一种空间氢原子钟电离源系统

1.本发明属于原子钟领域，具体涉及一种空间氢原子钟电离源系统。


背景技术：

2.氢原子钟是一种精密的计时器具。它是利用原子能级跃迁时辐射出来的电磁波锁定晶体振荡器实现高精度时间输出。氢原子钟在国防、空间技术和现代科学试验中有着重要的应用。
3.高纯氢气通过镍提纯器经渗透提纯后注入电离泡中，在外加电离源系统的作用下，电离泡中的氢分子离解成为原子状态，氢原子经由准直器形成原子束流，在六极(或四极)选态磁铁的作用下，有效态氢原子(f＝1，mf＝0)入射微波谐振腔中的储存泡，并在其中发生微波共振跃迁，使腔内微波能量增加，通过检测微波谐振腔内的微波能量就可以将电路系统输出的微波信号锁定在原子跃迁谱线上，从而可以得到具有高稳定度和高准确度的输出信号。由此可见，氢脉泽振荡的产生系统是氢原子钟的核心组件，主要包括电离源系统、选态系统和微波谐振腔系统等，其中氢原子钟的电离源系统是位于氢原子钟真空系统外的重要子系统，正是由于它位于真空外，我们易于更换、调节反而没有对它进行必要的优化设计。电离源系统也是唯一一个易于受到外界干扰的子系统。
4.前些年，电离源系统所惯用的电路是如图1所示的电场激励法设计模式。它主要由谐振线圈1’、电容2’、极片3’组成(而电离泡4’和氢瓶5’则不属于电离源系统的一部分)，采用两片极片夹住电离泡泡壁的模式。电场激励方式更易使得电离泡4’点亮，特别是在电离泡4’连续工作一段时间后在一定程度上受污染时更突出这一方面。然而它的缺点也是十分明显的，就是因为极片3’紧靠电离泡4’的壁，由于长期的高温灼热，极片所接触到的电离泡4’泡壁因长期处于高温的灼烧下，氢原子与耐热玻璃发生化学反应而导致电离泡内壁会发黄，不透色，致使电离泡内氢气分子被电离几率大大降低，通常使用增大氢气输入流量的方式来提升氢气分子的电离数量。然而氢气输入流量的增大又会降低物理系统的真空度，长久来看，大大缩短了电离泡4’的使用寿命。图1所示的电离源系统，其热量来自于极片3’，因此需要安装风扇，而风扇同时会造成氢气流量的大幅波动，从而影响到氢原子钟的频率稳定度。
5.近几年，通过技术上的设计改进，现有的电离源系统一般使用如图2所示的磁场激励法设计模式。它主要由谐振电容1”和谐振线圈2”组成，电路相比电场激励法得到了简化(而电离泡3”和氢瓶4”则不属于电离源系统的一部分)。并且电离泡3”不再受到高温极片的影响而缩短电离泡的使用寿命，然而，其线圈所绕制之处，也会导致电离泡内壁局部发黄，不透色等现象的发生。此外，图2所示的电离源系统也是需要安装外置风扇来散热的，其热量主要来自于大功率的电感线圈，而风扇同时会造成氢气流量的大幅波动，从而影响到氢原子钟的频率稳定度。再者，目前立体悬空绕制的电感线圈会因为运输的原因而发生参数变化，使得电离源振荡频率发生变化而无法实现电离泡内氢气分子的电离，氢原子钟不能正常工作。
6.总体来说，这两种电离源电路实际上都是一个简单的克拉波射频振荡器，振荡管截止频率为400mhz，振荡频率107mhz，该电路的最大特点就是电离效率高，工作可靠性好。然而，其具有以下缺点：
7.(1)由于电离泡的状态会随着运输和工作时长而发生变化，经运输后(受环境影响电容或者电感的参数会发生变化)输出频率信号发生改变，从而电离泡内氢气分子无法实现电离，因此都是需要人为手动来调节电离源的工作状态，降低了客户的使用体检。
8.(2)电离泡使用时间长久后，由于氢原子与耐热玻璃发生化学反应而导致电离泡内壁发黄，不透色等现象，使得电离源不易于作用于电离泡内氢气分子而无法实现其电离。
9.(3)电离源采用模拟电离模式，功耗大，发热大，为了散热安装外置风扇来散热，而风扇同时会造成氢气流量的大幅波动，从而影响到氢原子钟的频率稳定度。
10.考虑到如果一味强调增大电离泡的发光强度来获取更强的输出频率功率，势必导致电离泡被过度使用，寿命缩短，并且就实际应用而言，电离泡的光强参数并非能与氢原子钟频率信号的输出功率大小一一对应。因此，急需设计一种新的空间氢原子钟电离源系统，其在自动调节氢原子钟输出频率信号功率的同时还需要兼顾电离泡的工作寿命，这样氢原子钟才可以在高可靠、高稳定的状态下工作。
11.参考文献：
12.1.彭纪兴，上海天文台氢原子钟的新电离源[j].中国科学院上海天文台年刊，1996(17)；
[0013]
2.谢勇辉，戴家瑜等.氢原子钟电离源系统.授权公布号：cn102749839b。


技术实现要素：

[0014]
本发明的目的在于提供一种主要解决现有电离源系统，以自动调节氢原子钟输出频率信号功率的同时还需要兼顾电离泡的工作寿命。
[0015]
为了实现上述目的，本发明提供一种空间氢原子钟电离源系统，包括电离源主控电路、以及与电离源主控电路均相连的中频信号检测电路和振荡产生电路；所述中频信号检测电路设置为检测氢原子钟的中频信号的电压，并将电压检测结果发送给电离源主控电路；所述振荡产生电路设置为根据电离源主控电路发出的正弦波参数输出相应的正弦波，并将输出的正弦波作用到电离泡上；所述电离源主控电路设置为向振荡产生电路发出默认的正弦波参数，随后持续接收中频信号检测电路传过来的电压检测结果，根据所述中频信号检测电路的电压检测结果调整当前输出的正弦波参数，正弦波参数包括正弦波的频率和功率。
[0016]
所述中频信号检测电路包括模数转换器和连接于氢原子钟的中频信号和模数转换器之间的分压模块。
[0017]
所述振荡产生电路由依次连接的多通道频率合成器、低通滤波器、放大电路和电感线圈组成。
[0018]
所述多通道频率合成器采用ad9959芯片，所述低通滤波器采用巴特沃斯低通滤波器，所述放大电路包括基于运算放大器opa846的一级可调放大电路和二级可调放大电路。
[0019]
所述电感线圈置于电离泡的顶部上方。
[0020]
所述电离源主控电路包括主控芯片，所述主控芯片设置为：
[0021]
s1：向所述振荡产生电路输出默认的正弦波参数；
[0022]
s2：通过判断中频信号的电压检测结果是否达到设定的中频信号阈值来判断是否需要修改输出频率和功率，若中频信号的电压检测结果达到中频信号阈值，则主控芯片继续判断中频信号的电压检测结果是否达到中频信号阈值；否则，主控芯片在调整当前输出的正弦波参数后继续判断中频信号的电压检测结果是否达到中频信号阈值。
[0023]
所述步骤s2包括：
[0024]
步骤s21：判断中频信号的电压检测结果是否达到中频信号阈值；
[0025]
步骤s22，根据判断结果，如果未达到中频信号阈值，则在频率的可调全范围内逐步调节当前的正弦波的频率，找到可以点亮电离泡的频率，随后，以点亮电离泡的频率作为新的正弦波的频率，逐步调节当前的正弦波的功率，找到使点亮效果达到最佳的功率并将其作为新的正弦波的功率，此时回到步骤s21；
[0026]
否则，首先逐步调节当前的正弦波的功率，找到使中频信号达到最大的功率并将其作为新的正弦波的功率，此时回到步骤s21。
[0027]
所述电离源主控电路还包括串口电路、jtag电路、按键电路和led电路；所述串口电路设置为与上位机进行信息的交互；所述jtag电路设置为下载和更新主控芯片的控制程序；所诉按键电路设置修改主控芯片的当前的变量；所述led电路设置为指示空间氢原子钟电离源系统的当前工作状态。
[0028]
所述空间氢原子钟电离源系统还包括与电离源主控电路和振荡产生电路均相连的电源系统、以及与电源系统连接的欠压检测电路。
[0029]
所述电源系统包括直流24v电压源以及与直流24v电压源直接电连接的5v稳压电路和12v稳压电路，所述欠压检测电路与所述直流24v电压源直接电连接，所述12v稳压电路与振荡产生电路的放大电路直接电连接；所述5v稳压电路的输出端与3.3v第一稳压电路直接电连接，所述3.3v第一稳压电路与电离源主控电路直接电连接；所述5v稳压电路还经由电源隔离电路与3.3v第二稳压电路和1.8v稳压电路电连接，所述3.3v第二稳压电路和1.8v稳压电路与振荡产生电路的多通道频率合成器直接电连接。
[0030]
本发明的空间氢原子钟电离源系统通过中频信号检测电路、电离源主控电路和振荡产生电路的设置来调节作用到电离泡上的正弦波的频率和功率，在自动调节氢原子钟输出频率信号功率的同时还兼顾电离泡的工作寿命。
附图说明
[0031]
图1是现有技术中的基于电场激励法的电离源系统的原理示意图。
[0032]
图2是现有技术中的基于磁场激励法的电离源系统的原理示意图。
[0033]
图3是本发明的空间氢原子钟电离源系统的整体结构框图。
[0034]
图4是本发明的空间氢原子钟电离源系统的中频信号检测电路的模块组成图。
[0035]
图5是本发明的中频信号检测电路的振荡产生电路的模块组成图。
[0036]
图6是本发明的空间氢原子钟电离源系统的主控芯片的大体上的工作流程图。
[0037]
图7是本发明的空间氢原子钟电离源系统的主控芯片的详细的工作流程图。
[0038]
图8是本发明的空间氢原子钟电离源系统的电离源主控电路的模块构成图。
[0039]
图9是本发明的空间氢原子钟电离源系统的电源系统和欠压保护系统的连接示意
图。
具体实施方式
[0040]
如图3所示为本发明的空间氢原子钟电离源系统的整体结构框图。如图3所示，所述空间氢原子钟电离源系统包括电离源主控电路100、以及与电离源主控电路100均相连的中频信号检测电路200和振荡产生电路300。
[0041]
其中，所述中频信号检测电路200与氢原子钟的电离泡的中频信号相连，其设置为：检测氢原子钟的中频信号的电压，并将电压检测结果发送给电离源主控电路100。
[0042]
其中，氢原子钟的中频信号本质是氢原子钟的引脚输出的电压信号，中频信号是反映氢原子钟的输出信号功率强弱的参数，是氢原子钟内的接收机经过锁相产生的信号。在本发明中不涉及到中频信号的产生，仅仅将中频信号作为输入信号，通过判断中频信号的大小，强弱来决定如何调节本发明的空间氢原子钟电离源系统。
[0043]
如图4所示，所述中频信号检测电路200包括模数转换器(adc)201。正常工作下，中频信号的电压为3v左右，如果中频信号检测电路200检测到中频信号低于1v，则代表电离源电离效果差，需要电离源主控电路100调节输出频率来调整电离效果。
[0044]
在本实施例中，电离源主控电路100包括主控芯片，所述中频信号检测电路200的模数转换器201为主控芯片的模数转换器。考虑到主控芯片的模数转换器的电压测量范围为0-3.3v，为了保险起见，防止中频信号过大超过测量范围(即0-3.3v)，如图4所示，在中频检测电路200中还包括连接于氢原子钟的中频信号和模数转换器201之间的分压模块202，通过分压模块202来保证任何时候中频输出均在测量范围内。
[0045]
振荡产生电路300与电离源主控电路100和氢原子钟的电离泡相连，设置为：根据电离源主控电路100发出的正弦波参数输出相应的正弦波，并将输出的正弦波作用到电离泡上，以用于氢气的电离。其中，正弦波参数包括正弦波的频率和功率。根据正弦波参数输出相应的正弦波，包括对生成相应频率的正弦波，并其进行滤波和放大。
[0046]
如图5所示，在本实施例中，所述振荡产生电路300由依次连接的多通道频率合成器301、低通滤波器302、放大电路303和电感线圈304组成。在其他一些实施例中，低通滤波器302、放大电路303可省略。
[0047]
其中，所述多通道频率合成器301设置为根据正弦波参数输出相应频率的正弦波。在本实施例中，多通道频率合成器301采用ad9959芯片。ad9959芯片具备4个同步dds通道，每个通道均可独立调节频率、相位、幅度控制；ad9959芯片采用双电源供电，最高主频可达500mhz，输出正弦波频率范围为1hz～200mhz，频率步进为1hz，输出幅度最高为530mvpp，芯片功耗极低，四通道全速工作时功耗仅为0.58w，完全满足系统的设计要求。ad9959芯片通过spi协议与电离源主控电路100的主控芯片连接，从而接收主控芯片发送的正弦波参数(即输出频率和功率)进而输出。
[0048]
低通滤波器302设置为滤除高频噪声。巴特沃斯滤波器由于设计简单，对构成滤波器的元件q值较低，低通频带的频率响应曲线最平滑且易于制作和达到设计性能，因而得到了广泛应用。低通滤波器302采用巴特沃斯低通滤波器，对ad9959输出的正弦波信号进行滤波，采用9阶的截止频率为200mhz的巴特沃斯低通滤波器对信号进行滤波，使波形更稳定。在其他实施例中，低通滤波器302可以采用其他截止频率在200mhz的低通滤波器。
[0049]
为了将高达100mhz的信号进行放大，且放大后要求信号稳定，因此，需要选择高带宽、高性能的放大电路303，使得在采用放大电路303之前不满足输出功率要求的正弦波，在经过放大电路303放大后，满足正弦波的输出功率要求。所述放大电路303采用德州仪器的高带宽、高性能的运算放大器opa846，放大电路303优选为由运算放大器opa846、固定电阻、可调电阻组成，其最大带宽高达400mhz，且具有超低输入噪声电压，满足系统的设计要求。放大电路303包括基于运算放大器opa846的一级可调放大电路和二级可调放大电路，可以根据实际需求来选择使用一级放大电路还是二级放大电路，一/二级放大电路均通过可调电阻来调节放大倍数，从而适应系统的输出要求，一级放大电路可放大10倍、二级放大电路可放大10
×
10倍。此外，在其他实施例中，放大电路303可以采用其他满足最大带宽至少为400mhz，输入噪声电压小于一级放大倍数为10倍，可一级和二级放大的放大电路。
[0050]
电感线圈304设置为将输出的正弦波作用到电离泡上。目前设计的电感线圈是绕制的蚊香形状的线圈，电离源的电感线圈304置于电离泡的顶部上方且与电离泡相距有一定的距离。该距离是个经验数值，一直沿用，一般在10～20mm左右。
[0051]
如图6所示，所述电离源主控电路100设置为首先向振荡产生电路300发出默认的正弦波参数，随后持续接收中频信号检测电路200传过来的电压检测结果，根据所述中频信号检测电路200的电压检测结果调整当前输出的正弦波参数；其中，正弦波参数包括正弦波的频率和功率。在本实施例中，所述电离源主控电路100包括主控芯片101，主控芯片101是整个电路的核心，通过主控芯片101执行上述这些步骤。
[0052]
图6示出了主控芯片101的大体上的工作流程。如图6所示，主控芯片101设置为：
[0053]
步骤s1：向所述振荡产生电路300输出默认频率为100mhz、默认功率为5w的默认的正弦波参数；由此，默认的正弦波参数经过所述振荡产生电路300的多通道频率合成器301、低通滤波器302、放大电路303和电感线圈304处理并作用于电离泡上用于氢气的电离，氢气电离的情况可以通过检测电离泡的中频信号得知；
[0054]
步骤s2：通过判断中频信号的电压检测结果是否达到设定的中频信号阈值来判断是否需要修改输出频率和功率，若中频信号的电压检测结果达到中频信号阈值，代表当前电离泡内氢气电离效果良好，不需要修改输出频率和功率，则主控芯片101继续判断中频信号的电压检测结果是否达到中频信号阈值；否则，当中频信号小于中频信号阈值，代表当前电离泡内氢气电离效果较差，需要修改输出频率和功率来达到良好的电离效果，则主控芯片101在调整当前输出的正弦波参数后继续判断中频信号的电压检测结果是否达到中频信号阈值。
[0055]
在本实施例中，由于中频信号即电压信号，电压大于3v表明电离源电离效果很好，电压小于1v表明电离效果很差，因此，中频信号阈值设置为2v。
[0056]
图7进一步示出了主控芯片101的详细的工作流程。如图7所示，主控芯片101的步骤s1如上文所述，包括：向所述振荡产生电路300输出默认频率为100mhz、默认功率为5w的默认的正弦波参数；
[0057]
步骤s2大体上如上文所述。步骤s2具体包括：
[0058]
步骤s21：判断中频信号的电压检测结果是否达到中频信号阈值；
[0059]
步骤s23：根据判断结果，如果未达到中频信号阈值，则在频率的可调全范围内逐
步调节当前的正弦波的频率(即当前的正弦波的频率从50mhz～150mhz以1mhz的幅度进行步进，以挨个频率进行测试)，找到使中频信号电压达到中频信号阈值的频率，随后，以点亮电离泡的频率作为新的正弦波的频率，逐步调节当前的正弦波的功率(即当前的正弦波的功率从5w～10w以1w的幅度进行步进)，找到使中频信号达到最大的功率并将其作为新的正弦波的功率，此时回到步骤s21，从而继续判断中频信号的电压检测结果是否达到中频信号阈值；
[0060]
否则，如果达到中频信号阈值，说明不需要再调节频率，只需要从只是从降低功耗、散热角度来考虑调节功率，则逐步调节当前的正弦波的功率(即当前的正弦波的功率从5w～10w以1w的幅度进行步进)，找到使中频信号达到最大的功率并将其作为新的正弦波的功率，此时回到步骤s21。
[0061]
由于主控芯片的频率和功率与中频信号电压没有明确的计算关系，目前的情况是电离源电离效果不能完全复现，即便是在实验室，多次上电也可能存在电离效果差，不能点亮电离泡的情况发生，某一时刻当前频率和功率能点亮电离泡，可能过了一段时间当前频率和功率就点不亮了，所以我们采用频率逐步步进的方式进行测试，找到可以点亮电离泡的频率后调节当前的正弦波的功率，使点亮效果达到最佳。
[0062]
如图8所述，电离源主控电路100除了上文所述的主控芯片101之外，还包括：串口电路102、jtag电路103、按键电路104和led电路105。
[0063]
串口电路102设置为与上位机进行信息的交互，方便用户查看空间氢原子钟电离源系统的当前工作状态。当前工作状态包括正常电离状态、电离调节状态、未电离状态。其中，若电离泡未点亮，则空间氢原子钟电离源系统的当前工作状态为未电离状态；若电离泡已经点亮但中频信号小于中频信号阈值，则当前工作状态为电离调节状态；若中频信号达到中频信号阈值，则当前工作状态为正常电离状态。
[0064]
jtag电路103设置为下载和更新主控芯片的控制程序。其中，下载程序是为了后面对主控芯片的控制程序进行升级迭代。
[0065]
按键电路104设置修改主控芯片101的当前的变量，所述变量主要包括默认的正弦波参数、中频信号阈值等变量。
[0066]
led电路105设置为指示空间氢原子钟电离源系统的当前工作状态。如上文所述，主控芯片的当前工作状态包括正常电离状态、电离调节状态、未电离状态，每个状态对应led电路105的一个led灯，对应状态下的led亮，其他灯不亮。
[0067]
如图8所示，所述空间氢原子钟电离源系统还包括与电离源主控电路100和振荡产生电路300均相连的电源系统400、以及与电源系统400连接的欠压检测电路500。
[0068]
如图8所示，电源系统400包括直流24v电压源401以及与直流24v电压源401直接电连接的5v稳压电路402和12v稳压电路403，所述欠压检测电路500与所述直流24v电压源401直接电连接，由此，直流24v电压源401直接给欠压检测电路500、5v稳压电路和12v稳压电路供电。
[0069]
所述5v稳压电路402的输出端与3.3v第一稳压电路404直接电连接，所述3.3v第一稳压电路404与电离源主控电路100直接电连接。所述5v稳压电路402还经由电源隔离电路405与3.3v第二稳压电路406和1.8v稳压电路407电连接，所述3.3v第二稳压电路406和1.8v稳压电路407与振荡产生电路300的多通道频率合成器301直接电连接。
[0070]
由此，5v稳压电路一方面直接稳压成3.3v给电离源主控电路100供电，另一方面直接进行电源隔离，给后续对电源要求度高的芯片供电。隔离后的电源分别稳压成3.3v和1.8v给振荡产生电路300的多通道频率合成器301供电，多通道频率合成器301用于正弦波的生成，该电路的性能直接影响输出波形的稳定度，因此，供电采用隔离后的电源供电。
[0071]
所述12v稳压电路403与振荡产生电路300的放大电路303直接电连接，从而通过12v稳压电路直接给opa846放大电路供电，用于输出信号的放大。
[0072]
欠压检测电路500的主要功能是用于检测输入电压即直流24v电压源401的电压是否达到本发明的空间氢原子钟电离源系统的系统工作电压(系统工作电压的范围在17-45v)，欠压检测电路500如果检测到输入电压达不到最低的系统工作电压(即系统工作最低电压要求17v)，欠压检测电路500的欠压指示灯会告警，电离源主控电路100将停止工作以停止一切计算和输出，包括停止正弦波信号的输出和中频信号的读取，此时，中频信号检测电路200将停止检测中频信号，振荡产生电路300因为没有正弦波信号的输入，将保持低电平输出。输入电压达不到最低的系统工作电压，会影响系统工作，进而影响电离效果，甚至有可能会对整个系统产生一定程度的损坏，因此，欠压检测电路500对整个系统来说至关重要。
[0073]
再请参见图6，欠压检测电路500如果检测到输入电压达到最低的系统工作电压，则利用电源系统400实现系统上电时，首先对电离源主控电路100和多通道频率合成器301进行初始化，然后电离源主控电路100的主控芯片开始工作。
[0074]
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。