一种延长磁选态铯束管寿命的方法和磁选态铯原子钟与流程

本发明涉及磁选态铯原子钟技术领域，具体涉及一种延长磁选态铯束管寿命的方法和一种可延长寿命的磁选态铯原子钟。

背景技术：

小型磁选态铯原子钟作为可搬运的一级频标，在时间频率领域具有重要的地位。在我国，从上世纪六十年代就开始了小型磁选态铯原子钟的研制，然而铯束管的寿命问题直到最近才得到突破，研制出了超过4年长寿命铯束管。尽管如此，对现有无论长寿命还是短寿命的铯束管，进一步延长它们的寿命仍然具有重要意义。

铯束管是铯原子钟的核心部件，由钛泵、铯炉、a磁铁、微波腔、b磁铁、离化丝、电子倍增器等部件构成，这些部件的布局由图1所示。其中钛泵用于维持铯束管的工作真空度，铯炉用于金属铯的储存和加热，a、b磁铁选出所需的态，微波腔用于实现铯原子的跃迁，离化丝将跃迁铯原子离化为铯离子，电子倍增器收集铯离子信号并将该信号放大后输出。铯束管的寿命跟其中的钛泵、离化丝、铯炉和电子倍增器等部件紧密联系，决定于以下因素：

①铯束管真空度变差导致钛泵高压短路；

②离化丝脆断；

③铯炉内的铯金属消耗完毕；

④电子倍增器增益衰减。

近年来由于国内真空技术的发展，因素①和②已经解决，可保证十年以上的寿命。因素③可通过增加金属铯的装载量解决，现在国产铯束管装铯量超过5克，有的甚至高达9克，可保证八到十五年的使用量。因此①②③已经不影响铯束管的寿命。目前影响铯束管寿命的主要因素是电子倍增器的增益衰减，其表现形式是电子倍增器在工作时输出信号电流的持续下降。为了铯钟锁频的需要，信号电流要求在100na以上。锁频后由于电子倍增器增益值不断衰减，电流值会越来越小，直至20na时，铯钟将失锁，寿命终了。不同寿命的铯束管下降的速率不同，短寿命的铯束管由100na降至20na往往不到两个月，长寿命需要几年的时间。尽管国内近期突破了电子倍增器的寿命问题，但跟其它部件的寿命相比，还是存在着一定的差距，这种差距如果能通过其它技术方法得到弥补，将具有重要的意义。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供一种延长磁选态铯束管寿命的方法以及一种延长寿命的磁选态铯原子钟，该方案操作简便、原理简单，能够在不影响铯钟性能指标要求的情况下，延长铯束管的寿命，最终将铯钟的寿命提高一倍以上。

为解决上述技术问题，本发明具体方法如下：

一种延长磁选态铯束管寿命的方法，磁选态铯束管和频标电路组成了磁选态铯原子钟；该方法包括：

限定磁选态铯束管中电子倍增器的输出电流为某一设定值i1；

在频标电路中增加电流放大功能，用于将电子倍增器的输出电流i1放大至能够实现锁频的电流值i2；

在频标电路中增加电子倍增器电压自动调节功能，用于监测放大后的电流，当因电子倍增器增益衰减导致放大后的电流降低时，调整电子倍增器的工作电压使放大后的电流升回i2。

优选地，通过调整电子倍增器的工作电压限定电子倍增器的输出电流。

优选地，根据磁选态铯原子钟对磁选态铯束管最低信噪比的要求，确定输出电流i1。

优选地，i2≥100na。

本发明还提供了一种磁选态铯原子钟，包括磁选态铯束管和频标电路；频标电路不仅包括常规的伺服模块、晶振、倍频综合模块，还包括电流放大模块和电压调节模块；

所述电压调节模块，用于调节磁选态铯束管中电子倍增器的工作电压，使得电子倍增器起始输出电流为某一设定值i1；

所述电流放大模块，用于对电子倍增器的输出电流进行放大；

所述伺服模块接收电流放大模块放大后的电流，判断所接收电流值是否等于能够实现锁频的电流值i2；在不等于的情况下，发出指令给所述电压调节模块，对电子倍增器的工作电压做出相应调整，使得电流放大模块放大后的电流稳定在电流值i2。

有益效果：

(1)本发明通过降低电子倍增器的输出电流，实现了电子倍增器的长寿命，从而实现了铯束管的长寿命。同时，电子倍增器的起始工作电压相应降低了，从而使工作电压范围变宽，结果进一步延长了铯钟寿命。

(2)通过增加电流放大模块，保证频标电路获得锁频所需的最小信号电流。

(3)通过调整电子倍增器的工作电压，补偿因电子倍增器增益衰减导致输出电流的降低，保证了铯原子钟的稳定性指标。

本发明功能简单，易于实现，避免了电子倍增器最后一级输出电流过大带来的增益衰减过快现象，从而间接地避开了国产电子倍增器寿命过短问题，最终结果使铯原子钟的寿命得到延长，同时保证了原子钟的指标不会有较大下降。

附图说明

图1为铯束管布局图。图中：铯炉、a磁铁、离子泵等布局在微波腔的一端，b磁铁、离化丝、电子倍增器布局在微波腔的另一端。

图2为铯原子钟的基本构成。由铯束管和频标电路部分构成，频标电路部分包括伺服模块、晶振、倍频综合模块、信号(电流)放大模块和电压调节模块。

具体实施方式

下面结合附图2及实施例对本发明作进一步描述。

电子倍增器的一个特点是：输出电流越大，增益衰减就会越快，寿命也将越短。目前，商品铯钟的电子倍增器输出电流要求在100na附近，这种大电流给电子倍增器带来了较大负担，使得增益衰减较快。为了改善这种情况，本发明要求降低输出电子倍增器的输出电流。考虑到降低电流会影响铯束管的信噪比，所以应在电流值和信噪比之间做出权衡，以既实现减小电流的目标，又使信噪比损失不至过大。目前国产铯束管的信噪比有了较大提升，使得降低电流变为现实。降低输出电流还带来一个额外好处：电子倍增器的起始工作电压相应降低了，从而使工作电压范围变宽，结果进一步延长了铯钟寿命，在下文实例中将对此说明。

假定降低后的输出电流为i1，由于i1<100na，已经不能用于锁频。为了得到能够锁频的输出信号电流，本发明要求再将i1放大至i2，其中i2≥100na，然后用i2进行锁频。这里放大功能必须由外部电路实现，这样既降低了电子倍增器的负担从而减小了其衰减，又保证了锁频需要的电流。

需要指出，上述两步仅仅使电子倍增器的增益衰减降低了，但并没有使衰减完全消除，所以电子倍增器在工作过程中输出电流还是会不断减弱的。可利用电子倍增器的另一个特性解决该问题，这个特性就是：电子倍增器的输出电流可随加于其上的工作电压增大而增大。利用这一特性可对输出电流进行补偿。因此本发明要求频标电路的伺服部分能够检测i2的变化，通过外加的电压调节模块对电子倍增器的工作电压进行调整，当i2降低时，增加电子倍增器的工作电压使i2增大。

基于上述分析，本发明提供的延长磁选态铯束管寿命的方法包括如下三个步骤：

(1)限定磁选态铯束管中电子倍增器的输出电流为某一设定值i1；

(2)在频标电路中增加电流放大功能，10^-8a量级的电流放大2～10倍，采用该模块将电子倍增器的输出电流i1放大至能够实现锁频的电流值i2，一般来说i2达到100na即可；

(3)在频标电路中增加电子倍增器电压自动调节功能，用于监测放大后的电流，当因电子倍增器增益衰减导致放大后的电流降低时，调整电子倍增器的工作电压使放大后的电流升回i2。

需要指出，上述三个步骤的顺序并非严格的，但三个步骤是完整的一体，缺一不可。第一步实现了电子倍增器的长寿命，从而实现了铯束管的长寿命，第二步保证了频标电路锁频所需的最小信号电流，第三步保证了铯原子钟的稳定性指标。

根据该方法本发明还提供了一种延长磁选态铯束管寿命的磁选态铯原子钟，包括磁选态铯束管和频标电路。其中，频标电路不仅包括常规的伺服模块、晶振、倍频综合模块；还包括新增的电流(信号)放大模块和电压调节模块。

电压调节模块，用于调节磁选态铯束管中电子倍增器的工作电压，使得电子倍增器起始输出电流为某一设定值i1。

电流放大模块，用于对电子倍增器的输出电流进行放大。

伺服模块接收电流放大模块放大后的电流，判断所接收电流值是否等于能够实现锁频的电流值i2；在不等于的情况下，发出指令给所述电压调节模块，对电子倍增器的工作电压做出相应调整，使得电流放大模块放大后的电流稳定在电流值i2。

下面举一个实例。

本实例在国产的140401号铯束管上采用了本发明延长寿命的方法。140401号铯束管在输出电流100na时，信噪比为4000(1/4hz带宽)，采用带有自动调节电子倍增器工作电压的测试电路进行测试，发现平均每天电压增幅约为3.6v。根据初始工作电压1900v，最大工作电压2600v，可以计算出该铯束管的寿命约为(2600-1900)/3.6＝194天。

为了延长140401号铯束管的寿命，首先确定最小输出电流i1，本实例是根据铯原子钟对铯束管最低信噪比的要求定出的，最低信噪比要求为3000(1/4hz带宽)。那么从100na开始，每次降低10na，测出每次的信噪比。当输出电流降至30na时，信噪比已降为3100(1/4hz带宽)，已经接近最低信噪比的要求了，因此本实例中选择i1＝30na。需要指出，输出电流的降低是通过调整电子倍增器工作电压实现的，当i1从100na降至30na时，电子倍增器起始工作电压从1900v降至1600v。为了估算此时铯束管的寿命，我们测得30na时电子倍增器每天电压增幅，约为1.7v。根据初始工作电压1600v，最大工作电压2600v，计算出寿命为(2600-1600)/1.7＝588天，超过1年半。可以看出，寿命的延长来自两个方面，一是每天电压增幅降低延长了寿命，二是电压范围变宽延长了寿命。

在本实例中，采用外部电路将30na的信号电流放大至100na，图2中用信号放大模块表示外部放大电路，伺服模块接收放大后的电流i2，同时判断该电流值是否等于100na，如果不等，将发出指令给电压调节模块，对电子倍增器电压做出相应调整，使得电流放大模块放大后的电流稳定在100na。图2中的信号放大模块和电压调节模块可用不同的方法实现。

采用了延长寿命方法的140401号铯束管，与频标电路联试形成整钟，锁频成功后测试了该铯钟的稳定度指标，以考察采用该方法后整钟性能是否满足要求，测试结果在误差范围内看不到指标下降。该钟从2014年5月开始工作，至2016年1月寿命结束，工作时间超过1年半。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。