CN114237034A - 一种汞离子微波频标的控制光谱灯光强稳定的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种汞离子微波频标的控制光谱灯光强稳定的装置，包括光谱灯和光谱灯驱动电路，还包括光子计数系统、比较电路、中央处理器、以及D/A转换器，本发明还公开了一种汞离子微波频标的控制光谱灯光强稳定的方法，本发明不受环境温度影响，控制精度高。无需再额外增加大型设备，结构简单，节约了成本。
Description
技术领域
本发明属于电子技术领域，更具体涉及一种汞离子微波频标的控制光谱灯光强稳定的装置，还涉及一种汞离子微波频标的控制光谱灯光强稳定的方法。
背景技术
汞离子微波频标是现有微波频标中稳定度高、漂移小的微波频标之一，其钟跃迁频率高达40.5GHz，Q值高；利用离子阱囚禁离子，没有器壁碰撞频移；使用缓冲气体冷却离子、用Hg的同位素202Hg+无极光谱灯作抽运光源，不依赖于庞大、笨重的激光系统使得它重量轻、体积小，所以汞离子微波频标是下一代星载钟的有力选择。其中202Hg+光谱灯发出的194.2nm紫外光为囚禁199Hg+基态超精细能级跃迁提供稳定的抽运光，是汞离子微波频标的关键部件之一。当光谱灯光强不稳定时，将引入光频移，大量的实验研究表明，光谱灯的光强波动(稳定度)是决定汞离子微波钟频率稳定度的主要因素之一。为了研制具备高性能指标的汞离子微波频标，其中关键的技术就是高稳定性、高可靠性、窄线宽光抽运谱灯的设计，增强谱灯的光强稳定度，提高谱线的稳定度。光谱灯由驱动电路和灯泡组成，在一定区间内，光谱灯驱动电压越高，光谱灯的发光强度越强。本发明利用在汞离子微波频标荧光信号检测时，通过谱线半高的大小变化来反映光谱灯光强稳定性，然后反馈控制调节光谱灯的驱动功率来调节光谱灯的光强，结构简单，控制精度高。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，提供一种汞离子微波频标的控制光谱灯光强稳定的装置，还提供一种汞离子微波频标的控制光谱灯光强稳定的方法，能够自动调节光谱灯发光强度，使光强稳定在一固定值，增强光谱灯的光强稳定度，减小光频移，提高汞离子微波频标频率稳定度。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种汞离子微波频标的控制光谱灯光强稳定的装置，包括光谱灯和光谱灯驱动电路，还包括光子计数系统、比较电路、中央处理器、以及D/A转换器，
光谱灯，用于出射紫外光到汞离子微波频标中对囚禁汞离子进行光抽运选态；
光子计数系统，用于测量自汞离子微波频标出射的荧光的荧光强度；
比较电路，用于测量跃迁中心频率-Δ处的荧光信号大小和跃迁中心频率+Δ处的荧光信号大小的平均值，并求取平均值与设定值的误差值，其中，2Δ为半高宽；
中央处理器，用于根据误差值进行PID运算，输出数字调制信号到D/A转换器，对光谱灯进行控制。
当使用Rabi方法进行测量时，
t为微波作用时间；当使用Ramsey方法进行测量时，
T为离子自由演化时间。
如上所述的紫外光的波长为194.2nm。
如上所述的光子计数系统包括依次连接的光电倍增管、前置放大器和光子计数器。
一种汞离子微波频标的控制光谱灯光强稳定的方法，利用上述一种汞离子微波频标的控制光谱灯光强稳定的装置，包括以下步骤：
步骤1、光谱灯在光谱灯驱动电路的驱动下出射紫外光到汞离子微波频标中；
步骤2、对汞离子微波频标中的囚禁汞离子施加微波；
步骤3、光子计数系统测量自汞离子微波频标出射的荧光的荧光强度；
步骤4、比较电路测量跃迁中心频率-Δ处的荧光信号大小和跃迁中心频率+Δ处的荧光信号大小的平均值，并求取平均值与设定值的误差值，其中，2Δ为半高宽；
步骤5、中央处理器根据误差值进行PID运算，输出数字调制信号到D/A转换器，对光谱灯进行控制。
如上所述的步骤2中，当使用Rabi方法进行测量时，40.5GHz微波以π脉冲与囚禁汞离子相互作用激励钟跃迁，作用时间为t，半高宽为
当使用Ramsey方法进行测量时，向囚禁汞离子施加时间间隔为T的两个
脉冲，在T时间内没有微波辐射场与离子相互作用，离子自由演化，半高宽为
本发明相对于现有技术具有以下优点：
(1)不受环境温度影响，控制精度高。
(2)光子计数系统是汞离子微波频标中本来就有的仪器，本发明无需再额外增加大型设备，结构简单，节约了成本。
附图说明
图1为本发明装置的结构框图。
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。
由图1可知，一种汞离子微波频标的控制光谱灯光强稳定的装置，包括由202Hg+光谱灯、光子计数系统、比较电路、中央处理器和D/A转换器。
其中，202Hg+光谱灯的灯泡内充有同位素富集的202Hg和启辉气体，灯泡内部没有电极，光谱灯依靠光谱灯驱动电路产生的高频电场诱导放电发光，发出的194.2nm紫外光在汞离子微波频标中对囚禁汞离子进行光抽运选态和荧光检测。
自汞离子微波频标出射的离子荧光由光子计数系统收集，光子计数系统包括光电倍增管、前置放大器和光子计数器。离子荧光照射在光电倍增管的光电阴极上，由光电效应产生的光电子在多级电子倍增后，由阳极收集输入到前置放大器，形成一系列电脉冲，电脉冲输入到光子计数器，由其内部的甄别器进行脉冲整形，高于甄别阈值的电脉冲转换成一个标准的数字脉冲，并由高速计数器计数。其中光电倍增管可选用Electron-Tubes公司的9402B型日盲管，前置放大器可选用SRS公司的SR455型低噪声放大器，光子计数器可选用SRS公司的SR400型门控光子计数器。
在汞离子微波频标中，当用Rabi方法得到荧光信号谱线时，40.5GHz微波以π脉冲与囚禁199Hg+相互作用激励钟跃迁，时间为t，跃迁中心频率为ω0，得到Rabi谱线，谱线半高宽为
为了压窄线宽，可以采用Ramsey方法进行荧光信号检测，即向囚禁199Hg+施加时间间隔为T的两个
脉冲，在T时间内没有微波辐射场与离子相互作用，离子自由演化，得到的Ramsey谱线的中心条纹的半高宽为
与离子自由演化时间T相关。
比较电路，用于测量ω0-Δ处的荧光信号大小和ω0+Δ处的荧光信号大小的平均值，并求取平均值与设定值的误差值，其中，ω0为跃迁中心频率，2Δ为半高宽；不管是Rabi过程还是Ramsey过程，控制光谱灯光强稳定的方法是：首先由光子计数系统取得ω0-Δ处的荧光信号大小为A0，ω0+Δ处的荧光信号大小为B0，然后由比较电路得到平均值，令
作为比较单元的设定值，一般来说，A0＝B0＝C0。在测量循环开始后，由比较电路得到第i次测量的平均值Ci与设定值C0的误差值。如果光谱灯光强稳定，中心频率发生微小偏移时，若ωi>ω0时，Ai<A0，Bi>B0，但Ci≈C0；若ωi<ω0时，Ai>A0，Bi<B0，但Ci≈C0，谱线只是发生左右偏移，其中，ωi为第i次测量对应的的跃迁中心频率，Ai为第i次测量对应的跃迁中心频率-Δ处的荧光信号大小，Bi为第i次测量对应的跃迁中心频率+Δ处的荧光信号大小。如果光谱灯光强发生变化，若光强增大，则Ci>C0，若光强变小，则Ci<C0，即Ci-C0≠0，这时需要对光谱灯光强进行调制。
中央处理器利用PID算法对输入的数字误差信号的误差值进行处理，输出数字调制信号到D/A转换器，D/A转换器将数字调制信号转换为模拟调制信号输出到光谱灯驱动电路，进而对光谱灯进行控制。PID参数可以由实验的不断改进而获得，通过设定不同的PID参数，当光谱灯光强的波动基本不变时，说明光谱灯光强已经稳定了下来，能够满足要求。
一种汞离子微波频标的控制光谱灯光强稳定的方法，利用上述一种汞离子微波频标的控制光谱灯光强稳定的装置，包括以下步骤：
步骤1、光谱灯在光谱灯驱动电路的驱动下出射紫外光到汞离子微波频标中；
步骤2、对汞离子微波频标中的囚禁汞离子施加微波；
步骤3、光子计数系统测量自汞离子微波频标出射的光的荧光强度；
步骤4、比较电路测量跃迁中心频率-Δ处的荧光信号大小和跃迁中心频率+Δ处的荧光信号大小的平均值，并求取平均值与设定值的误差值，其中，2Δ为半高宽；
步骤5、中央处理器根据误差值进行PID运算，输出数字调制信号到D/A转换器，对光谱灯进行控制。
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 (6)
1.一种汞离子微波频标的控制光谱灯光强稳定的装置，包括光谱灯和光谱灯驱动电路，其特征在于，还包括光子计数系统、比较电路、中央处理器、以及D/A转换器，
光谱灯，用于出射紫外光到汞离子微波频标中对囚禁汞离子进行光抽运选态；
光子计数系统，用于测量自汞离子微波频标出射的荧光的荧光强度；
比较电路，用于测量跃迁中心频率-Δ处的荧光信号大小和跃迁中心频率+Δ处的荧光信号大小的平均值，并求取平均值与设定值的误差值，其中，2Δ为半高宽；
中央处理器，用于根据误差值进行PID运算，输出数字调制信号到D/A转换器，对光谱灯进行控制。
2.根据权利要求1所述的一种汞离子微波频标的控制光谱灯光强稳定的装置，其特征在于，当使用Rabi方法进行测量时，
t为微波作用时间；当使用Ramsey方法进行测量时，
T为离子自由演化时间。
3.根据权利要求1所述的一种汞离子微波频标的控制光谱灯光强稳定的装置，其特征在于，所述的紫外光的波长为194.2nm。
4.根据权利要求1所述的一种汞离子微波频标的控制光谱灯光强稳定的装置，其特征在于，所述的光子计数系统包括依次连接的光电倍增管、前置放大器和光子计数器。
5.一种汞离子微波频标的控制光谱灯光强稳定的方法，利用权利要求1所述的一种汞离子微波频标的控制光谱灯光强稳定的装置，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、光谱灯在光谱灯驱动电路的驱动下出射紫外光到汞离子微波频标中；
步骤2、对汞离子微波频标中的囚禁汞离子施加微波；
步骤3、光子计数系统测量自汞离子微波频标出射的荧光的荧光强度；
步骤4、比较电路测量跃迁中心频率-Δ处的荧光信号大小和跃迁中心频率+Δ处的荧光信号大小的平均值，并求取平均值与设定值的误差值，其中，2Δ为半高宽；
步骤5、中央处理器根据误差值进行PID运算，输出数字调制信号到D/A转换器，对光谱灯进行控制。
6.根据权利要求1所述的一种汞离子微波频标的控制光谱灯光强稳定的方法，其特征在于，所述步骤2中，当使用Rabi方法进行测量时，40.5GHz微波以π脉冲与囚禁汞离子相互作用激励钟跃迁，作用时间为t，半高宽为
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