被动型小氢钟的试验研究

　　1　引言

　　被动型氢钟的研究来自于氢原子频标小型化的要求。传统的主动型(有源型)氢钟的微波谐振腔体积较大,加上磁屏蔽结构、真空系统、伺服电路等,总重量达到150 kg,总体积有540 mm×740 mm×1 110mm (以上海天文台生产的SOHM-Ⅲ型氢原子钟为例)。而小铯钟仅重30 kg,体积为524 mm×426 mm×133 mm (以惠普公司生产的5071A型小铯钟为例)。在这种情况下,虽然主动型氢钟有着很高的频率稳定度,但体积和重量限制了它的进一步应用。氢钟的小型化主要是谐振腔的改进,它的结构尺寸决定了氢钟的最小尺寸和重量。目前采用的小型腔主要有电极负载腔、磁控管腔、介质负载腔和TE111腔。新型的谐振腔虽然减小了体积、减轻了重量,但是它本身很难满足起振条件。一种方法是将谐振腔作为一个窄带放大器,此时误差信号检测原理和被动型铯钟、铷钟类似。和被动型铯钟、铷钟相比,氢钟需要两个环路,一个用来锁定晶体振荡器,一个用来锁定腔频,此外还要考虑到两者之间的相互影响。和主动型氢钟相比,被动型小氢钟的腔有载品质因数的降低减小了腔牵引效应,但这也使得腔的灵敏度较差,稳定度指标不如主动型氢钟好。

　　上海天文台在20世纪80年代末期开始小型氢钟的研究。探索了不同的小型谐振腔模式[1,2],试验了反馈振荡的方法。90年代开始研制被动型小氢钟,目前已经进行了初步测试。

　　2　小型微波谐振腔

　　传统的主动型氢钟采用TE011模式谐振腔。共振在氢超精细跃迁频率1·420 406 GHz的典型TE011谐振腔的直径、长度约为28 cm[3];它限定了氢钟的体积和重量。所以要考虑既能够满足与氢超精细跃迁频率共振又能减小体积的其他结构的小型腔。

　　2·1　电极负载腔

　　小型腔的使用是氢钟小型化的关键,我们选用了电极负载腔,见图1所示。通过理论计算和试验,我们使用了直径15 cm、长14 cm的谐振腔;外径10cm、长10 cm、支架高1 cm的石英储存泡。4块电极等间距地贴在储存泡的外面。改变缝的间距和腔的壁厚用来调整谐振腔的频率[1]。为了试验的方便,先使用了铝腔。腔内上端有一个大活塞固定在腔的上铝盖板上,用来粗调谐振腔频率。输入、输出的耦合环以及变容二极管固定在腔的下盖板上。

　　这种谐振腔的电场主要集中在缝隙内,磁场主要集中于泡区内,见图2所示。腔的模式很多,在测量腔频的时候,我们可以发现多个谐振峰,必须对每个峰进行鉴别,从中找到需要的谐振峰。寻找所需的谐振峰可以参考以下的几种方法:

　　⑴腔的频率受到腔体积和缝宽的影响,改变这两个参数,腔的频率应该发生变化。