譜燈光抽運(yùn)被動(dòng)型銣原子鐘具有長(zhǎng)壽命、極低的隨機(jī)頻率漂移噪聲和較好的短、中期穩(wěn)定度等顯著的優(yōu)點(diǎn),在衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。但是這種銣原子鐘的準(zhǔn)確度和長(zhǎng)期穩(wěn)定度較差,已經(jīng)不能滿(mǎn)足新一代導(dǎo)航定位系統(tǒng)的要求。離子阱汞離子微波（Hg⁺）鐘已經(jīng)達(dá)到了主動(dòng)型氫原子鐘的性能指標(biāo),與傳統(tǒng)銣原子鐘相比,具有更加廣泛的應(yīng)用前景。銣原子鐘和汞離子微波鐘有許多相同點(diǎn)和不同點(diǎn),對(duì)兩者差異性進(jìn)行分析可以借鑒現(xiàn)有銣原子鐘的研究,加深對(duì)汞離子微波鐘工作過(guò)程的認(rèn)識(shí)。本文對(duì)兩者的原理和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了比較分析,對(duì)汞離子微波鐘的發(fā)展具有一定的借鑒作用。 

【文章來(lái)源】：真空與低溫. 2020,26(02)

【文章頁(yè)數(shù)】：6 頁(yè)

【部分圖文】：

被動(dòng)型原子鐘工作原理示意圖

在穩(wěn)態(tài)下，原子或離子中電子的能態(tài)分布為波耳茲曼分布。特征為低能級(jí)上的電子數(shù)多于高能級(jí)上的電子數(shù)，因此，在穩(wěn)態(tài)下無(wú)法檢測(cè)到有用的能級(jí)間能量差信號(hào)，若兩者能量差較小（如微波頻率段），電子數(shù)差別會(huì)微乎其微。為獲取電子能級(jí)之間的能量差（與頻率相關(guān)）信息，必須首先實(shí)現(xiàn)電子分布數(shù)目的翻轉(zhuǎn)，使得兩個(gè)基態(tài)超精細(xì)能級(jí)間的電子數(shù)目具有很大的差距，常用的方法有光抽運(yùn)和磁選態(tài)兩種。銣原子鐘和汞離子微波鐘均采用光抽運(yùn)的方法。在光抽運(yùn)中，光源可以是激光器或譜燈。譜燈光抽運(yùn)需要利用同位素能級(jí)光譜線(xiàn)交疊的特性，銣原子鐘為87Rb/85Rb，汞離子微波鐘為199Hg+/202Hg和201Hg+/198Hg組合[5]。目前，汞離子微波鐘常用的組合為199Hg+/202Hg，其光抽運(yùn)效率稍低于201Hg+/198Hg，能級(jí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，如圖2所示。由202Hg光譜燈發(fā)出的波長(zhǎng)為194.2 nm的紫外光，經(jīng)過(guò)匯聚或反射聚焦到囚禁在四極阱（或其他形式的離子阱，如Paul阱等）中的線(xiàn)性199Hg+離子云上，引起受激躍遷，使電子從F=1能級(jí)躍遷到激發(fā)態(tài)2P1/2上。在激發(fā)態(tài)自發(fā)輻射躍遷到基態(tài)的過(guò)程中，電子可以躍遷到F=1和F=0兩個(gè)能級(jí)上。由于躍遷到F=0能級(jí)上的概率大于躍遷到F=1能級(jí)上的概率，因此，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后大部分電子被抽運(yùn)到F=0的能級(jí)上，形成遠(yuǎn)離平衡態(tài)的電子數(shù)分布，199Hg+不再吸收或發(fā)射與抽運(yùn)光波長(zhǎng)相同的光，也不再發(fā)射相關(guān)的熒光。這時(shí)施加相應(yīng)于基態(tài)超精細(xì)能級(jí)能量差的微波場(chǎng)（頻率約為40.5 GHz）可實(shí)現(xiàn)F=1到F=0的躍遷，使超精細(xì)能級(jí)電子數(shù)均勻化，又可以激活這一光吸收或發(fā)射過(guò)程，也就是利用光過(guò)程反映微波躍遷過(guò)程，大幅提高了檢測(cè)靈敏度，稱(chēng)為光檢測(cè)。汞離子微波鐘檢測(cè)的是熒光[6]，銣原子鐘檢測(cè)的是透射光。利用該光信號(hào)將輸出的晶振頻率鎖定在原子躍遷的微波頻率上。

汞離子微波鐘的光譜燈采用的發(fā)光原理與銣光譜燈相同，屬于無(wú)極放電方式。其工作介質(zhì)為202Hg同位素，緩沖氣體為Ar，為實(shí)現(xiàn)離子阱中離子云的均勻照射，形狀以柱狀為宜。為達(dá)到有效光抽運(yùn)效果，汞離子微波鐘光譜燈的功率要比銣原子鐘光譜燈的功率高一個(gè)數(shù)量級(jí)，一般汞離子微波鐘光譜燈功率為10 W以上（銣光譜燈功率為1～2 W），汞離子微波鐘工作波段為真空紫外光（波長(zhǎng)為194.2nm）。因此對(duì)光譜燈的材質(zhì)和熱設(shè)計(jì)等都有很高的要求。除了光譜燈材質(zhì)和熱設(shè)計(jì)外，重金屬、紫外線(xiàn)、臭氧防護(hù)都是需要考慮的因素。工作介質(zhì)與泡壁的化學(xué)反應(yīng)并在其間擴(kuò)散會(huì)影響燈的壽命，須要用有特殊涂層的透真空紫外光（VUV）石英玻璃或者藍(lán)寶石基材解決上述問(wèn)題。為提高信噪比，降低雜散光的影響（中性汞原子對(duì)應(yīng)深紫外光（DUV），波長(zhǎng)為254 nm），需要波長(zhǎng)選擇性薄膜來(lái)提高真空紫外光和深紫外光的比值。圖4為長(zhǎng)壽命汞燈和無(wú)涂層汞燈的對(duì)比[10]。在相同工作條件下，無(wú)涂層汞燈的玻璃變?yōu)椴枭L(zhǎng)壽命汞燈無(wú)明顯顏色變化。透過(guò)率隨時(shí)間的衰變也有明顯差別，長(zhǎng)壽命汞燈（圖中藍(lán)線(xiàn)）光透過(guò)率衰減比普通汞燈（圖中綠線(xiàn)）明顯降低，壽命顯著延長(zhǎng)。光譜燈對(duì)于汞離子微波鐘的重要性不言而喻，光譜燈技術(shù)也一直在不斷改進(jìn)和優(yōu)化[11-12]，目的是開(kāi)發(fā)出光譜純凈、壽命足夠長(zhǎng)、功耗低、能夠適應(yīng)真空環(huán)境的汞燈以滿(mǎn)足長(zhǎng)壽命和高可靠的要求。2.2 真空技術(shù)


本文編號(hào)：3301835