一种地面使用的紧凑型冷原子钟的制作方法

1.本发明属于时间与频率计量领域及真空技术领域，尤其涉及一种地面使用 的紧凑型冷原子钟。


背景技术：

2.地面紧凑型原子钟采用了热原子束流，如磁选态铯原子钟，将金属铯加热 至100℃左右，铯原子以束流的形式从准直器喷出，完成态制备后进入u型结 构的ramsey腔，与微波发生两次共振作用，两次共振发生在不同的位置，产生 ramsey跃迁。共振的时间间隔决定了ramsey中央峰的宽度，越大，ramsey峰 宽度将越窄，越有利于原子钟的指标。目前对于紧凑型的热束原子钟，可以使 时间间隔达到1～2ms。但是进一步增大时间间隔将遇到困难，其原因在于热束 原子钟的原子速率较大，一般超过120m/s。
3.解决上述困难的方法就是将原子的速率降下来。上世纪90年代，原子的激 光冷却技术得到发展，这种技术可将原子速率降低两个量级以上，使速率100m/s 以上的原子冷却至1m/s以下。采用这种技术，可大大延长共振之间的时间间隔。 近期发展起来的铯喷泉钟就利用了该项技术，使两次作用的时间间隔可达1s数 量级，该钟的结构特点是原子的两次作用发生在同一位置。欧洲航天局的“太 空原子钟系统”(aces)中的微重力冷铯原子钟、美国航空航天局(nasa)的 parcs计划，采用与地面紧凑型铯原子钟类似的结构，原子的作用发生在不同 位置，作用间隔可达10s量级，国内上海光机所实现的冷原子铷钟，也是这种结 构，并成功搭载于空间站。令人遗憾的是这种紧凑型的冷原子钟只能应用于类 似空间站这样的微重力或零重力环境，不能应用于地面。如应用于地面，原子 将在重力作用下作平抛运动，当原子速率较小时，原子无法正常穿过处于两个 不同位置的微波作用区，因此也就无法实现正常的ramsey共振。


技术实现要素：

4.为解决上述问题，本发明提供一种地面使用的紧凑型冷原子钟，使冷原子 钟可应用于具有重力环境的地面，解决目前紧凑型冷原子钟只能用于空间微重 力环境的问题。
5.一种地面使用的紧凑型冷原子钟，包括激光系统部分、电路部分以及物理 部分，且物理部分包括冷却模块、微波腔以及探测模块，所述微波腔具有两个 相互对称的微波作用区，同时，两个微波作用区的轴线与水平面的夹角均为β， 冷原子在设定抛射位置以设定抛射角α斜向上作抛物线运动，且两个微波作用区 对称地分布于冷原子的抛物线运动轨迹上，其中，l为两 个微波作用区的中心点之间的设定距离，s为冷原子的抛射位置与第一个微波作 用区中心点之间的水平设定距离；
6.同时，所述设定抛射角α的取值根据经验值直接确定，或者根据给定的最大 抛射高度h计算得到，且其中，当设定抛射角α的取值根据经 验值直接确定时，冷
原子在设定抛射位置的速度为其中， g为重力加速度，且冷原子由热原子在冷却模块中通过激光系统部分产生的冷却 激光进行冷却得到；当设定抛射角α的取值根据给定的最大抛射高度h计算得到 时，冷原子在设定抛射位置的速度为
7.进一步地，所述微波腔两端的微波作用区向上弯曲。
8.进一步地，所述微波腔两端的微波作用区向下弯曲。
9.进一步地，冷原子以设定抛射角α从抛射位置抛出后，其最大抛射高度与设 定抛射角α满足如下关系：
[0010][0011]
其中，h(α)为最大抛射高度。
[0012]
进一步地，冷原子以设定抛射角α从抛射位置抛出后，冷原子在两个微波作 用区进行微波作用的时间间隔与设定抛射角α满足如下关系：
[0013][0014]
其中，t(α)为冷原子在两个微波作用区进行微波作用的时间间隔。
[0015]
进一步地，所述微波腔两端的微波作用区的腔壁上均设有供冷原子进入和 离开的通孔，同时，通孔处安装有截止波导，且截止波导的轴线与冷原子的抛 物线运动轨迹相切。
[0016]
进一步地，所述微波腔为u型腔、柱形腔或环形腔。
[0017]
有益效果：
[0018]
1、本发明提供一种地面使用的紧凑型冷原子钟，微波腔上的两个微波作用 区的轴线与水平面呈一定的夹角，再将经冷却模块冷却降速后的冷原子以设定 抛射角斜抛出去，使得冷原子在作抛物线运动的过程中，依次经过位于抛物线 轨迹上的两个微波作用区，并与微波作用区发生微波作用，完成原子的跃迁； 由此可见，本发明通过斜抛，并采用改进后的微波腔，使获得低速原子的冷原 子钟能够应用于具有重力环境的地面，克服了目前紧凑型冷原子钟只能用于空 间微重力环境的缺陷。
[0019]
2、本发明还能给出最大抛射高度与设定抛射角α的关系、冷原子在两个微 波作用区进行微波作用的时间间隔与设定抛射角α的关系，便于试验人员确定紧 凑型冷原子钟的物理部分的径向尺寸以及ramsey中心峰线宽。
附图说明
[0020]
图1为地面紧凑型冷原子钟的结构示意图；
[0021]
图2为传统的应用于地面的热原子束u型微波腔；
[0022]
图3为应用于地面的紧凑型冷原子钟的微波腔；
[0023]
图4为应用于地面的紧凑型冷原子钟的另一种微波腔；
[0024]
图5为原子斜抛时的运动轨迹；
[0025]
图6为传统u型微波腔的三维视图；
[0026]
图7为原子斜抛后通过改进后的ramsey腔作用区的示意图；
[0027]
图8为原子斜抛后通过另一种改进后的ramsey腔作用区的示意图。
具体实施方式
[0028]
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施 例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
[0029]
实施例一
[0030]
为了使紧凑型冷原子钟技术能够应用于地面，本发明提出了一种方法，可 以使ramsey共振的作用时间间隔达到几十甚至上百ms。在该方法中，将原子 冷却后，以与地面成某一角度抛出，这样原子在重力作用下的运动轨迹将是抛 物线，在抛物线顶点的两边各与微波腔中的微波发生作用；此外为了使原子能 够顺利穿过微波作用区，需要改进微波腔，使微波腔的两个作用区形成夹角， 最后对c场也进行轻微修改，详细内容见下：
[0031]
如图1所示，用于地面的紧凑型冷原子钟由三部分组成，其中激光系统部 分，用于产生冷却激光及探测激光；电路部分，用于将原子跃迁信号锁在晶振 上；以及物理部分，在此处冷却模块通过激光系统部分产生的冷却激光对热原 子进行冷却，再将冷却后的冷原子推送至ramsey腔，也就是微波腔完成原子的 跃迁，将跃迁信号输出。为了使原子钟能够在地面运行，需要对第三个部分— —物理部分——提出新的设计方案，也即本发明的核心内容。
[0032]
在详述本发明内容之前，定义两个设计参数：s和l，其中s为原子的抛射 位置距离第一个微波作用区中心点的水平距离，l为两个微波作用区中心点之间 的水平距离。
[0033]
本发明的第一个改进部分在于将冷却后的原子沿与水平方向某一角度抛出 (即斜抛出)，原子在重力场作用下将作抛物线运动。在这一步中，需要确定原 子冷却后的速度大小(速率)。分两种情况：在已经给定抛射角度α的情况下， 按照确定原子的冷却速率，其中g是重力加速度；在给定抛 射高度h的情况下，则按照确定原子的冷却速率，按照 确定抛射角度。
[0034]
本发明的第二个改进部分在于对传统的ramsey腔进行修改或改进。传统的 两个微波作用区的轴线是重合的且平行于水平面，见图2。修改后的ramsey的 腔，要求两个作用区轴线与水平面有夹角，夹角由确定， 且相互之间也形成夹角，见图3。还需指出，形成夹角的方式并不限于图3这种 两个微波作用区向上弯曲的方式，也可以采用其它方式，如图4是其中的一种 两个微波作用区向下弯曲的方式。
[0035]
本发明的第三个改进部分在于决定对c场是否作出改变。由于两个作用区 形成夹角，作用区内部轴线上的c场沿轴线发生了轻微变化，如果这种变化对 原子钟的指标的影响超过要求，就需要重新设计c场，如果没有超过要求，可 以采用原来的c场方案。
[0036]
下面对本发明的第一个改进部分和第二个改进部分作进一步的说明。
[0037]
首先对第一个改进部分进行说明。
[0038]
原子沿抛物线轨迹进入第一个微波作用区，与微波发生作用后离开，继续 沿抛物线运动，经过一定时间，进入第二个微波作用区，与微波再次发生作用， 完成ramsey跃迁。
这一步与传统的紧凑型原子钟的区别在于，传统的原子钟， 将热原子沿直线送入两个微波作用区，完成ramsey跃迁。对于热原子钟，虽然 沿水平方向抛出了原子，但由于没有冷却，速率很大，超过120m/s，热原子通 过两个微波作用区时只下降约10个微米，几乎沿直线穿过了两个作用区。若对 传统原子钟的热原子进行冷却降速，然后直接应用于地面，此时冷原子的运动 轨迹会因为重力作用下移，因而无法通过传统的水平设置的两个微波作用区， 进而无法发生原子跃迁。
[0039]
假定经过冷却后原子的速度大小(速率)为v，以角度α从抛射点抛出，见 图5，其中抛射点是坐标原点o。原子沿抛物线到达第一个微波作用区a，然后 至最高点h，h与x轴的距离为h，接着运动至第二个微波作用区b，o、a两 点之间的水平距离就是s，a、b两点之间的水平距离就是l。
[0040]
假定设计物理部分时首先给定了抛射角α。不同的α值，将对应不同的速率v，下面来推导v和α之间的函数关系。
[0041]
首先写出抛物线的参数方程。在o点，原子垂直方向的速度大小为 v
y
＝v
·
sinθ，水平方向的速度大小为v
x
＝v
·
cosθ，因此抛物线参数方程为
[0042][0043]
其中t是时间参数。
[0044]
由图5可知，a、b两点的纵坐标相等，即y(t
a
)＝y(t
b
)，考虑到t
a
＝s/(vcosα)， t
b
＝(s+l)/(vcosα)，由(1)中的第二个参数方程，可得
[0045][0046]
从上式解得
[0047][0048]
这就是速率v和抛射角α之间的函数关系，表示了当抛射角α给定时原子冷 却后的速度必须由(2)式给出。
[0049]
此外，本发明还可以得到最大的上抛高度h与抛射角α之间的函数关系，因 为h＝(vsinα)2/2g，将(2)式带入并化简，得到
[0050][0051]
其中，最大的上抛高度h(α)可以用于确定物理部分的径向尺寸。
[0052]
本发明还可以求出原子与两个微波作用区进行微波作用的时间间隔t与抛 射角α之间的函数关系。由于将(2)式带入，化简后得
[0053][0054]
t(α)即为时间间隔t，表示时间间隔t与抛射角α有关。
[0055]
假定设计物理部分时首先给定了抛射高度h。不同的h对应不同的v，下面 推导最大抛射高度h和v之间的函数关系。
[0056]
从(3)可反解出tanα
[0057][0058]
因此
[0059][0060]
将此式带入(2)就可求得v跟h之间的函数关系
[0061][0062]
抛射角直接从(5)得出
[0063][0064]
将(5)带入(4)可得时间间隔与上抛高度的函数关系
[0065][0066]
需要说明的是，时间间隔t可以用于确定ramsey中心峰线宽。
[0067]
下面，对本发明的第二个改进部分内容进行说明。
[0068]
ramsey腔可以采用u型腔，柱形腔，环形腔等，这些腔的共同特点是有两 个作用区，且作用区的轴线都在一条直线上。为了使原子能够进入和离开，在 ramsey腔的微波作用区的腔壁上开有小孔，小孔的尺寸大约是几个毫米乘几个 毫米，此外为了防止微波泄漏，在小孔处安装了截至波导，图6以传统的u型 腔三维视图为例对此进行了说明。
[0069]
当将原子的速度降下来并以抛物线形式抛出时，如果直接采用传统的微波 腔，就会存在原子无法正常通过微波腔的风险。当然，在抛射角很小的情况下， 考虑到截至波导和小孔具有有限大小的截面，部分原子有可能通过两个微波作 用区，但是也有一部分原子无法通过。如果进一步冷却原子，此时需要加大抛 射角，能够通过的原子将进一步减少，当抛射角增大到某一角度，所有原子都 将无法通过，此时就不会有任何跃迁信号了。
[0070]
本发明解决上述问题的方法就是将连接在微波作用区截至波导的轴线放在 抛物线曲线的切线上，其结果是作用区轴线与水平面形成了夹角，该夹角用β表 示，得到改进后的ramsey腔，此时原子就可以正常通过作用区了，见图7、图 8。
[0071]
下面来求β的表达式，也即在图5中a、b两点的切线与x轴的夹角的表达 式。由于a、b是抛物线的两个对称点，只考虑a足够了。
[0072]
对(1)式微分，得
[0073][0074]
因此有将代人，就可得到β的正切
[0075][0076]
将(2)带入(9)式并化简，得
[0077]
[0078]
因此有
[0079][0080]
让两个微波作用区与水平面形成夹角还带来一个好处。ramsey腔中的微波 磁场在腔中的分布随位置的变化而变化，一般在设计ramsey腔时，使微波作用 区内部的磁场沿轴线成为均匀的，这样原子在通过微波作用区时将与均匀的磁 场发生作用，降低了ramsey牵引。当原子作抛物线运动，如不改变ramsey腔， 而继续采用传统腔，原子就不可能通过均匀区。如果使微波作用区形成夹角， 从而使微波作用区的轴线成为抛物线的切线，原子又可以与均匀的磁场发生作 用了，上述问题也就自然解决了。
[0081]
需要说明的是，本发明仅以u型微波腔为例进行了介绍，但是本发明内容 也适用于柱形腔和环形腔。改进柱形腔和环形腔，使腔的截至波导的轴线与抛 物线相切，切点在抛物线顶点的两边，且角度由(11)式确定。
[0082]
由此可见，本发明提供一种地面使用的紧凑型冷原子钟，微波腔上的两个 微波作用区的轴线与水平面呈一定的夹角，再将经冷却模块冷却降速后的冷原 子以设定抛射角斜抛出去，使得冷原子在作抛物线运动的过程中，依次经过位 于抛物线轨迹上的两个微波作用区，并与微波作用区发生微波作用，完成原子 的跃迁；也就是说，本发明通过斜抛，并采用改进后的微波腔，同时根据实际 情况改变c场结构，使获得低速原子的冷原子钟可应用于具有重力环境的地面， 解决目前紧凑型冷原子钟只能用于空间微重力环境的问题。
[0083]
实施例二
[0084]
下面以一种紧凑型的冷铯原子钟为例对本发明作进一步描述，冷铯原子钟 由三部分组成，激光系统部分，电路部分和物理部分，而物理部分采用了本发 明的核心内容，见图1。
[0085]
在本实例中，取s＝10cm，l＝17cm，物理部分的设计中，给定了抛射角α＝2
°
。
[0086]
首先，根据第一步需确定原子的冷却速度，根据公式(2)求出其大小为
[0087][0088]
由此可见，与传统的热束原子钟相比，原子速率下降了一个量级以上。
[0089]
对应的时间间隔可根据公式(4)求出
[0090][0091]
在v已经求出的情况下，间隔也可以按公式更简洁的求出。热束 原子钟的时间间隔大约1.5ms，可以看到本实例的作用间隔增大了近16倍，预 计ramsey峰将被压榨近16倍。
[0092]
利用公式(3)还可以求出原子的上抛高度：
[0093]
[0094]
其次，根据第二步需确定微波作用区夹角，由公式(11)计算得到：
[0095][0096]
因此改进后u型微波腔，需要将双臂按图7所示向内或向外倾斜0.92
°
，这 样两个微波作用区之间形成了夹角，且分别与水平面形成0.92
°
的夹角。
[0097]
在本实例中，由于β角很小，微波作用区的位置变动很小，对c场影响不 大，所以c场方案不变。
[0098]
根据原子冷却后的速度大小值可以确定激光系统部分的设计，进而再确定 电路部分的设计，这两部分的设计是常规的，本发明不再详述。
[0099]
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情 况下，熟悉本领域的技术人员当然可根据本发明作出各种相应的改变和变形， 但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。