小型TE111无泡隔膜腔氢脉泽的实验研究

　　1　引言

　　基于原子氢脉泽机理的氢原子钟是一种高精度的现代时间和频率标准。它不仅在基础理论研究领域,而且在军事应用,如军事测绘、导航、通讯、导弹制导等方面具有广泛应用。目前实用型氢原子钟体积较大,一定程度上限制了其应用范围,因此高性能小型化氢原子钟的研制势在必行。自从1974年,世界上第一台空间钟研制成功并用于空间飞行后,用于空间和军事工程的小型氢原子钟的研究十分活跃,不同结构的小型氢钟应运而生,由60、70年代的几百千克现已减小到不足20千克。

　　图1所示为氢脉泽的工作原理图,氢源产生的氢原子经喷口射入高真空室,在六极束光学系统中被能态分离,高能态原子聚焦到位于谐振腔中心的储存泡中,与腔高频磁场相互作用而产生跃迁,释放能量。氢脉泽的最小尺寸决定于电磁谐振腔的尺寸。传统的氢脉泽采用TE011模式的共振腔,腔中装配着球形或椭球形熔凝石英泡。泡把氢原子限制在一个振荡磁场的纵向分量在相位和方向都均匀的范围内,共振在氢超精细跃迁频率fhfs=1 420·406 MHz的典型TE011脉泽腔,腔直径、长度约28 cm。腔的尺寸决定外围真空壳及磁屏蔽的最小尺寸和最小重量,而泡的介入将减小腔Q值,增大因介电材料引起脉泽温度变化的灵敏性。为了使脉泽小型、重量轻且坚固,希望减小腔的尺寸并消除单独的石英泡,从而减小脉泽的温度梯度,改善热控制,降低温度控制电路所需要的功率。

　　为此,我们研究一种新型的小型原子氢脉泽,即采用新型的圆柱形TE111无泡隔膜腔。本文将通过对脉泽振荡条件的描述,验证新模式的可行性,对该谐振腔进行设计计算,并对这种氢脉泽进行感应辐射信号的观察和正反馈振荡实验。

　　2　TE111模式谐振腔

　　2·1　脉泽振荡条件

　　不是所有的腔结构都可以维持自激振荡,氢原子所辐射的功率必须超过腔的损耗。这就为腔Q值和激励原子的振荡磁场的强度分别定了一个下限。下面将描述一个振荡条件[1],这个条件考虑到腔中场的分布、原子限制区域的几何学以及腔壁的电导性。应用这种量度可估价小型TE111脉泽腔的现实性。已经证明,若使脉泽维持振荡,必须满足如下等式:

　　这里Vb是单泡区域的体积(等于腔体积的一半)。因为从腔耦合的功率的数值事先不知道,如令β为腔的外部耦合因子,则氢脉泽振荡条件为:

　　2·2　TE111腔的模式分析及结构设计

　　圆柱形TE111隔膜腔的磁场分布如图2所示,在中心对称轴线用Teflon薄膜把腔分成振荡磁场方向相反的两区域,高能级氢原子进入腔入口被分成两部分,分别进入“双腔”产生辐射跃迁。该模式谐振频率和尺寸的关系为[2]: