CN113970884B - 一种铯原子钟束光学部件位置动态优化系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铯原子钟束光学部件位置动态优化系统，包括真空罐、移转动单元、抽气系统、电控单元和测试单元；多个束光学部件和移转动单元位于真空罐内，每个束光学部件上均设置移转动单元，实现每个束光学系统的移动、转动；抽气系统与真空罐连接，电控单元连接并控制移转动单元，测试单元对各个束光学部件的输出信号进行测试记录，从而实现束光学部件位置优化；能够直接、快速、精准地实现铯原子钟束光学参数的优化。

Description

一种铯原子钟束光学部件位置动态优化系统
技术领域
本发明属于铯原子钟光学设计的技术领域，具体涉及一种铯原子钟束光学部件位置动态优化系统。
背景技术
铯原子钟在时间频率计量、卫星导航、电力通信等领域有广泛应用，其性能指标主要由铯束管及其束光学设计决定。束光学部件包括铯炉准直器、A选态磁铁、微波腔、B选态磁铁和检测器，束光学设计就是确定各个部件的几何位置和物性参数。束光学设计的优化目标是短期稳定度或铯束管优值系数，由于束光学参数多，获得对应的优化目标影响条件复杂，一般束光学设计通过理论计算或者数值仿真获得。1983年，北京大学刘琳等提出采用最大陡度法以铯束管优值系数为目标优化求出14个束光学参量，但仅能作为参考，无法用于精确设计(1983年，北京大学学报，小型铯束管最佳束光学参量的计算方案)。2007年，中国电子科技集团公司第12研究所肖顺禄等采用数值计算方法获得铯原子运动轨迹，进而进行束光学计算(2007年全国时间频率学术会议，磁选态铯束管铯原子速度分布计算)。2010年，兰州空间技术物理研究所朱宏伟等采用蒙特卡罗模拟方法优化计算束光学参数，2011年进一步基于蒙特卡罗方法提出了束光学参数模拟计算和设计方法(宇航计测技术：2010，磁选态单束铯束管铯原子速率分布的模拟计算；2011，磁选态单束铯束管束光学参数的模拟计算和设计；2020，小型磁选态铯原子钟产品化进展)。因此，现有铯原子钟束光学优化方法仍然是依靠模拟计算获得初始参数，然后通过实际铯束管装配测试实验研究，确定最终设计方案。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种铯原子钟束光学部件位置动态优化系统，能够直接、快速、精准地实现铯原子钟束光学参数的优化。
实现本发明的技术方案如下：
一种铯原子钟束光学部件位置动态优化系统，包括真空罐、移转动单元、抽气系统、电控单元和测试单元；
多个束光学部件和移转动单元位于真空罐内，每个束光学部件上均设置移转动单元，实现每个束光学系统的移动、转动；抽气系统与真空罐连接，电控单元连接并控制移转动单元，测试单元对各个束光学部件的输出信号进行测试记录，从而实现束光学部件位置优化。
进一步地，通过抽气系统实现真空罐内从正常大气压环境到真空环境的工作条件。
进一步地，所述电控单元对束光学部件的物性参数进行调节。
进一步地，所述束光学部件包括铯炉准直器、A选态磁铁、微波腔、B选态磁铁和检测器。
进一步地，所述对输出信号进行测试包括不限于信号强度、信号幅度、优值系数、峰谷比。
有益效果：
本发明兼顾多部件带来的复杂性和少部件的简单性，选择性提出利用5种束光学部件来开展优化，在此基础上考虑以位置为主、尽量兼顾物性，研制铯原子钟专用束光学位置优化系统装置，因此克服了传统模拟计算、铯束管实验测试全面考虑带来的优化复杂性问题，最大简化了优化过程。本发明方案是专用实验系统，可以实时获取束光学参数与其测试结果的对应关系，不必装配铯束管，可以极大提高优化的速度和准确性。
附图说明
图1为本发明系统组成与结构布局示意图。。
其中，1-真空罐，2-移转动单元，3-抽气系统，4-电控单元，5-测试单元，6-铯炉准直器，7-A选态磁铁，8-微波腔，9-B选态磁铁，10-检测器。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
如图1所示，为本发明的铯原子钟束光学部件位置动态优化系统，即本发明的基本形式，它由真空罐1、移转动单元2、抽气系统3、电控单元4和测试单元5组成。移转动单元2位于真空罐1内，束光学部件铯炉准直器6、A选态磁铁7、微波腔8、B选态磁铁9和检测器10均置于移转动单元2上，可以分别实现移动(水平方向位移和竖直方向位移)、转动或同时移动与转动的位置调节功能；抽气系统3与真空罐连接实现抽真空，通过抽气系统为真空罐内提供从正常大气压环境到真空环境的工作条件，电控系统5穿过真空罐1与各个束光学部件连接，通过电控单元控制移转动单元的移转动和束光学部件物性参数调节，例如，可以把铯炉温度测控、微波腔磁场电流等接入电控单元实现束光学部件物性调节。测试单元5与束光学部件连接获取信号，该信号作为束光学位置优化的目标，测试内容包括不限于信号强度、信号幅度、优值系数、峰谷比等。测试单元汇集了各个束光学部件上的测试量，获得与束光学部件移转动、物性调节对应的测试信号，建立二者的实时关系曲线，用于确定束光学优化方法和束光学优化设计结果。
如图1所示，束光学部件铯炉准直器6、A选态磁铁7、微波腔8、B选态磁铁9和检测器10及其各自下方的移转动单元2按照大致的束光学布局依次排列，束光学优化实验前可在一条直线上。打开抽气系统3对真空罐抽气，压力达到稳定后，打开电控系统设定各束光学部件的物性参数，使各个束光学部件工作。然后，固定铯炉准直器6的位置和角度，依次移动A选态磁铁7、微波腔8、B选态磁铁9和检测器10，使测试单元5获得最大信号强度，此时停止移转动各个束光学部件，记录相应的位置角度即可获得一组优化束光学参数。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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 (1)

1.一种铯原子钟束光学部件位置动态优化系统，其特征在于，包括真空罐、移转动单元、抽气系统、电控单元和测试单元；
多个束光学部件和移转动单元位于真空罐内，每个束光学部件上均设置移转动单元，束光学部件铯炉准直器、A选态磁铁、微波腔、B选态磁铁和检测器均置于移转动单元上，可以分别实现每个束光学系统移动、转动或同时移动与转动的位置调节功能；抽气系统与真空罐连接，电控单元连接并控制移转动单元，测试单元对各个束光学部件的输出信号进行测试记录，从而实现束光学部件位置优化；
通过抽气系统实现真空罐内从正常大气压环境到真空环境的工作条件，所述电控单元对束光学部件的物性参数进行调节，所述束光学部件包括铯炉准直器、A选态磁铁、微波腔、B选态磁铁和检测器，对所述输出信号进行测试包括不限于信号强度、信号幅度、优值系数、峰谷比；测试单元汇集了各个束光学部件上的测试量，获得与束光学部件移转动、物性调节对应的测试信号，建立二者的实时关系曲线，用于确定束光学优化方法和束光学优化设计结果；束光学优化实验前束光学部件铯炉准直器、A选态磁铁、微波腔、B选态磁铁和检测器及其各自下方的移转动单元按照大致的束光学布局依次排列可在一条直线上；打开抽气系统对真空罐抽气，压力达到稳定后，打开电控系统设定各束光学部件的物性参数，使各个束光学部件工作；然后，固定铯炉准直器的位置和角度，依次移动A选态磁铁、微波腔、B选态磁铁和检测器，使测试单元获得最大信号强度或信号幅度、优值系数、峰谷比，此时停止移转动各个束光学部件，记录相应的位置角度即可获得一组优化束光学参数。
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