一种氢原子频标双选态装置的制作方法

本发明涉及一种选态装置，特别是涉及一种氢原子频标双选态装置。

背景技术：

氢原子频标将本地振荡器的频率锁定到氢原子基态|f＝0,mf＝0〉与|f＝1,mf＝0〉的超精细能级跃迁谱线上，使本地振荡器输出一个高稳定度和高准确度的频率信号，现已被广泛应用于守时、定位等领域。双选态装置是氢原子频标的关键部件，其根据处于不同态上的原子先后在两个磁铁中的受力情况以及两个磁铁间原子态反转的过程对|f＝1,mf＝0〉态上的原子进行单态选择。该双选态装置的选态效率和体积直接影响着整钟的性能和体积。

现有技术方案中，普遍采用由两个矩形口径六极选态磁铁和两个选态磁铁之间产生原子态反转的模块进行双选态。准直器出射的原子束包括四种原子态，分别是|f＝0,mf＝0〉、|f＝1,mf＝-1〉、|f＝1,mf＝0〉和|f＝1,mf＝1〉。第一个矩形口径六极选态磁铁会先偏转掉原子束中处于|f＝0,mf＝0〉和|f＝1,mf＝-1〉的原子，然后经原子态反转模块再使原子束中处于|f＝1,mf＝1〉态的原子跃迁至|f＝1,mf＝-1〉，第二个矩形口径六极选态磁铁再偏转掉跃迁之后原子束中处于|f＝1,mf＝-1〉态的原子。但在整个选态过程中，准直器中出射角为零的且处于|f＝1,mf＝-1〉和|f＝0,mf＝0〉态上的原子不受磁场力的作用而无任何偏转地沿着中心轴线运动，即整个装置对准直器中出射角为零的原子无任何选态作用。这些没有受到偏转力作用的原子最终都会进入贮存泡干扰处于|f＝1,mf＝0〉态上的原子的钟跃迁信号质量。此外，六极选态磁铁选态距离较长会导致该双选态装置体积较大，因此该双选态装置不能满足氢原子频标整钟小型化设计的需求。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种氢原子频标双选态装置，以解决现有双选态装置对准直器中出射角为零的原子无任何选态作用和体积较大的问题。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

本发明公开了一种氢原子频标双选态装置，所述双选态装置包括：

依次同轴设置的四极锥形口径选态磁铁、原子态反转模块和六极锥形口径选态磁铁，

所述四极锥形口径选态磁铁，用于对从准直器射出的氢原子进行筛选，以获得基态为|f＝1,mf＝0〉和|f＝1,mf＝1〉的初选氢原子；

所述原子态反转模块，用于将所述初选氢原子中基态为|f＝1,mf＝1〉的氢原子进行跃迁至|f＝1,mf＝-1〉态；

所述六极锥形口径选态磁铁，用于将跃迁至|f＝1,mf＝-1〉态的氢原子筛除，以获得基态为|f＝1,mf＝0〉的单态氢原子。

优选地，所述双选态装置还包括：贮存泡，用于储存基态为|f＝1,mf＝0〉的单态氢原子。

优选地，所述双选态装置还包括：磁屏蔽罩，用于屏蔽所述原子态反转模块外部磁场的干扰，

其中所述屏蔽罩两端设有同轴通孔，所述原子态反转模块设置在所述磁屏蔽罩内部。

优选地，所述原子态反转模块采用绝热快速通过法或majorana跃迁法实现氢原子基态由|f＝1,mf＝1〉至|f＝1,mf＝-1〉的跃迁。

优选地，所述四极锥形口径选态磁铁采用锥形结构，所述四极锥形口径选态磁铁的口径沿准直器发射氢原子方向逐渐增大。

优选地，所述四极锥形口径选态磁铁的长度和所述四极锥形口径选态磁铁的锥度，根据所述四极锥形口径选态磁铁的入口半径、|f＝1,mf＝0〉态原子约半周期的运动轨迹和所需要的最大截获角所确定。

优选地，所述四极锥形口径选态磁铁，对处于基态为|f＝0,mf＝0〉和|f＝1,mf＝-1〉的原子产生沿径向方向的排斥力，以使其偏移出选态磁铁；所述四极锥形口径选态磁铁，对处于基态为|f＝1,mf＝0〉和|f＝1,mf＝1〉的原子产生指向中心轴线的向心力，以使其做近似于周期性运动。

优选地，所述六极锥形口径选态磁铁采用锥形结构，所述六极锥形口径选态磁铁的口径沿准直器发射氢原子方向逐渐增大。

优选地，所述六极锥形口径选态磁铁的出口半径、所述六极锥形口径选态磁铁的入口半径、所述六极锥形口径选态磁铁的长度和所述六极锥形口径选态磁铁的锥度，根据所述四极锥形口径选态磁铁出射的小于半周期运动的原子在所述原子态反转模块中的运动轨迹确定。

优选地，所述六极锥形口径选态磁铁对处于基态为|f＝1,mf＝-1〉的原子产生沿径向方向的排斥力，以使其偏移出选态磁铁；所述六极锥形口径选态磁铁对处于基态为|f＝1,mf＝0〉态上的原子产生指向中心轴线上的向心力，以使其做近似于周期性运动。

本发明的有益效果如下：

本发明所述技术方案中的双选态装置基于四极锥形口径选态磁铁和六极锥形口径选态磁铁：1、四极锥形口径磁铁作为第一个选态磁铁，其聚焦长度小于传统方案中的第一个选态磁铁，可缩小整个双选态装置的体积；2、两个选态磁铁都具有较大的最大截获角，可补偿那些准直器中小角度出射的无法继续完成双选态的原子，使得该装置能够实现与传统双选态装置同等的选态效率；3、准直器中出射角为零的处于|f＝0,mf＝0〉和|f＝1,mf＝-1〉态的原子在第一个选态磁铁中会受到排斥力而被偏移出选态磁铁，使得整个双选态装置对沿中心轴线方向运动的原子具有一定的选态作用；4、该装置原理简单，结构易实现。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出本实施例中一种氢原子频标双选态装置示意图；

图中：1、氢源；2、准直器；3、四极锥形口径选态磁铁；4、原子态反转模块；5、磁屏蔽罩；6、六极锥形口径选态磁铁；7、贮存泡。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

如图1所示，在本发明的一个实施例中提供一种氢原子频标双选态装置，所述双选态装置包括：依次同轴设置的四极锥形口径选态磁铁3、原子态反转模块4和六极锥形口径选态磁铁6。所述四极锥形口径选态磁铁3用于对从准直器2射出的四种原子态分别是|f＝0,mf＝0〉、|f＝1,mf＝-1〉、|f＝1,mf＝0〉和|f＝1,mf＝1〉的氢原子进行筛选，以获得基态为|f＝1,mf＝0〉和|f＝1,mf＝1〉的初选氢原子；所述原子态反转模块4用于将所述初选氢原子中基态为|f＝1,mf＝1〉的氢原子进行跃迁至|f＝1,mf＝-1〉态；所述六极锥形口径选态磁铁6用于将跃迁至|f＝1,mf＝-1〉态的氢原子筛除，以获得基态为|f＝1,mf＝0〉的单态氢原子。针对传统方案中双选态装置的缺陷，我们选用了四极锥形口径选态磁铁3和六极锥形口径选态磁铁6分别作为第一选态磁铁和第二选态磁铁，而原子态反转模块位于两个选态磁铁中间。其中两个选态磁铁的口径都呈锥形，朝准直器射出的氢原子方向，口径逐渐增大，形成一定的锥度，内部磁场会沿着径向和轴向同时变化。

在一个可选的实施例中，所述双选态装置还包括：贮存泡7。所述贮存泡7用于储存基态为|f＝1,mf＝0〉的单态氢原子。所述双选态装置位于氢原子频标中的准直器2之后，所述贮存泡7之前。

在一个可选的实施例中，所述原子态反转模块4采用绝热快速通过法或马约拉纳(majorana)跃迁法实现氢原子基态由|f＝1,mf＝1〉至|f＝1,mf＝-1〉的跃迁。在所述原子态反转模块4依据绝热快速通过法或majorana跃迁法来实现氢原子的基态由|f＝1,mf＝1〉至|f＝1,mf＝-1〉之间的态反转时，需要将所述原子态反转模块4放置在磁屏蔽内以避免外磁场的干扰。优选地，所述双选态装置还包括：磁屏蔽罩5。所述磁屏蔽罩5用于屏蔽外部磁场对所述原子态反转模块的干扰，其中所述屏蔽罩5两端设有同轴通孔，所述原子态反转模块4设置在所述磁屏蔽罩内部。由准直器射出的氢原子经第一选态磁铁后由屏蔽罩一侧的通孔进入，然后经另一侧的通孔飞出。

在本实施例中，基于本实施例中的技术方案，首先分别根据四极锥形口径选态磁铁3的入口半径、|f＝1,mf＝0〉态原子约半周期的运动轨迹和所需要的最大截获角分别确定射出氢原子所经过的四极锥形口径选态磁铁的长度(对应为选态磁铁沿图中虚线方向的长度)和四极锥形口径选态磁铁的锥度(四极锥形口径选态磁铁锥角的角度开设大小)。所述四极锥形口径选态磁铁3采用锥形结构，所述四极锥形口径选态磁铁3的口径沿准直器发射氢原子方向逐渐增大。然后根据四极锥形口径选态磁铁出射的小于半周期运动的原子在原子态反转模块4中运动轨迹分别确定六级锥形口径选态磁铁的出入口半径、长度(对应为选态磁铁沿图中虚线方向的长度)和锥度(六极锥形口径选态磁铁锥角的角度开设大小)。所述六极锥形口径选态磁铁6采用锥形结构，所述六极锥形口径选态磁铁6的口径沿准直器发射氢原子方向逐渐增大。

由于原子的运动轨迹为波浪式，并将最大截获角的原子在磁场区行进约半个波长的距离作为磁铁选态长度，当四极选态磁铁和六极选态磁铁的极间磁感应强度相同时，六极选态磁铁的磁场作用于高能态原子的作用力在径向方向会逐渐减小直至为零，而四极选态磁铁的磁场作用于高能态的原子的作用力始终不变，这就导致四极选态磁铁比六极选态磁铁的向心作用要强，因此其半个波长的距离要短于六极磁选态器，即选态长度相对较短。当原子入射角超过一定值时，进入磁铁的原子带有较大的横向速度会由于磁场偏转力不足导致原子会打到磁铁上或者磁铁外被损失掉。但是该最大截获角与极间半径无关，只与极间磁感应强度有关。对于极间半径逐渐增大的四极选态磁铁或六极选态磁铁来说，当半径增大后，之前会打到磁铁上的原子会由于磁场偏转力随磁铁半径增大而减小的原因向前平缓行进，同时又由于极间半径增大其不会与磁铁壁发生接触。因此这种锥形口径可增大磁铁的最大截获角，提高原子利用率。基于上述四极锥形口径选态磁铁和六极锥形口径选态磁铁的设计方式，使得整体长度大大减少，缩小了双选态装置的体积。

此外，由于六极选态磁场的磁场强度与半径的平方成正比，而原子在选态磁场中所受的偏转力与磁场强度对半径的微分成正比。但六极磁铁的磁场强度对半径的微分在中心轴向上为零，即中心轴向的原子受不到磁场偏转力，也就是六极选态器对中心轴向的原子起不到选态作用。而四极选态磁场的磁场强度与半径成正比，磁场强度对半径的微分在中心轴向上为一不为零的常数，即中心轴向的原子可以受到磁场偏转力，因此采用四极选态器对中心轴向的原子可以起到选态作用。

在使用所述双选态装置之前，先将整个双选态装置安装在氢原子频标内真空系统的准直器与贮存泡之间。经本发明实施例中所述双选态装置进行双选态之后，处于|f＝1,mf＝0〉态上的原子会进入贮存泡内部，最后用于完成由基态|f＝1,mf＝0〉向|f＝0,mf＝0〉的能级跃迁并放出钟信号。

本发明实施例中的双选态装置在工作时，原子的运动主要分为以下三部分：

1)基于氢源1从准直器2出射的原子进入所述四极锥形口径选态磁铁3后，处于|f＝0,mf＝0〉和|f＝1,mf＝-1〉态上的原子会受到沿径向方向的排斥力偏移出选态磁铁，而|f＝1,mf＝0〉和|f＝1,mf＝1〉的原子会受到指向中心轴线(在图中用虚线，即：准直器射出原子的中心轴)的向心力，|f＝1,mf＝0〉和|f＝1,mf＝1〉的原子运动近似于周期运动。相比于现有的矩形口径六极选态磁铁，所述四极锥形口径选态磁铁3能够实现对出射角为零的处于|f＝0,mf＝0〉和|f＝1,mf＝-1〉态上的原子施加一个排斥力将其偏转出选态磁铁。此外利用该四极锥形口径选态磁铁对小于半周期运动的原子进行一定的选态和聚焦，使其选态距离小于传统双选态装置中的第一个选态磁铁(矩形口径六极选态磁铁)，故四极锥形口径选态磁铁作为第一个选态磁铁可缩短整个双选态装置的体积。为避免在运动时大于半周期小角度出射的部分原子有可能会打到原子态反转模块或第二个选态磁铁外部，而无法继续进行双选态，因此我们采用的所述四极锥形口径选态磁铁的口径逐渐增大，小于半周期内运动的原子的径向位置也逐渐增大，使该选态磁铁具有较大的最大截获角。即：我们通过提高所述四极锥形口径选态磁铁的最大截获角补偿了那些无法继续双选态的小角度原子的损失。另外，在该选态磁铁中准直器中出射角为零的处于|f＝0,mf＝0〉和|f＝1,mf＝-1〉态上的原子会受到一定的排斥力被偏移出选态磁铁，即第一个选态磁铁对沿中心轴线方向运动的原子也具有一定的选态作用。

2)经四极锥形口径选态磁铁出射的处于|f＝1,mf＝0〉和|f＝1,mf＝1〉态的原子进入原子态反转模块后，处于|f＝1,mf＝0〉态上的原子态不变，而处于|f＝1,mf＝1〉态上的原子会跃迁至|f＝1,mf＝-1〉态。在该过程中，处于|f＝1,mf＝0〉态上的原子和跃迁至|f＝1,mf＝-1〉态上的原子都会直接穿过所述原子态反转模块，之后进入六级锥形口径选态磁铁。

3)进入六级锥形口径选态磁铁中的处于|f＝1,mf＝-1〉态上的原子会受到沿径向方向的排斥力偏移出选态磁铁，而处于|f＝1,mf＝0〉态上的原子会受到指向中心轴线上的向心力，其运动同样近似于周期性。该选态磁铁也具有一定的聚焦功能，可以将|f＝1,mf＝0〉态上的原子聚于贮存泡内。此外该选态磁铁口径也逐渐增大，也具有较大的最大截获角，可以使第一个选态磁铁中小于半周期运动的原子全部进入贮存泡。最终，整个双选态装置完成单态|f＝1,mf＝0〉的选择。此外六极锥形口径选态磁铁具有较大的截获角使得整体氢原子频标双选态装置的体积进一步减小，实现小型化。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。