CN114698219A - 一种用于氢原子激射器的电离源装置及氢原子激射器 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种用于氢原子激射器的电离源装置,电离源装置包括电离泡、谐振腔组件和至少一个磁场发生部件，谐振腔组件包括连接法兰、使微波同轴线传输的内导体和外导体、以及微波导入部件，内导体和外导体的一端均与连接法兰连接，内导体、外导体和连接法兰围合成仅一端开口的谐振腔，电离泡设置在开口处且邻近内导体，连接法兰上设有微波导入部件，外导体与用于氢原子激射器的电离源装置的密封结构固定连接；磁场发生部件设置在电离泡的外侧且其产生的磁场与微波共同作用使电离泡内的电子形成电子回旋共振，使电离泡内的氢气电离成氢等离子体。通过上述技术方案，能够进一步提高氢等离子体中氢原子的电离密度。
Description
技术领域
本申请涉及氢原子激射器领域，尤其涉及一种用于氢原子激射器的电离源装置及氢原子激射器。
背景技术
时间是五个基本物理量之一，对其的精确计量具有重要的科研和应用价值。进入二十世纪后，利用确定能级跃迁实现高精度时间输出的原子钟逐渐成熟，并得到广泛地应用。目前实用型的原子钟包括铷原子钟、铯原子钟和氢原子钟，其中氢原子钟具有优秀的中短期稳定度和良好长期稳定度和漂移率指标，可用于守时授时、导航定位和通讯保障等众多领域。
电离源装置的工作原理是利用氢原子基态((F＝l,mF＝0)至 (F＝O,mF＝0)两超精细能级之间的跃迁频率来锁定晶振。工业氢气通过提纯之后导入电离源装置，在此期间氢分子离解成为等离子体状态，同时发光发热，氢等离子体由准直器形成粒子束流，在磁选态器的作用下，(F＝l,mF＝0)和(F＝O,mF＝0)态的氢原子射入微波谐振腔中的储存泡，并在其中发生微波共振跃迁，通过检测微波谐振腔内的微波信号就可以将电路系统输出的微波信号锁定在原子跃迁谱线上，从而可以得到具有高稳定度和高准确度的输出信号。
目前常用的电离源装置为ICP(Inductively Coupled Plasma，电感耦合等离子体)电离源装置，例如，公开号为CN 102749839A的申请专利公开了一种氢原子钟电离源系统，如图1所示，如图1所示，本申请的氢原子钟电离源系统由电离源盒1、导热支柱2、电离泡3、固定旋钮4、密封安装面5、散热罩6、导热管7、射频线圈8、激励电路9、光敏探测器10和固定螺钉11,12构成。螺钉11用于连接电离源盒1和导热支柱2,螺钉12用于连接导热支柱2和密封安装面50，将氢气持续导入石英制的电离泡中，同时射频信号以电感耦合或者电容耦合的方式作用于电离泡，从而使氢分子在电离泡内发生离解，形成氢等离子体。结构简单、电离效率高，效果好，可直接应用于氢原子钟，但是其氢等离子体的电离密度为1010-1011ne/cm-3，能量转换效率低，据估算小于1％。
发明内容
鉴于目前用于氢原子激射器的电离源装置存在的上述不足，本申请提供一种应用于氢原子激射器上的ECR(Electron cyclotron resonance，电子回旋共振)氢等离子体源，能够进一步提高氢等离子体的电离密度。
为达到上述目的，本申请的实施例采用如下技术方案：
一种用于氢原子激射器的电离源装置，包括：
电离泡，所述电离泡上设有输入氢气的输入口和输出氢等离子体的输出口；
谐振腔组件，所述谐振腔组件包括连接法兰、使微波同轴线传输的内导体和外导体、以及微波导入部件，所述内导体和外导体的一端均与连接法兰连接，所述内导体、外导体和连接法兰围合成仅一端开口的谐振腔，所述电离泡设置在开口处且邻近所述内导体，所述连接法兰上设有将从微波发生部件传送来的微波导入所述谐振腔的微波导入部件，所述外导体与所述氢原子激射器的密封结构固定连接；
至少一个磁场发生部件，所述磁场发生部件设置在电离泡的外侧且其产生的磁场与所述微波共同作用使所述电离泡内的电子形成电子回旋共振，使所述电离泡内的氢气电离成氢等离子体。
在所述氢等离子体系统中，施加一个垂直于电场的磁场，由于电场改变带电粒子的速度，磁场改变带电粒子的运动方向，因此，在电、磁场的共同作用下，带电粒子将沿着磁力线做拉莫回旋运动，回旋角频率ωc满足如下等量关系：
其中，B为磁通密度，e为带点离粒子的电荷，m为带电粒子质量。如果我们使微波的频率等于电子的回旋角频率，就可以使所述电离泡内的电子产生电子回旋加速共振，提高了微波能量耦合给电子的效率，延长了电子的加速距离，进而使电子具有更高的速度和能量去撞击所述电离泡内的氢分子，提高氢等离子体的电离密度。
优选的，所述微波的频率为2.45GHz，所述磁场强度为大于或等于 875Gs。对于875Gs的磁场，根据上述的公式，可以算出电子的回旋频率为2.45GHz。采用2.45GHz的微波来激发并维持等离子体，当电子回旋频率ωc等于输入微波的固有频率ω时，即在磁场为875Gs处，就会发生电子回旋共振，微波能量高效率地耦合给电子，使其获得能量，通过碰撞电离中性的氢分子，产生电离密度为1011～1013cm-3等离子体，并且可以通过改变微波功率的大小来调节电子温度、电子密度和电子能量分布。
优选的，所述磁场发生部件设置为环形磁铁，所述环形磁铁套设所述电离泡的外侧且所述环形磁铁产生的磁力线穿入所述电离泡内。更优选的，所述环形磁铁的截面为矩形。
环形磁铁可以产生连续的环状磁场，可以与微波更好的配合，进而满足ECR的条件。将其截面设置为矩形，可以更加方便所述环形磁铁的装配。
优选的，所述环形磁铁设置为两组，两组所述环形磁铁的磁极相同设置，两组所述环形磁铁之间设有间隔。两组所述环形磁铁在所述电离泡内形成中间弱、两端强的特殊的磁场位形，可以约束带电粒子，当绕着磁力线旋进的带点粒子由弱磁场区进入两端的强磁场区域时，就会受到一反向力的作用。这个力迫使粒子的速度减慢，轨道螺距缩短，然后停下来并反射回去，反射回去的粒子达管子中心区域后，又向另一端螺旋前进，达端口后又被反射回来，即形成了磁镜，两组所述环形磁铁之间的间隔决定了两磁镜能约束的空间区域的大小。间隔越大，受约束的等离子体越多。磁镜的形成，增加了氢等离子体的密度，进一步提高了氢等离子体的电离密度。
优选的，所述间隔a的取值范围是5mm≦a≦9mm。将所述间隔设置在此范围内，可以使磁镜的约束效果最好。
优选的，所述磁场发生部件还包括磁饼，所述磁饼设置在环形磁铁的中心轴线上且所述磁饼产生的磁力线穿入电离泡内。可以进一步调整磁场的位形，使电子回旋共振的效果更好。
优选的，所述内导体的外径d和所述外导体的内径D的比值取值范围为：2.3≦D/d≦2.4。所述内导体的外径d和所述外导体的内径D 的比值最好与同轴线缆特性阻抗相匹配，在本申请中，使述内导体的外径d和所述外导体的内径D的比值保持在上述范围内，可以与预设的特性阻抗值相符，使微波的传到效果更好。
优选的，所述微波导入部件包括耦合环和接头，所述耦合环的一端向谐振腔内延伸，另一端通过接头与所述微波发生部件连接。所述微波经耦合环导入谐振腔后，再经内导体和外导体导入所述电离泡中，所述内导体和外导体使微波成TEM波传播。其中，TEM(transverse electromagnetic mode，横电磁波模式)波是指电场分量和磁场分量都将垂直于传播方向的微波。
优选的，所述耦合环为一体成型的结构，由一片状材料折弯成环状部后，两端分别向外侧折弯，形成与所述连接法兰固定连接的固定部和与所述接头连接的连接部。这种结构可以使耦合的效果更好。
优选的，所述磁场发生部件设置为产生磁场用的线圈或者永磁铁。磁铁的选用可以根据所要求的磁铁的磁场强度来的进行调整。当要求的磁场强度较小时，可以选用永磁铁；当要求的磁场强度大时，可以选用产生磁场用的线圈。
优选的，所述内导体设置为空心柱状或者实心柱状。当微波的输入功率低时，不需要冷却，可以采用实心柱状的内导体。当微波输入的功率高时，可以将内导体的设置为空心柱状，采用通入冷却介质的方式来冷却，例如，可以采用风冷。
优选的，所述内导体和/或外导体由至少两段固结而成。这样可以方便组装，使用于氢原子激射器的电离源装置的结构更加合理。
本申请还提供了一种氢原子激射器，所述氢原子激射器包括如上所述的用于氢原子激射器的电离源装置。
本申请实施的优点：本申请提供了一种用于氢原子激射器的电离源装置,包括电离泡、谐振腔组件和至少一个磁场发生部件，所述电离泡上设有输入氢气的输入口和输出氢等离子体的输出口，所述谐振腔组件包括连接法兰、使微波同轴线传输的内导体和外导体、以及微波导入部件，所述内导体和外导体的一端均与连接法兰连接，所述内导体、外导体和连接法兰围合成仅一端开口的谐振腔，所述电离泡设置在开口处且邻近所述内导体，所述连接法兰上设有将从微波发生部件传送来的微波导入所述谐振腔的微波导入部件，所述外导体与所述用于氢原子激射器的电离源装置的密封结构固定连接；所述磁场发生部件设置在电离泡的外侧且其产生的磁场与所述微波共同作用使所述电离泡内的电子形成电子回旋共振，使所述电离泡内的氢气电离成氢等离子体。通过上述技术方案，能够进一步提高氢等离子体的电离密度。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例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申请的一些实施例，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为本申请背景技术所述的一种氢原子钟的电离源系统的结构示意图；
图2为本申请实施例所述的一种用于氢原子激射器的电离源装置的结构示意图；
图3为本申请实施例所述的一种用于氢原子激射器的电离源装置的外导体的结构示意图；
图4为本申请实施例所述的一种用于氢原子激射器的电离源装置的内导体的结构示意图；
图5为本申请实施例所述的一种用于氢原子激射器的电离源装置的耦合环的正视图；
图6为本申请实施例所述的一种用于氢原子激射器的电离源装置的耦合环的侧视图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
实施例
如图2所示，一种用于氢原子激射器的电离源装置，所述电离源装置包括：
电离泡1，所述电离泡1上设有输入氢气的输入口11和输出氢等离子体的输出口12；所述电离泡1可以采用目前氢原子激射器的电离源装置上常用的电离泡1。
谐振腔组件2，所述谐振腔组件2包括法兰盖21、使微波同轴线传输的内导体22和外导体23、以及微波导入部件24，所述内导体22 和外导体23的一端均与法兰盖21连接，在具体的实施过程中，可以通过螺栓等紧固件进行可拆分连接，所述内导体22、外导体23和法兰盖21围合成仅一端开口的谐振腔25，所述电离泡1设置在开口处且邻近所述内导体22，所示微波导入部件24穿过所述法兰盖21，用于将从微波发生部件传送来的微波导入所述谐振腔25内；。
所述所述内导体22和/或外导体23可以为一体的结构，也可以为分体的结构，在本申请的部分实施例中，如图2所示，所述内导体22 和外导体23均由多段固结而成，固结处设置有方便限位的台阶。
具体的，如图3所示，所述外导体23由三部分组成，分别是第一外导体231、第二外导体232和第三外导体233，所述第二外导体232 设置在第一外导体231和第三外导体233的中间，所述第一外导体231 的两端设有第一上部法兰231a和第一下部法兰231b。所述第一下部法兰231b的内侧壁设有与第二外导体232的上端相配合的台阶；所述第二外导体232的下端设有第二下部法兰232a，所述第三外导体233的上端设有第二上部法兰233a，所述第三外导体233的下端与所述用于氢原子激射器的电离源装置的内真空系统的密封结构26的上部相配合，固定外导体23在内真空结构上。所述第一上部法兰231a与所述连接法兰21通过螺栓固结，所述第一下部法兰231b、第二下部法兰 232a和第二上部法兰233a通过螺栓固结，所述第二上部法兰233a上还设有另外的安装孔，用来经第二上部法兰233a将电离源装置的密封结构26通过螺栓固结。所述外导体23可以采用铝材质或者1Cr18Ni9Ti 无磁不锈钢。
在本申请的部分实施例中，所述内导体22采用实心的柱状结构，特别是当微波的输入功率低时。在本申请另外的部分实施例中，所述内导体22为空心柱状，如图3所示，所述空心主张的内导体22分体设置，包括第一内导体221和第二内导体222，所述第一内导体221设置在第二内导体222和所述连接法兰21之间，所述连接法兰21下表面设有与第一内导体221相配合的凸起结构，所述第一内导体221的上端设有与凸起配合的台阶，所述第一内导体221和第二内导体222 接触处也设有限位的台阶，所述第二内导体222的下端延伸至所述电离泡1的上端，与所述电离泡1保持约2mm的间隙，这样可以防止内导体22与所述电离泡1之间发生挤压。所述内导体22可以采用黄铜材质。
在本申请的实施例中，所述内导体22的外径d和所述外导体23 的内径D的比值最好保持在2.3≦D/d≦2.4的范围，这样可以满足特性阻抗值在50-60欧姆之间的要求。在本申请的一个具体实施中，所述第一外导体231和第二外导体232固结后的有效长度与所述第一内导体221和第二内导体222固结后的有效长度均设置为75mm，所述外导体23的内径设置为55.5mm,所述内导体22的外径设置为23.4mm。所述第三外导体233的长度与所述电离泡1高度配合设置，即所述电离泡1的顶端基本与所述第三外导体233的顶端齐平，所述电离泡1的下端略微超出第三外导体233的下端设置。
在本申请的部分实施例中，所述微波导入部件24包括耦合环241 和接头242，所述耦合环241的一端向谐振腔25内延伸，另一端通过接头242与所述微波发生部件连接。所述微波经耦合环241导入谐振腔25后，再经内导体22和外导体23导入所述电离泡1中，所述内导体22和外导体23使微波成TEM波传播。其中，TEM(transverse electromagnetic mode，横电磁波模式)波是指电场分量和磁场分量都将垂直于传播方向的微波。所述接头242可以采用L16接头。
在本申请的部分实施例中，所述微波源可以根据需要的微波的固有频率进行选择，例如，如果所需要的微波的固有频率为2.45GHz，则可以采用WB-200型微波源或者沃特塞恩电子技术有限公司提供的 WSPS-2450-100M型固态微波源，所述环形磁铁的磁场强度为875Gs。
在本申请的部分实施例中，如图4和图5所示，所述耦合环241 为一体成型的结构，由一片状材料折弯成环状部后，两端分别向外侧折弯，形成与所述连接法兰21固定连接的固定部和与所述接头242连接的连接部。这种结构可以使耦合的效果更好。
在本申请的部分实施例中，所述磁场发生部件采用环形磁铁3，且所述环形磁铁3的截面为矩形。在本申请的其它的部分实施例中，所述环形磁铁3设置为两组，两组所述环形磁铁3之间设置间隔，以形成磁镜，所述间隔的宽度设置在5～9mm之间为宜,通过在两组环形磁铁3之间设置绝缘体来实现，例如，设置塑料的垫片。每组所述环形磁铁3可以由单个环形磁铁3组成，也可以由多个模块化的环形磁铁3 磁极相同的贴合在一起组成。两个所述环形磁铁3均套设在所述电离泡1与所述第三外导体233之间。在申请另外的部分实施例中，所述磁场发生部件还包括磁饼31，所述磁饼31可以固结在所述内导体22 的底部，所述磁饼31可以进一步调整磁场的位形。所述环形磁铁3和磁饼31均可以采用铷铁硼材质。磁饼31与环形磁铁3放置时，提起电离源装置环形磁铁3有下坠的趋势但被磁饼31吸引，使环形磁铁3靠近磁饼31后受到磁饼31的排斥。我们还做了本申请所述的用于氢原子激射器的电离源装置的电离密度测试实验，。
所述测试实验的电离源装置采用如图2所示的结构，即所述外导体23由三段组成，材质为铝，所述内导体22采用两端组成，所述材质选择黄铜，所述电离泡1设置在所述外导体23、内导体22和上部连接法兰21固结后围合而成的谐振腔25内，所述电离泡1设置在第三外导体233处，顶端不超过第三外导体233的顶部且所述内导体22的底端与所述电离泡1的顶端留有2mm的间隙。所述磁场发生部件选用两个相同的环形磁铁3和一个磁饼31，所述环形磁铁3磁极相同的套设在电离泡1上且其截面积均为矩形，两个所述环形磁铁3磁极相同的套设在所述电离泡1的外壁上，两组所述环形磁铁3直接按的间隔设为为5mm，所述环形磁铁3的外壁与所述第三外导体233的内壁紧贴设置。
其中，所述第一外导体231和第二外导体232固结后的有效长度与所述第一内导体221和第二内导体222固结后的长度均设置为75mm，所述外导体23的内径设置为55.5mm,所述内导体22的外径设置为 23.4mm。所述微波源采用2.45GHz的微波源，型号为WB-200。所述外导体23的材质为铝，所述内导体22的材质为黄铜，所述环形磁铁3 的磁场强度为875Gs。
所述微波导入部件24采用L16接头242和耦合环241。所述耦合环241采用如图2所示的结构，所述耦合环241为一体成型的结构，由一片状材料折弯成环状部后，两端分别向外侧折弯，形成与所述连接法兰21固定连接的固定部和与所述接头242连接的连接部。所述固定部设有螺栓孔，用来与所述连接法兰21的下表面固结，所述连接部设有连接孔，所述连接孔与L16配合连接。
所述电离泡1的输出口12设有静电探针对氢等离子的密度进行测量，其中，所述电离泡1
测量时，所述微波源的输入功率为90W，氢气的输入流量为 1-4.5sccm，通过使输出口12与分子泵连通来实现。测得的数据如下表所示。
此外，我们还做了本申请所述的电离源装置与ICP电离源装置的对比实验，具体结构如图2所示，通过将设置在电离泡1上部的内导体22、外导体23和连接法兰21形成的谐振腔25，以及套设在所述电离泡1上的磁铁移除，在电离泡1上安装ICP氢等离子体源,测量时，所述ICP氢等离子体源的输入功率为14W，氢气的输入流量为 1-4.5sccm，通过使输出口12与分子泵连通来实现。测得的数据如下表所示。
从上述数据可以看出：ECR等离子体源产生的电子密度和离子密度在1013m-3量级及以上，而ICP电离源装置产生的等离子体电子密度和离子密度在1011m-3量级，明显低于ECR等离子体源。说明ECR氢等离子体源能够进一步提高氢等离子体的电离密度，可能会有利于提高氢原子激射器的信号强度和性能指标。
本申请还提供了一种氢原子激射器，所述氢原子激射器包括如上所述的用于氢原子激射器的电离源装置。
本申请实施的优点：本申请提供了一种用于氢原子激射器的电离源装置,包括电离泡、谐振腔组件和至少一个磁场发生部件，所述电离泡上设有输入氢气的输入口和输出氢等离子体的输出口，所述谐振腔组件包括连接法兰、使微波同轴线传输的内导体和外导体、以及微波导入部件，所述内导体和外导体的一端均与连接法兰连接，所述内导体、外导体和连接法兰围合成仅一端开口的谐振腔，所述电离泡设置在开口处且邻近所述内导体，所述连接法兰上设有将从微波发生部件传送来的微波导入所述谐振腔的微波导入部件；所述磁场发生部件设置在电离泡的外侧且其产生的磁场与所述微波共同作用使所述电离泡内的电子形成电子回旋共振，使所述电离泡内的氢气电离成氢等离子体。通过上述技术方案，能够进一步提高氢等离子体的电离密度的效果。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域技术的技术人员在本申请公开的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (13)
1.一种用于氢原子激射器的电离源装置，其特征在于，包括：
电离泡，所述电离泡上设有输入氢气的输入口和输出氢等离子体的输出口；
谐振腔组件，所述谐振腔组件包括连接法兰、使微波同轴线传输的内导体和外导体、以及微波导入部件，所述内导体和外导体的一端均与连接法兰连接，所述内导体、外导体和连接法兰围合成仅一端开口的谐振腔，所述电离泡设置在开口处且邻近所述内导体，所述连接法兰上设有将从微波发生部件传送来的微波导入所述谐振腔的微波导入部件，所述外导体与所述氢原子激射器的密封结构固定连接；
至少一个磁场发生部件，所述磁场发生部件设置在电离泡的外侧且其产生的磁场与所述微波共同作用使所述电离泡内的电子形成电子回旋共振，使所述电离泡内的氢气电离成氢等离子体。
2.根据权利要求1所述的用于氢原子激射器的电离源装置，其特征在于，所述微波的频率为2.45GHz，所述磁场强度为875Gs。
3.根据权利要求1所述的用于氢原子激射器的电离源装置，其特征在于，所述磁场发生部件设置为环形磁铁，所述环形磁铁套设所述电离泡的外侧且所述环形磁铁产生的磁力线穿入所述电离泡内。
4.根据权利要求3所述的用于氢原子激射器的电离源装置，其特征在于，所述环形磁铁设置为两组，两组所述环形磁铁的磁极相同设置，两组所述环形磁铁之间设有间隔。
5.根据权利要求4所述的用于氢原子激射器的电离源装置，其特征在于，所述间隔a的取值范围是5mm≦a≦9mm。
6.根据权利要求3-5任一项所述的用于氢原子激射器的电离源装置，其特征在于，所述磁场发生部件还包括磁饼，所述磁饼设置在环形磁铁的中心轴线上且所述磁饼产生的磁力线穿入电离泡内。
7.根据权利要求1所述的用于氢原子激射器的电离源装置，其特征在于，所述内导体的外径d和所述外导体的内径D的比值取值范围为：2.3≦D/d≦2.4。
8.根据权利要求1所述的用于氢原子激射器的电离源装置，其特征在于，所述微波导入部件包括耦合环和接头，所述耦合环的一端向谐振腔内延伸，另一端通过接头与所述微波发生部件连接。
9.根据权利要求1所述的用于氢原子激射器的电离源装置，其特征在于，所述耦合环为一体成型的结构，由一片状材料折弯成环状部后，两端分别向外侧折弯，形成与所述连接法兰固定连接的固定部和与所述接头连接的连接部。
10.根据权利要求1所述的用于氢原子激射器的电离源装置，其特征在于，所述磁场发生部件设置为产生磁场用的线圈或者永磁铁。
11.根据权利要求1所述的用于氢原子激射器的电离源装置，其特征在于，所述内导体设置为空心柱状或者实心柱状。
12.根据权利要求1所述的用于氢原子激射器的电离源装置，其特征在于，所述内导体和/或外导体由至少两段固结而成。
13.氢原子激射器，其特征在于，所述氢原子激射器包括权利要求1-12任一项所述的用于氢原子激射器的电离源装置。
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