CN112254819A - 一种离子光频标黑体辐射温度评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种离子光频标黑体辐射温度评估方法，采用有限元分析软件搭建黑体辐射有限元分析模型；测量离子阱中不同部件材料表面的发射率测量值；计算离子感受到的黑体辐射温度时需要设置发射率测量值，计算离子感受到的黑体辐射温度T_{eff j}和有效立体角Ω_{eff j}；测量实际离子阱各部件温度测量值，计算对应的不确定度；计算离子感受到的黑体辐射温度T_eff；计算实际的离子阱的各部件的温度带来的黑体辐射温度不确定度贡献。本发明评估结果精确、方便、易操作等优点。精确地获得离子感受到的黑体辐射温度。

Description

一种离子光频标黑体辐射温度评估方法

技术领域

本发明属于离子光频标不确定度评估技术领域，具体涉及一种离子光频标黑体辐射温度评估方法。

背景技术

得益于出色的精度及稳定度，基于囚禁原子/离子的光频标技术得到了飞速的发展。当前，最好的光频标系统相对不确定度已经能够达到10^-18级别，这比作为秒定义的Cs微波钟不确定度要高2个量级。对于大多数光频标系统，要想不确定度整体进入10^-18，其中有一项必须要克服的不确定度贡献项是黑体辐射(BBR)频移。黑体辐射频移不确定度主要取决于黑体辐射频移评估系数Δα₀的不确定度及囚禁系统温度精确测量的不确定度。第一项Δα₀的不确定度为钟跃迁两个能级间极化率差的不确定度，主要取决于理论计算或者实验精确测量。第二项为囚禁系统各部件温度的不确定度，受限于温度测量评估的精度。

根据囚禁的粒子是原子还是离子可以将光频标分为原子光晶格频标及离子光频标。这两者之间的显著差别之一是离子光频标中囚禁离子时需要采用射频电场，而这个射频电场给囚禁系统温度的精确评估带来很大麻烦。对于原子光晶格频标，由于不受射频电场的干扰，其囚禁系统的温度可以采用具有高精度的铂电阻等温度传感器接触测量获得。甚至可以采用温度传感器直接评估囚禁原子环境的黑体辐射温度。而对于离子光频标，由于射频电场的存在，对铂电阻等温度传感器有干扰。另外，温度传感器工作时是带电势的，由于离子阱尺寸较小，可能会给离子囚禁带来影响。因此，对于离子光频标，很难利用接触测量的方法对囚禁离子阱装置进行温度评估。在早期的评估中，一般采用红外成像仪等非接触测量的方法对离子阱温度进行评估，但是受限于红外成像仪等测量精度，评估的不确定度较大。而结合有限元分析模拟的方法，可以提高光频标黑体辐射温度的评估精度。据文献报道，采用有限元分析模型相结合的方法时，需要涉及射频加热、固体传热、表面对表面辐射等模块，采用红外成像仪等装置对离子阱模拟系统的关键部件温度进行评估，然后根据结果对有限元分析模型进行调试、校验。接着对有限元分析模型中的关键参数及其不确定度进行分析，利用校验的有限元分析模型，对离子感受的黑体辐射温度及其不确定度进行评估。该方法在评估黑体辐射温度不确定度时需要考虑的因素过多，较为复杂。而且许多因素还带有不确定性，例如材料介电常数、损耗正切、热导率等，与材料加工批次、工艺以及表面质量等相关，无法进行精确评估，给评估带来很大的困难。

对于处在离子阱中心的囚禁离子来说，其感受到的黑体辐射温度可用下式来描述：

其中T_eff为离子感受到的黑体辐射温度，Ω_{eff i}、T_i为对离子可见的离子阱系统各部件的有效立体角和温度。有效立体角是与各部件表面发射率和几何结构有关的量，其值为正。并且，对离子可见的所有有效立体角总和为4π。通过上式看出，只要得到离子阱系统各部件对离子的有效立体角及温度就可以获得囚禁离子感受到的黑体辐射温度。但是由于离子阱的复杂结构，计算有效立体角是件非常困难的事情，涉及较深的辐射传热知识。而利用有限元模拟软件，则可以很容易得到离子阱各部件的有效立体角。

基于以上分析，可以看出，现有结合有限元分析模型的方法在评估离子光频标黑体辐射温度时存在模型复杂、评估过程繁琐等缺点，同时还存在许多不确定度因素，这都影响黑体辐射温度的精确评估。本发明就是为了解决此问题，提出一种更精确、更方便、更易于评估的离子光频标黑体辐射温度评估方法。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种离子光频标黑体辐射温度评估方法，通过应用此方法，能够方便、精确地评估离子光频标系统中黑体辐射温度，从而降低其对系统不确定度的贡献。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

一种离子光频标黑体辐射温度评估方法，包括以下步骤：

步骤1、根据离子光频标系统的离子阱结构，采用有限元分析软件搭建黑体辐射有限元分析模型；

步骤2、利用发射率测量仪测量离子阱中不同部件材料表面的发射率测量值；

步骤3、利用搭建的黑体辐射有限元分析模型，根据步骤2测量的离子阱中不同部件材料表面的发射率测量值，在黑体辐射有限元分析模型中计算离子感受到的黑体辐射温度时需要设置发射率测量值，

根据黑体辐射有限元分析模型，计算出当离子阱的第j个部件的温度为T_j，其他部件的温度保持为T₀时的离子阱的第j个部件对应的离子感受到的黑体辐射温度T_{eff j}，

根据黑体辐射温度T_{eff j}计算离子阱的第j个部件的有效立体角Ω_{eff j}；

步骤4、通过红外成像仪测量实际离子阱中无法接触测量的各部件温度测量值，计算对应的不确定度；

通过铂电阻温度计测量实际离子阱中可以接触测量的各部件温度测量值，获取对应的不确定度；

步骤5、利用步骤4中获得的离子阱各部件的温度测量值及步骤3获得的有效立体角计算离子感受到的黑体辐射温度T_eff；计算实际的离子阱的各部件的温度带来的黑体辐射温度不确定度贡献。

如上所述的步骤3中第j个部件的有效立体角Ω_{eff j}通过以下公式获得：

如上所述的步骤5中黑体辐射温度T_eff通过以下公式获得：

如上所述的步骤5中各部件的温度带来的黑体辐射温度不确定度贡献δ(T_eff)通过以下公式获得：

本发明与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：

本发明所述的离子光频标黑体辐射温度评估方法，具有评估结果精确、方便、易操作等优点。该方法应用于离子光频标黑体辐射温度评估后，可以简化有限元分析模型，避开了陶瓷材料介电常数、损耗正切、热导率等无法精确评估的困难，精确地获得离子感受到的黑体辐射温度。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

一种离子光频标黑体辐射温度评估方法，包括以下步骤：

步骤1、根据离子光频标系统的离子阱结构，采用有限元分析软件搭建黑体辐射有限元分析模型。

步骤2、利用发射率测量仪测量离子阱中不同部件材料表面的发射率测量值，其值见表1。

步骤3、利用搭建的黑体辐射有限元分析模型，根据步骤2测量的离子阱中不同部件材料表面的发射率测量值，在黑体辐射有限元分析模型中计算离子感受到的黑体辐射温度T_eff时需要设置发射率测量值，发射率测量值不一样，计算离子感受到的黑体辐射温度T_eff结果就不一样，然后对应的有效立体角也就不同。

离子阱的各部件有效立体角与离子感受到的黑体辐射温度的关系式如公式(1)所示：

T_eff为离子感受到的黑体辐射温度，Ω_{eff j}和T_j分别为对离子可见的离子阱的第j个部件的有效立体角和温度；

由于离子阱中所有对离子可见部件的有效立体角总和为4π。因此，假设离子阱的各部件的温度都是T₀，则有下式成立：

其中

是T₀的四次方。

而当离子阱第j个部件温度是T_j，其他部件温度保持为T₀时，则有：

其中，Ω_{eff j}为离子阱的第j个部件的有效立体角，Ω_{eff i}为离子阱的第i个部件的有效立体角，i≠j，T_{eff j}为在第j个部件温度是T_j，其他部件温度保持为T₀的条件下，离子阱的第j个部件对应的离子感受到的黑体辐射温度。将上面两式相减就可以得到。

其中，T_{eff j}为在第j个部件温度是T_j，其他部件温度保持为T₀的条件下，离子阱的第j个部件对应的离子感受到的黑体辐射温度，T₀为离子阱除第j个部件以外的其他部件的温度，T_j为离子阱的第j个部件温度Ω_{eff j}为离子阱的第j个部件的有效立体角，T_j为离子阱第j个部件的温度。

从上式可以得到离子阱的第j个部件的有效立体角Ω_{eff j}为：

根据公式(5)，借助黑体辐射有限元分析模型，分别计算出当离子阱的第j个部件的温度为T_j，其他部件的温度保持为T₀时的离子阱的第j个部件对应的离子感受到的黑体辐射温度T_{eff j}。

通过公式(5)获得离子阱的第j个部件的有效立体角。在本实施例中，计算获得的离子阱的各部件有效立体角如表1所示。

表1离子阱的表面发射率及有效立体角

步骤4、

通过红外成像仪测量实际离子阱中无法接触测量的各部件温度测量值，计算对应的不确定度。

通过红外成像仪测量实际离子阱中无法接触测量的各部件温度测量值是直接通过红外成像仪直接读数获得，则各部件温度测量值对应的不确定度通过查厂家说明书得到。

通过红外成像仪测量实际离子阱中无法接触测量的各部件温度测量值是最小二乘法拟合计算获得的，拟合的公式为：t_拟合＝a_红外+b_红外×T_红外

其中，t_拟合是拟合得到的温度值，a_红外和b_红外分别是拟合的间距和斜率，T_红外为实际测量值。

则计算最小二乘法拟合计算获得的温度值的不确定度。

通过铂电阻温度计测量实际离子阱中可以接触测量的各部件温度测量值，获取对应的不确定度。通过铂电阻温度计测量的温度测量值的不确定度主要来源于测量仪器及温度传感器，可以通过查厂家说明书获得。

测量的温度测量值及不确定度计算结果如表2所示。

步骤5、利用步骤4中获得的离子阱各部件的温度测量值及步骤3获得的有效立体角通过公式(1)计算得到离子感受到的黑体辐射温度T_eff，本实施例为295.27K。根据公式(1)及其不确定度传递公式计算实际的离子阱的各部件的温度带来的黑体辐射温度不确定度贡献δ(T_eff)，

δ(T_j)为第j个部件的温度测量值对应的不确定度，本实施例中，离子阱各部件的温度带来的黑体辐射温度不确定度贡献δ(T_eff)为0.553K。最终该离子阱的离子感受的黑体辐射温度评估结果为295.27(0.56)K。

表2离子光频标系统各部件温度及黑体辐射温度评估结果

需要指出的是，本发明中所描述的具体实施例仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例作各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (4)

1.一种离子光频标黑体辐射温度评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、根据离子光频标系统的离子阱结构，采用有限元分析软件搭建黑体辐射有限元分析模型；

步骤2、利用发射率测量仪测量离子阱中不同部件材料表面的发射率测量值；

步骤3、利用搭建的黑体辐射有限元分析模型，根据步骤2测量的离子阱中不同部件材料表面的发射率测量值，在黑体辐射有限元分析模型中计算离子感受到的黑体辐射温度时需要设置发射率测量值，

根据黑体辐射有限元分析模型，计算出当离子阱的第j个部件的温度为T_j，其他部件的温度保持为T₀时的离子阱的第j个部件对应的离子感受到的黑体辐射温度T_{eff j}，

根据黑体辐射温度T_{eff j}计算离子阱的第j个部件的有效立体角Ω_{eff j}；

步骤4、通过红外成像仪测量实际离子阱中无法接触测量的各部件温度测量值，计算对应的不确定度；

通过铂电阻温度计测量实际离子阱中可以接触测量的各部件温度测量值，获取对应的不确定度；

步骤5、利用步骤4中获得的离子阱各部件的温度测量值及步骤3获得的有效立体角计算离子感受到的黑体辐射温度T_eff；计算实际的离子阱的各部件的温度带来的黑体辐射温度不确定度贡献。

2.根据权利要求1所述的一种离子光频标黑体辐射温度评估方法，其特征在于，所述的步骤3中第j个部件的有效立体角Ω_{eff j}通过以下公式获得：

3.根据权利要求1所述的一种离子光频标黑体辐射温度评估方法，其特征在于，所述的步骤5中黑体辐射温度T_eff通过以下公式获得：

4.根据权利要求1所述的一种离子光频标黑体辐射温度评估方法，其特征在于，所述的步骤5中各部件的温度带来的黑体辐射温度不确定度贡献δ(T_eff)通过以下公式获得：