氢原子钟的设计改进与性能

　　1　引　　言

　　上海天文台自1969年9月30日受周恩来总理指示开始氢原子钟的研制工程,并于1972年研制成功我国第一台实验室型氢原子钟[1],在以后VLBI国际联测、时间频率比对、原子时尺度的建立等科研领域起着较好的作用。1988年,为装备我国VLBI观测网,新一代工程型氢原子钟研制成功[2],它是一种坚固、可搬运、集成的时间频率标准,先后改进研制了八台氢原子钟并应用于时频计量、总参军事工程及中国VLBI观测网包括流动VLBI站,实验与性能测试证明这种工程型氢原子钟结构可靠、性能良好。

　　近年来,我们开展了氢原子钟自动调谐器的研制,先后装备国家重要军事工程中的氢原子钟。这种腔体自动调谐器具有调谐时间短,无需外标准作参考源,且改善氢原子钟的长期稳定度等优点。

　　该氢原子钟集成于一个高110cm、宽54cm、深73cm的机箱内,重量为150公斤,功耗为200瓦,运输较为方便,氢原子钟的外观如图1所示。

　　2　氢原子钟的基本原理

　　原子钟是一种自激型原子振荡器,维持振荡的能量是氢原子本身,其工作频率1420.405MHz,它是由氢原子基态超精细分裂中的两个能级之间的跃迁所决定。图2是氢原子基态的超精细能级图,它表明了氢原子的能级分裂与外磁场的函数关系,F=1态分裂成三个子能态,用mF=1,0,-1表征,氢原子是以四个态中的一个存在。因为在磁场很小的情况下,0—0跃迁频率与磁场关系很小,所以在氢原子钟振荡器中,我们利用F=1,mF=0到F=0,mF=0态的跃迁。

　　图3为氢原子振荡器的工作原理,氢分子在束源1中射频电场作用下离解为氢原子,经喷口射入高真空室并形成原子束,原子束中的原子进入态选择磁铁2,F=1,mF=0,F=1,mF=+1的原子被聚焦到内壁涂以Teflon的原子储存泡3中,这个泡位于调谐在F=1,mF=0,F=0,mF=0超精细跃迁频率上的谐振腔4的中心,进入泡的原子与泡壁碰撞约105次从入口逸出,平均储存约1秒的时间,从而与腔的微波电磁场相互作用,释放能量。当原子束有足够强度时,原子释放的能量足以补偿谐振腔的损耗,此时系统开始振荡,振荡的能量由耦合环5取出,并送至氢原子钟锁相系统。

　　3　氢原子钟的物理结构与技术改进

　　氢原子钟振荡器结构如图4。

　　考虑该标准的流动使用特点,设计要充分考虑到内在机械稳定性和热稳定性,力求使整个标准符合整体运输、物理和电气集成为一体等基本要求,所采用的主要设计要点及关键技术为:

　　3.1　谐振腔—原子储存泡系统采用碟形弹簧和漂浮基板结构,结构紧密坚固,为类实体结构,有效地消除热膨胀效应和大气压变化效应所引起的腔—泡组件结构的应力变形,保证了标准的稳定性;