D下时，向振荡组件功率控制模块5输出低电压控制信号；当电离源工作模式控制组件4控制电离源工作在中功耗短期工作模式A或中功耗长期工作模式E下时，向振荡组件功率控制模块5输出中电压控制信号；当电离源工作模式控制组件4控制电离源工作在高功耗短期工作模式C下时，向振荡组件功率控制模块5输出高电压控制信号；当电离源工作模式控制组件4控制电离源工作在断电模式F下时，向振荡组件功率控制模块5输出零电压控制信号。
振荡组件功率控制模块5根据上述不同的低电压、中电压、高电压或零电压控制信号，向电离源振荡组件1输出对应的低、中、高电压或零电压；具体来说，如图4所示，振荡组件功率控制模块5包括：
电压转换单元51，其接收外部输入电压U，并将该输入电压转换生成低电压U1、中电压U2以及高电压U3，其中，低电压U1的范围为22～26V，中电压U2的范围为27～29V，高电压U3的范围为30～34V；
与电压转换单元51连接的线路切换开关52，其接收并根据电离源工作模式控制组件4输出的低电压、中电压、高电压或零电压控制信号，选择输出对应的低电压U1、中电压U2、高电压U3或接地的零电压，即，当接收到低电压控制信号时，连接电压转换单元51的输出低电压U1的输出口与电离源振荡组件1的输入口；当接收到中电压控制信号时，连接电压转换单元51的输出中电压U2的输出口与电离源振荡组件1的输入口；当接收到高电压控制信号时，连接电压转换单元51的输出高电压U3的输出口与电离源振荡组件1的输入口；当接收到零电压控制信号时，将电压转换单元51的输出口直接接地。
综上所述，本发明在传统氢原子钟电离源系统，即电离源振荡组件、氢原子钟电离泡、电离泡光强检测组件的基础上，增加了电离源工作模式控制组件和振荡组件功率控制模块，从而构成了一个完整的闭环控制系统，其中，电离源工作模式控制组件可以通过电离源的工作状态和电离泡的光强信息，实现对电离源工作模式的控制，达到启动后保持电离源低功耗长期工作的目的，并且通过振荡组件功率控制模块针对电离源的不同工作模式，调整电离源振荡组件的工作电压，从而使得电离源振荡组件可以根据不同的电压参数控制振荡电路功耗和输出电磁波功率。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。
Claims (6)
1.一种氢原子钟电离源系统，其包括：依次连接的一电离源振荡组件、一氢原子钟电离泡以及一电离泡光强检测组件，其特征在于，所述系统还包括：
一与所述电离泡光强检测组件连接的电离源工作模式控制组件，其根据电离源当前的工作模式以及所述电离泡光强检测组件输出的光强电压值，输出一电压控制信号；以及
一连接在所述电离源工作模式控制组件与电离源振荡组件之间的振荡组件功率控制模块，其根据所述电压控制信号，选择对应的电压并输出至所述电离源振荡组件。
2.根据权利要求1所述的氢原子钟电离源系统，其特征在于，所述电离源的工作模式包括：中功耗短期工作模式、低功耗短期工作模式、高功耗短期工作模式、低功耗长期工作模式、中功耗长期工作模式以及断电模式。
3.根据权利要求2所述的氢原子钟电离源系统，其特征在于，所述电离源工作模式控制组件配置为：
使所述电离源在中功耗短期工作模式下加电启动并工作预设时间后，将所述光强电压值与预设的阈值电压进行比较，若超过该阈值电压，则将所述电离源切换至工作在低功耗短期工作模式下，否则将所述电离源切换至工作在高功耗短期工作模式下；
当所述电离源在低功耗短期工作模式下工作预设时间后，再次将所述光强电压值与预设的阈值电压进行比较，若超过该阈值电压，则将所述电离源切换并维持工作在低功耗长期工作模式下，否则将所述电离源切换并维持工作在中功耗长期工作模式下；
当所述电离源在高功耗短期工作模式下工作预设时间后，再次将所述光强电压值与预设的阈值电压进行比较，若超过该阈值电压，则将所述电离源切换回工作在低功耗短期工作模式下，否则将所述电离源切换至工作在断电模式下；
当所述电离源在断电工作模式下工作预设时间后，再次使所述电离源在中功耗短期工作模式下加电启动。
4.根据权利要求3所述的氢原子钟电离源系统，其特征在于，所述电离源工作模式控制组件还配置为：当所述电离源工作在低功耗短期工作模式或低功耗长期工作模式下时，所述电离源工作模式控制组件输出的电压控制信号为低电压控制信号；当所述电离源工作在中功耗短期工作模式或中功耗长期工作模式下时，所述电离源工作模式控制组件输出的电压控制信号为中电压控制信号；当所述电离源工作在高功耗短期工作模式下时，所述电离源工作模式控制组件输出的电压控制信号为高电压控制信号；当所述电离源工作在断电模式下时，所述电离源工作模式控制组件输出的电压控制信号为零电压控制信号。
5.根据权利要求4所述的氢原子钟电离源系统，其特征在于，所述振荡组件功率控制模块包括：
一电压转换单元，其接收一外部的输入电压，并将该输入电压转换生成低电压、中电压以及高电压；
一与所述电压转换单元连接的线路切换开关，其接收并根据所述电离源工作模式控制组件输出的低电压、中电压、高电压或零电压控制信号，选择对应的所述低电压、中电压、高电压或一接地的零电压并输出至所述电离源振荡组件。
6.根据权利要求5所述的氢原子钟电离源系统，其特征在于，所述低电压的范围为22～26V，所述中电压的范围为27～29V，所述高电压的范围为30～34V。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20190301 |