专利名称：一种用于氢频标的高效束光学系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及导航技术领域，特别涉及一种用于氢频标的高效束光学系统。
背景技术：
氢频标是一种频率标准，在时间频率领域占有重要地位，在国家安全与经济运行中有大量的应用。它是我国 守时实验室的主要设备，也是我国北斗卫星导航定位系统中的备选星载原子钟。氢原子频标是使用氢原子的超精细能级转变来实现时间频率的精确计量。氢原子具有四个超精细能级。在常态下，电子占据在这四个超精细能级的几率相等。如果电子没有高、低能级上的布居数差，氢频标无法实现振荡跃迁。要实现电子高、低能级上的布居数差，一般使用磁选态的方法。在氢频标中，氢原子经过准直器后进入束光学选态系统，经过梯度磁场后，高、低能态的氢原子被分离，实现了高、低能级上的布居数差，高能态的氢原子进入贮存泡和微波腔，发生微波相干跃迁。束光学系统直接影响着氢原子的选态效率，并决定着微波腔跃迁增益。氢频标是以氢原子内部两能级量子跃迁的稳定频率为参考。在束光学系统中，氢原子被选态后实现高、低能级的原子分离，进而使高能态的氢原子进入微波腔参与跃迁。束光学系统是氧频标性能提闻的如提和基础，闻效率的氧频标束光学选态系统可以有效降低微波腔内氢原子间的自旋交换作用，提高氢频标的频标稳定度和准确度；可以减少氢原子的消耗量，提高氢频标的使用寿命，降低氢频标的功率。美国哈佛大学和Smithsonian天体物理天文台研制的氢频标采用了单选态系统[E. M. Mattison, R. F. C. Vessot, S. Wei, Single-state selection system forhydrogenmasers, IEEE, 40th annual frequency control symposium, 422-427,1986],这种束光学系统只适用大型实验室氢频标，其束光学系统复杂而冗长，不适合我国目前研制的小型氢频标和星载氢频标的要求。美国人Peters发明了一种磁选态器(US4381490, Magneticstate selector, 1981),可以通过微调磁尖间距离，达到需要的选态尺寸，但该方案调节复杂繁琐，费时费力。当今，机械制造技术高度发展，选态器制作的对称性已经很精确，不需要进行微细调节。法国研制的氢频标束光学增加了绝热快速通道区，也可以使选态器的选态效率提高[C. Audoin, M. Desaintfuscien, P. Petit, J. P. Schermann, Design of adoublefocalization in a hydrogen maser, IEEE Transactions on instrumentationandmeasurement, Vol.頂_17，351-353，1968]，但这种束光学系统也只针对大型实验室氢频标，结构复杂，可靠性低。日本无线电研究实验室的束光学聚焦系统中，在两选态磁铁中间加入了一个螺线管线圈，利用Majorana效应实现原子态反转，也可以提高选态效率，其缺点是结构不稳定，也不利于在移动或星载氢频标中使用[S. Urabe, K. Nakagiri,Y. Ohta, M. Kobayashi, Y. Saburi, Majorana effecton atomic frequency standards,IEEE Transactions on instrumentation andmeasurement, Vol. IM-29,304-310,1980],[S. Urabe, Y. Ohta, Y. Saburi, Improvement in a hydrogen maser by a new stateselection， IEEE Transactions oninstrumentation and measurement， Vol IM—33，117-121，1984]。当氢频标在实验室静态环境下使用时，可以使用以上发明或报道的相关束光学系统，但当氢频标在机动、星载、或空间站中应用时，则强调其可靠性和小型化，需要根据实际环境设计结构简单可靠、选态效率高的束光学系统。目前，非常需要一种结构简单、可靠性好且选态效率高的用于氢频标的束光学系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于氢频标的高效束光学系统。 本发明提供的用于氢频标的高效束光学系统包括磁屏蔽层、微波腔、储存泡、导流管、真空腔、选态器、准直器和氢原子源。所述磁屏蔽层内设有所述微波腔，所述微波腔内设有所述储存泡，所述导流管穿过所述微波腔和所述磁屏蔽层将所述储存泡与所述真空腔导通，所述真空腔内设有所述选态器，所述选态器的一端固定在所述真空腔上，其另一端为自由端，所述准直器置于所述选态器与所述氢原子源之间，所述氢原子源的出口、所述准直器的中心、所述选态器的中心、所述导流管和所述储存泡的入口在一条直线上。优选地，所述选态器为圆筒形，所述选态器包括四个或六个相同的永磁体、与所述永磁体数目相同的针形软磁体、和由无磁材料制成的圆筒，所述永磁体和所述软磁体固定在所述圆筒内，所述四个或六个永磁体首尾相接构成一个方形空腔，且每一个所述永磁体的S极或N极与相邻的所述永磁体的同名磁极相接，与所述永磁体数目相同的所述软磁体均匀分布，其尖端朝向所述圆筒的中心且两两相对，两个正对的所述软磁体的尖端的磁极相同。优选地，正对的两个所述软磁体的尖端之间的距离为O. 9-1. 5mm，其尖端的表面磁场大于或等于I特斯拉。优选地，所述选态器的高度为50_75mm。优选地，所述永磁体的材质为铁氧体、Nd2Fe14B, AlNiCo或Sm2Co17。优选地，所述软磁体的材质为铁、FeCo合金或FeNi合金。优选地，所述圆筒的材质为无磁不锈钢、钛、铜、铝、塑料、钛合金或铝合金。优选地，氢原子在所述真空腔内的自由运动区域的长度为100-120_。优选地，所述准直器为光纤多孔准直器，其外径为2. 49-2. 51mm，其厚度为
O.4-1. 4_，其孔的数目大于或等于200，其有孔的区域的直径为O. 95-1. 05_，每个孔的直径为 12-13 μ m。优选地，所述微波腔的有载Q值大于或等于8000，其振荡频率为I.42040575IGHz±20MHz。本发明具有如下有益效果本发明提供的高效束光学系统结构简单，可靠性好，选态效率高，能够将氢原子的量子跃迁增益提高50%。
图I为本发明提供的用于氢频标的高效束光学系统的剖面示意图；图2为本发明提供的用于氢频标的高效束光学系统的选态器的剖面示意图；图3为氢原子在选态器中的运动轨迹示意图；图4为本发明提供的用于氢频标的高效束光学系统的氢原子量子跃迁增益与现有技术的对比曲线图。
具体实施例方式下面结合附图及实施例对本发明的发明内容作进一步的描述。如图I所示，本发明提供的用于氢频标的高效束光学系统包括磁屏蔽层I、微波腔2、储存泡3、导流管4、真空腔5、选态器6、准直器7和氢原子源8。所述磁屏蔽层I内设有所述微波腔2，所述微波腔2内设有所述储存泡3，所述导流管4穿过所述微波腔2和所述磁屏蔽层I将所述储存泡3与所述真空腔5导通，所述真空腔5内设有所述选态器6，所述选态器6的一端固定在所述真空腔5上，其另一端为自由端，所述准直器7置于所述选态器6与所述氢原子源8之间，所述氢原子源8的出口、所述准直器7的中心、所述选态器6的中心、所述导流管4和所述储存泡3的入口在一条直线上。如图2所示，所述选态器6为圆筒形，所述选态器6包括四个或六个相同的永磁体601、与所述永磁体601数目相同的针形软磁体602、和由无磁材料制成的圆筒603,所述永磁体601和所述软磁体602固定在所述圆筒603内，所述四个或六个永磁体601首尾相接构成一个方形空腔，且每一个所述永磁体601的S极或N极与相邻的所述永磁体601的同名磁极相接，与所述永磁体601数目相同的所述软磁体602均匀分布，其尖端朝向所述圆筒603的中心且两两相对，两个正对的所述软磁体602的尖端的磁极相同。正对的两个所述软磁体602的尖端之间的距离为O. 9-1. 5mm，其尖端的表面磁场大于或等于I特斯拉。所述选态器6的高度为50_75mm。所述永磁体601的材质为铁氧体、Nd2Fe14B、AlNiCo或Sm2Co17。所述软磁体602的材质为铁、FeCo合金或FeNi合金。所述圆筒603的材质为无磁不锈钢、钛、铜、铝、塑料、钛合金或铝合金。氢原子在所述真空腔5内的自由运动区域的长度为100_120mm。所述选态器6的自由端与所述导流管4之间的区域为氢原子的自由运动区域。在本实施例中，氢原子的自由运动区域的长度为例如110mm。所述准直器7为光纤多孔准直器，其外径为2. 49-2. 51mm,其厚度为O. 4-1. 4mm,其孔的数目大于或等于200，其有孔的区域的直径为O. 95-1. 05mm,每个孔的直径为12-13 μ m。所述微波腔2的有载Q值大于或等于8000，其振荡频率为I.42040575IGHz±20MHz。在本实施例中，所述选态器6包括例如四个相同的永磁体601、四个相同的针形软磁体602和圆筒603。所述永磁体601和所述软磁体602固定在所述圆筒603内。所述四个永磁体601首尾相接构成一个方形空腔，且每一个所述永磁体601的S极或N极与相邻的所述永磁体601的同名磁极相接。所述四个软磁体602均匀分布，其尖端朝向所述圆筒603的中心且两两相对，两个正对的所述软磁体602的尖端的磁极相同。正对的两个所述软磁体602的尖端之间的距离为例如I. 1mm，其尖端的表面磁场大于或等于I特斯拉。所述选态器6的总高度为例如65mm。所述永磁体601的材质为例如Sm2Co17。所述软磁体602的材质为例如FeCo合金。所述圆筒603的材质为例如无磁不锈钢。
所述氢原子源8用于向所述准直器7提供氢原子。所述氢原子源8发出的原子的运动方向与所述准直器7的中心、所述选态器6的中心和所述导流管4所在的直线之间的夹角称为原子的出射角。所述准直器7用于使所述氢原子源8发出的氢原子的出射角趋近于零，从而提高氢原子的利用率。所述选态器6用于使不同量子态的原子的运动轨迹产生差异。所述导流管4用于将所述选态器6选出的氢原子导入所述储存泡3。所述储存泡3用于储存所述选态器6选出的氢原子。所述微波腔2用于使氢原子发生跃迁辐射。所述磁屏蔽层I用于保护所述微波腔2和所述储存泡3内的氢原子跃迁不受外界磁场的干扰和影响。所述系统仅适用于氢原子的量子选态。在本实施例中，应用所述系统对氢原子进行量子选态，氢原子在所述选态器6中的运动轨迹如图3所示。如图4所示，在氢原子的流量相同的情况下，采用所述系统能够使氢原子的量子跃迁增益明显提高，例如当氢原子的流量为500 μ A时，氢原子的量子跃迁增益由2. 18dB增加到3. 34dB，提高了 50% ;当氢原子的流量超过ImA时，所述系统能够使氢原子的量子跃迁增益达到4dB。应当理解，以上借助优选实施例对本发明的技术方案进行的详细说明是示意性的而非限制性的。本领域的普通技术人员在阅读本发明说明书的基础上可以对各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
权利要求
1.用于氢频标的高效束光学系统，其特征在于，该系统包括磁屏蔽层(I)、微波腔(2)、 储存泡(3)、导流管(4)、真空腔(5)、选态器(6)、准直器(7)和氢原子源⑶；所述磁屏蔽层(I)内设有所述微波腔(2)，所述微波腔(2)内设有所述储存泡(3)，所述导流管(4)穿过所述微波腔(2)和所述磁屏蔽层(I)将所述储存泡(3)与所述真空腔 (5)导通，所述真空腔(5)内设有所述选态器￠)，所述选态器￠)的一端固定在所述真空腔(5)上，其另一端为自由端，所述准直器(7)置于所述选态器(6)与所述氢原子源(8)之间，所述氢原子源⑶的出口、所述准直器(7)的中心、所述选态器(6)的中心、所述导流管(4)和所述储存泡(3)的入口在一条直线上
2.根据权利要求I所述的用于氢频标的高效束光学系统，其特征在于，所述选态器(6) 为圆筒形，所述选态器(6)包括四个或六个相同的永磁体￠01)、与所述永磁体(601)数目相同的针形软磁体￠02)、和由无磁材料制成的圆筒￠03)，所述永磁体(601)和所述软磁体(602)固定在所述圆筒(603)内，所述四个或六个永磁体(601)首尾相接构成一个方形空腔，且每一个所述永磁体(601)的S极或N极与相邻的所述永磁体(601)的同名磁极相接，与所述永磁体(601)数目相同的所述软磁体(602)均匀分布，其尖端朝向所述圆筒 (603)的中心且两两相对，两个正对的所述软磁体￠02)的尖端的磁极相同。
3.根据权利要求2所述的用于氢频标的高效束光学系统，其特征在于，正对的两个所述软磁体(602)的尖端之间的距离为0. 9-1. 5mm，其尖端的表面磁场大于或等于I特斯拉。
4.根据权利要求2所述的用于氢频标的高效束光学系统，其特征在于，所述选态器(6) 的高度为50_75mm。
5.根据权利要求2所述的用于氢频标的高效束光学系统，其特征在于，所述永磁体(601)的材质为铁氧体、Nd2Fe14B,AlNiCo 或 Sm2Co17。
6.根据权利要求2所述的用于氢频标的高效束光学系统，其特征在于，所述软磁体(602)的材质为铁、FeCo合金或FeNi合金。
7.根据权利要求2所述的用于氢频标的高效束光学系统，其特征在于，所述圆筒(603) 的材质为无磁不锈钢、钛、铜、铝、塑料、钛合金或铝合金。
8.根据权利要求I所述的用于氢频标的高效束光学系统，其特征在于，氢原子在所述真空腔(5)内的自由运动区域的长度为100-120mm。
9.根据权利要求I所述的用于氢频标的高效束光学系统，其特征在于，所述准直器(7) 为光纤多孔准直器，其外径为2. 49-2. 51mm,其厚度为0. 4-1. 4mm,其孔的数目大于或等于 200，其有孔的区域的直径为0. 95-1. 05mm,每个孔的直径为12-13 u m。
10.根据权利要求I所述的用于氢频标的高效束光学系统，其特征在于，所述微波腔(2)的有载Q值大于或等于8000，其振荡频率为I. 420405751GHz ± 20MHz。
全文摘要
本发明公开了一种用于氢频标的高效束光学系统，该系统包括磁屏蔽层(1)、微波腔(2)、储存泡(3)、导流管(4)、真空腔(5)、选态器(6)、准直器(7)和氢原子源(8)；磁屏蔽层(1)内设有微波腔(2)，微波腔(2)内设有储存泡(3)，导流管(4)穿过微波腔(2)和磁屏蔽层(1)将储存泡(3)与真空腔(5)导通，真空腔(5)内设有选态器(6)，选态器(6)的一端固定在真空腔(5)上，其另一端为自由端，准直器(7)置于选态器(6)与氢原子源(8)之间，氢原子源(8)的出口、准直器(7)的中心、选态器(6)的中心、导流管(4)和储存泡(3)的入口在一条直线上。本发明提供的高效束光学系统结构简单，可靠性好，选态效率高，能够将氢原子的量子跃迁增益提高50％。
文档编号G04F5/14GK102624386SQ201210050610
公开日2012年8月1日 申请日期2012年2月29日 优先权日2012年2月29日
发明者周铁中, 张继红, 李晶, 杨仁福, 陈强, 陈海波, 高连山 申请人:北京无线电计量测试研究所