CN111049519B - 一种用于汞离子微波频标的滤光装置、系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于汞离子微波频标的滤光装置、系统及方法，该滤光装置包括两端开口的通道式壳体；分别配置在壳体两开口端面的第一透光体和第二透光体；壳体、第一透光体和第二透光体形成中空的密封结构；密封结构内的填充有工作元素和缓冲气体，本发明采用了滤光系统，对汞原子光谱大量吸收，而透过大部分汞离子谱线，从而降低汞无极灯的原子谱线辐射，提高汞离子谱线与原子谱线的辐射强度比，大大提高信噪比，提升激发离子能级跃迁的效率，从而提高整钟性能。
Description
技术领域
本发明涉及汞离子微波频标领域。更具体地，涉及一种用于汞离子微波频标的滤光装置、系统及方法。
背景技术
基于原子或者离子的频标技术，以原子或者离子的能级跃迁频率来精准鉴频，能够获得高精度的时间频率标准，广泛应用于导航授时、空间探测、时间同步等领域。汞离子微波频标，基于汞同位素离子199Hg+，最外层有一个电子，能谱结构简单。实验中，汞离子微波频标采用了离子阱技术，汞原子被电离并束缚于阱内，受外界环境干扰小，体积小、性能优且稳定性高。
汞同位素离子199Hg+需要真空紫外194nm的光谱激发能级跃迁，然而激发真空紫外的激光器需要庞大的倍频链路，体积大且稳定性能受到多个激光器及光学元件限制。因此，用于激发真空紫外光谱泵浦光源采用高频无极汞灯，替代庞大的激光链路，具有体积小、稳定度高且寿命长等优点。实验中，采用汞同位素202Hg制作高频无极汞灯，可辐射194nm谱线，激发199Hg+能级跃迁。然而，202Hg高频无极汞灯辐射的谱线主要为原子谱线，例如254nm，辐射强度远大于202Hg+谱线194nm，导致激发离子能级跃迁所需的离子辐射谱线194nm信号弱，激发的跃迁效率低，而且噪声大易湮没信号。如何提高离子谱线与原子谱线的辐射比率，也就是提高汞灯辐射离子谱线的信噪比，是实现汞离子微波频标信号输出，提高整钟性能的关键。
本发明采用了滤光系统，对汞原子光谱大量吸收，而透过大部分汞离子谱线，从而降低汞无极灯的原子谱线辐射，提高汞离子谱线与原子谱线的辐射强度比，大大提高信噪比，提升激发离子能级跃迁的效率，从而提高整钟性能。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种用于汞离子微波频标的滤光装置，提高离子谱线与原子谱线的辐射强度比，解决汞原子谱线远强于离子谱线，离子谱线辐射信噪比低的问题。
本发明的另一个目的在于提供一种用于汞离子微波频标的滤光系统，应用于汞离子微波频标的光路系统，用于减弱汞原子的谱线，提高汞离子谱线的透射比率。
本发明的另一个目的在于提供一种用于汞离子微波频标的滤光方法，用于探测上述滤光装置的温度参数对滤光装置的影响。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
第一方面，本发明提供一种用于汞离子微波频标的滤光装置，包括
两端开口的通道式壳体；
分别配置在所述壳体两开口端面的第一透光体和第二透光体；
所述壳体、第一透光体和第二透光体形成中空的密封结构；
所述密封结构内的填充有工作元素和缓冲气体。
优选地，还包括有控温装置，所述控温装置包括多个加热功率管以及温度控制装置，所述多个加热功率管分别固接在所述壳体外表面，所述多个加热功率管均与所述温度控制装置电连接。
优选地，所述壳体为石英材质。
优选地，所述第一透光体与所述第二透光体均为石英片。
优选地，所述工作元素为Hg和/或汞同位素Hg 202。
优选地，所述缓冲气体为氮气和/或氩气。
优选地，还包括在所述壳体外表面设置的通气口，用于将所述工作元素和缓冲气体填充至所述密封结构内。
第二方面，本发明提供一种用于汞离子微波频标的滤光系统，包括
高频汞灯；
如上所述的滤光装置；
光纤以及光谱仪；
其中，所述高频汞灯用于辐射光谱线；
所述滤光装置用于将所述光谱线中的汞原子谱线进行吸收，提高汞离子谱线与汞原子谱线的辐射强度比例；
所述光纤用于将通过滤光装置的光谱线传递给所述光谱仪；
所述光谱仪用于探测通过光纤的光谱线的汞离子谱线与汞原子谱线的相对强度比。。
第三方面，本发明提供一种用于汞离子微波频标的滤光方法，包括以下步骤：
S1、沿高频汞灯辐射光谱线的光路依次配置滤光装置、光纤以及光谱仪；
S2、开启所述高频汞灯，通过所述温度控制装置将所述滤光装置的温度调节至30℃，通过所述光谱仪对光谱线的汞离子谱线与汞原子谱线的相对强度比进行记录；
S3、通过所述温度控制装置逐渐增加所述滤光装置的温度直至100℃，同时记录不同温度下光谱线的汞离子谱线与汞原子谱线的相对强度比；
S4、分析数据，获得最佳温度参数，通过所述温度控制装置将滤光装置的温度锁定在最佳温度。
本发明的有益效果如下：
本发明提供一种用于汞离子微波频标的滤光装置、系统及方法，本发明采用了滤光装置，对汞原子光谱大量吸收，而透过大部分汞离子谱线，从而降低汞无极灯的原子谱线辐射，提高汞离子谱线与原子谱线的辐射强度比，大大提高信噪比，提升激发离子能级跃迁的效率，从而提高整钟性能，通过滤光系统和方法，探测出最适合滤光装置的温度参数。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出本发明滤光装置的结构示意图。
图2示出本发明滤光装置配置控温装置的结构示意图。
图3示出本发明滤光系统的结构示意图。
附图标记，1、外壳；2、第一透光体；3、第二透光体；4、通气口；5、加热功率管；6、温度控制装置；7、高频汞灯；8、滤光装置；9、光纤；10、光谱仪。
具体实施方式
为使本发明的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
需要说明的是，本发明术语【本发明实施例不对步骤a至e的执行顺序进行限制，例如，可依次执行步骤c、步骤a】
【本发明所有数值指定(例如温度、时间、浓度及重量等，包括其中每一者的范围)通常可是适当以0.1或1.0的增量改变(+)或(-)的近似值。所有数值指定均可理解为前面有术语“约”。】
本发明的目的在于提供一种对高频无极汞灯的滤光系统，提高离子谱线与原子谱线的辐射强度比，解决汞原子谱线远强于离子谱线，离子谱线辐射信噪比低的问题。
传统滤光可采用滤光片，针对真空紫外光谱，相应的滤光片透过率仅为20％左右，极大的降低了汞离子谱线的透过率，透过滤光片后，汞离子谱线及汞原子谱线的辐射比率为恒定值。
本发明所述滤光装置基于多种参数可调节，包括汞含量、缓冲气体含量及温度等参数，可以调节参数以获得最优的滤光效果，特别的，滤光装置连接控温装置，随着温度升高，滤光泡内的汞原子饱和蒸气压升高，汞蒸气含量增大，从而对汞原子谱线吸收幅度变大，能够大幅度提高汞离子谱线与汞原子谱线的辐射输出比率，提高信噪比。
实施例
如图1示出的滤光装置，包括
两端开口的通道式壳体1；分别配置在所述壳体1两开口端面的第一透光2体和第二透光体3；所述壳体1、第一透光体2和第二透光体3形成中空的密封结构；所述密封结构内的包括有工作元素和缓冲气体；
壳体1可制作为石英材质的圆柱体，直径为5mm-20mm，长度为10mm-30mm，第一透光体2和第二透光体3均选用石英片，该石英片对真空紫外光194nm具有高透过率，透过率在80％以上，远远高于传统滤光片，采用石英封接的方法将两端石英片和中间壳体密封，密封结构内通过通气口4注入一定含量的工作元素和缓冲气体，所述工作元素为Hg或汞同位素Hg 202，所述缓冲气体为氮气、氩气或者其他缓冲气体，并将通气口进行密封。
如图2示出的控温装置，包括加热功率管5及温度控制装置6，所述加热功率管5贴在石英材质的壳体1上，采用3-5个加热功率管5均匀分布的贴在中间壳体1上，加热功率管5连接温度控制装置6，所述温度控制装置6为加热装置，通过对加热功率管5增加输入功率，进行升温，从而升高滤光装置的温度，同时稳定在该温度。
如图3示出的滤光系统，应用于汞离子微波频标的光路系统，用于减弱汞原子的谱线，提高汞离子谱线的透射比率。
所述滤光系统包括高频汞灯7；
如上所述的滤光装置8；
光纤9以及光谱仪10；
本实施例中的高频汞灯7选用高频无极汞灯，所述滤光装置8的一个石英片端面的中心与高频无极汞灯7中汞泡端面中心置于一条水平线上，滤光装置8的石英片端面直径大于高频无极汞灯7的汞泡端面直径，高频无极汞灯7点亮后，通过滤光装置8，采用光谱仪10及光纤9，探测滤光装置8对汞原子谱线的吸收，以及汞离子谱线与汞原子谱线的相对强度比，所述温度控制装置6，温度调节至30度、40度、50度等一直到100度时，记录光谱仪10所获得的汞原子谱线及汞离子谱线辐射的相对强度比，获得最佳温度参数。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (7)
1.一种用于汞离子微波频标的滤光系统，其特征在于，包括
高频汞灯；
滤光装置；
光纤以及光谱仪；
其中，所述高频汞灯用于辐射光谱线；
所述滤光装置用于将所述光谱线中的汞原子谱线进行吸收，提高汞离子谱线与汞原子谱线的辐射强度比例；
所述光纤用于将通过滤光装置的光谱线传递给所述光谱仪；
所述光谱仪用于探测通过光纤的光谱线的汞离子谱线与汞原子谱线的相对强度比，
其中，所述滤光装置包括：两端开口的通道式壳体；
分别配置在所述壳体两开口端面的第一透光体和第二透光体；
所述壳体、第一透光体和第二透光体形成中空的密封结构；
所述密封结构内的填充有工作元素和缓冲气体；
控温装置，所述控温装置包括多个加热功率管以及温度控制装置，所述多个加热功率管分别固接在所述壳体外表面，所述多个加热功率管均与所述温度控制装置电连接。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述壳体为石英材质。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述第一透光体与所述第二透光体均为石英片。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述工作元素为Hg和/或汞同位素Hg 202。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述缓冲气体为氮气和/或氩气。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括在所述壳体外表面设置的通气口，用于将所述工作元素和缓冲气体填充至所述密封结构内。
7.一种用于汞离子微波频标的滤光方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、沿高频汞灯辐射光谱线的光路依次配置滤光装置、光纤以及光谱仪；
S2、开启所述高频汞灯，通过温度控制装置将所述滤光装置的温度调节至30℃，通过所述光谱仪对光谱线的汞离子谱线与汞原子谱线的相对强度比进行记录；
S3、通过所述温度控制装置逐渐增加所述滤光装置的温度直至100℃，同时记录不同温度下光谱线的汞离子谱线与汞原子谱线的相对强度比；
S4、分析数据，获得最佳温度参数，通过所述温度控制装置将滤光装置的温度锁定在最佳温度。
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