一种铯束管磁屏蔽及铯原子钟磁敏感度的优化设计方法与流程

本发明涉及原子频标，具体涉及一种铯束管磁屏蔽及铯原子钟磁敏感度的优化设计方法。

背景技术：

1、铯原子钟是精密的一级时间频率标准计量产品，具有频率准确度好、长期稳定度好、漂移率低、环境适应性强和可靠性高的优点，被用于守时、授时、通信、电力等领域。

2、铯原子钟的物理部分为铯束管，用于产生高稳定鉴频信号。磁屏蔽主要指的是安装在铯束管微波腔外的具有高磁导率的结构件，用于屏蔽微波腔c场区域外磁场，防止干扰c场区域内用于铯原子能级分裂的磁场。铯束管内其余部组件如电子倍增器、荧光收集器也需要考虑磁屏蔽设计。在干扰磁场中，主要涉及：铯束管内的选态器磁场、钛泵磁场和质谱计磁场等，以及铯束管或铯原子钟外部的磁场。此外，磁屏蔽材料的密度较大，且用量多、体积大，占据铯束管中较大比例的重量，对铯原子钟的小型轻量化设计与实现有重要影响。

3、c场区域外部的磁场影响会导致铯原子钟的频率稳定性和准确性变化。铯束管中的磁屏蔽能够将磁场屏蔽掉，从而保证铯原子钟对磁场的低敏感性。保证铯束管内c场区域磁场的均匀性，降低铯束管对磁场的敏感度，可使铯原子钟具有优异的频率输出性能、环境适应性和寿命可靠性。

4、因此，磁屏蔽及磁敏感度的设计计算及优化是必不可少的，对研制高性能守时型铯原子钟来讲相当关键。一方面是涉及铯束管和铯原子钟小型轻量化的设计实现，另一方面还关系到整机的适应性、可靠性和寿命等指标的好坏。目前关于铯原子钟磁屏蔽及磁敏感度的优化设计方法未见报道。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种铯束管磁屏蔽及铯原子钟磁敏感度的优化设计方法，能够用于降低铯原子钟在磁场环境中的敏感性设计，从而确保其在磁场环境下的高精度时间同步和频率输出性能。

2、为达到上述目的，本发明的技术方案包括以下八个步骤：

3、步骤(一)铯束管的管壳的内部中央位置处设置微波腔；管壳内部、微波腔两侧设置态制备器和态检测器。

4、在微波腔与态制备器、态检测器之间设置多层磁屏蔽结构；在态制备器、态检测器与管壳之间设置多层磁屏蔽结构。

5、确定每个屏蔽层的参数初始值。

6、步骤(二)根据磁屏蔽设计与磁屏蔽效能之间关系，得出每层磁屏蔽结构的磁屏蔽效能设计值、磁屏蔽内空间的磁场设计值以及总的磁屏蔽效能设计值；

7、步骤(三)根据总的磁屏蔽效能值与c场区域内剩磁之间关系，得出铯原子钟铯束管微波腔c场区域内的剩余磁场设计值。

8、步骤(四)根据铯原子钟磁敏感度与磁场之间的关系，得出铯原子钟磁敏感度设计值。

9、步骤(五)以铯原子钟磁敏感度要求值及铯原子钟使用环境的磁场要求值为依据，根据铯原子钟磁敏感度与磁场之间的关系，得出铯原子钟铯束管微波腔c场区域内的剩余磁场设计值。

10、步骤(六)判断铯原子钟磁敏感度设计值与要求值之间的大小；当铯原子钟磁敏感度的设计值小于或等于要求值时，说明磁屏蔽设计满足铯原子钟磁敏感度的要求，否则重新步骤(一)至(六)，直到磁屏蔽设计满足铯原子钟磁敏感度的要求为止。

11、步骤(七)根据步骤(六)中磁屏蔽设计满足铯原子钟磁敏感度的要求的结果，步骤(二)中结果，以态制备器和态检测器所在区域磁场的要求值为依据，判断态制备器和态检测器所在区域内磁场的设计值与要求值之间的大小；当态制备器和态检测器所在区域内磁场的设计值小于等于对应要求值时，则磁屏蔽设计满足态制备器和态检测器的磁场要求，否则重新步骤(一)至(七)，直到磁屏蔽设计满足态制备器和态检测器的磁场要求为止。

12、步骤(八)根据步骤(七)中磁屏蔽设计满足态制备器和态检测器的磁场要求的结果，对磁屏蔽设计开展磁屏蔽及磁敏感度的优化设计，通过改变磁屏蔽参数进行参数迭代优化，根据步骤(一)至步骤(七)，并结合铯束管或铯原子钟的其他设计要求，确定得出一组优化后的磁屏蔽参数设计值作为最终的磁屏蔽参数设计值。

13、进一步地，总的磁屏蔽效能设计值为g：

14、

15、其中：g为总的磁屏蔽效能；m为磁屏蔽层的总层数；h0为最外层磁屏蔽层外部的环境磁场大小；hm为最内层磁屏蔽层内部空间的磁场大小，gi为第i层磁屏蔽层的磁屏蔽效能，且：

16、

17、其中hi0为第i层磁屏蔽层外部的磁场大小；hi2为第i层磁屏蔽层内空间的磁场大小；μi1为第i层磁屏蔽层的相对磁导率；μi2为第i层磁屏蔽层内空间材料的相对磁导率；li1为第i层磁屏蔽层的长度；li2为第i层磁屏蔽层内空间长度；si1为第i层磁屏蔽层等效圆截面积；si2为第i层磁屏蔽层内空间的等效圆截面积。

18、进一步地，对于外形尺寸为ai1×bi1×ci1长宽高、内形尺寸为ai2×bi2×ci2的矩形盒的磁屏蔽结构，计算等效截直径di1和di2时是将外磁场h0垂直的截面作圆面等效处理；同时，外磁场h0的方向与li1、li2方向平行，与si1、si2截面垂直，故可根据磁屏蔽与外磁场h0的位置，则li1、li2、di1和di2的取值相应计算公式为

19、1)外磁场h0平行ai1、ai2，即垂直截面bi1×ci1、bi2×ci2：li1＝ai1，li2＝ai2；

20、2)外磁场h0平行bi1、bi2，即垂直截面ai1×ci1、ai2×ci2：li1＝bi1，li2＝bi2；

21、3)外磁场h0平行ci1、ci2，即垂直截面ai1×bi1、ai2×bi2：li1＝ci1，li2＝ci2。

22、进一步地，对于外形尺寸为φdi1×ci1，内形尺寸为φdi2×ci2圆柱形磁屏蔽筒，φdi1为圆柱形磁屏蔽筒的外直径，ci1为圆柱形磁屏蔽筒的外高，φdi2为圆柱形磁屏蔽筒的内直径，ci2为圆柱形磁屏蔽筒的内高；当h0分别平行筒轴向和径向时，对应li1、li2、di1和di2的取值；计算公式为：

23、1)外磁场h0平行筒轴向：li1＝ci1，li2＝ci2，di1＝di1，di2＝di2；

24、2)外磁场h0平行筒径向：li1＝di1，li2＝di2，

25、进一步地，铯原子钟磁敏感度与磁场之间的关系，具体为：

26、当铯原子钟外部环境磁场为h0时，铯原子钟磁敏感度与磁场之间的关系为：

27、

28、其中hc为c场磁场大小，c场是使得铯原子能级产生分裂的恒定磁场；δν为跃迁频率的变化量；ν0为跃迁频率；hm为c场区域内剩余磁场大小；cz是磁致频移常数。

29、有益效果：

30、本发明提供了一种铯束管磁屏蔽及铯原子钟磁敏感度的优化设计方法，通过建立铯束管磁屏蔽结构参数与铯原子钟磁敏感度之间的量化关系式，能够方便的设计由磁屏蔽筒和磁屏蔽盒构成的复杂磁屏蔽系统的磁屏蔽效能和内部磁场大小，为磁屏蔽和磁敏感度的优化设计提供了理论基础，从而为效地防止外部磁场对铯原子钟频率输出性能的影响提供了改进措施。其物理意义明确，计算方法简单，通用性强，适用性广，可用于铯原子钟的小型轻量化设计及提高铯原子钟在复杂环境中的性能、可靠性、适应性和寿命等技术指标。