磁选态铯钟内辐射频移及其对准确度的影响

　　1引 言

　　磁选态铯原子频标由于具有好的可靠性和长期稳定性等特点，已在时频系统、导航定位和通信等方面得到了广泛应用。

　　在 1967 年第十三届国际计量大会上对原子秒作了定义，即“秒是铯 133 原子基态的 2 个超精细能级之间跃迁所对应辐射的9 192 631 770 个周期所持续的时间^”[1]。对于铯原子基态 6s，核外电子角动量 J=1/2，核自旋角动量 I=7/2，原子总角动量 F=4 和 3。在外加弱磁场中，原来以 F 为标志的超精细能级分裂成(2F+1)个以 mF为标志的塞曼子能级(即分裂为 16 个塞曼子能级)。在铯原子频标中，用于跃迁的 2 个超精细能级是(F=3，mF=0)和(F=4，mF=0)，其跃迁频率为 9 192 631 770 Hz。磁选态铯原子钟是被动型原子钟，选出一个子能级跃迁到另一子能级，形成鉴频信号，利用锁频环路去锁定一个晶体振荡器产生固定的频率信号。

　　磁选态铯原子钟由 2 部分组成^[2]：(1)物理部分即铯束管，用于产生原子能级跃迁;(2)频标电路用于产生标准频率并对频率进行变换和调整。单束磁选态铯束管工作原理如图 1 所示，由铯源、A 磁铁、Ramsey 微波腔、B 磁铁和检测器等零部件组成，产生 Ramsey 跃迁信号。

　　加热装有高纯度铯^[3]的铯炉到一定温度，铯原子通过细长的准直管沿一定方向喷出形成原子束。从铯炉中喷出的铯原子由于处于不同状态，具有不同磁矩，在通过不均匀磁场 A 时将因受不同的横向偏转力作用而偏向不同方向，从而将 F=3 的铯原子选出，被选出的铯原子经过较弱的恒定磁场(C 场)和微波谐振腔，在频率为9.192 GHz 的微波作用下发生跃迁，跃迁到 F=4，_^mF=0 态，跃迁后的铯原子被磁铁 B 的偏转磁场选中进入检测器中获得 Ramsey 跃迁信号。

　　铯束管的输出频率经过选态、C 场作用、辐射跃迁、检测、伺服放大等多个物理和技术处理后的原子跃迁频率，每一处理步骤都可能使输出频率偏离理论值。各种频移误差的总和代表输出频率偏离定义值的不确定程度，也就是它的准确度^[4]。

　　作者将在辐射场理论的基础上，详细讨论磁选态铯原子频标中附加辐射场引起的铯原子基态超精细跃迁频率的移动，即辐射频移及其对频标准确度的影响。

　　2 磁选态铯钟内的辐射频移及影响

　　根据辐射场与原子相互作用的量子理论^[5~7]，如果原子的共振跃迁由某一频率的辐射场引起，那么任何其他非共振频率辐射场的存在都会作为干扰改变跃迁频率。这种干扰是通过电磁场与原子电偶极矩或磁偶极矩的相互作用，即交流 Stark 效应和交流 Zeeman 效应使原子能级发生变化，从而导致原子跃迁频率的移动。