[发明专利]一种用于氢频标的高效束光学系统

说明书

技术领域

本发明涉及导航技术领域，特别涉及一种用于氢频标的高效束光学系统。

背景技术

氢频标是一种频率标准，在时间频率领域占有重要地位，在国家安全与经济运行中有大量的应用。它是我国守时实验室的主要设备，也是我国北斗卫星导航定位系统中的备选星载原子钟。

氢原子频标是使用氢原子的超精细能级转变来实现时间频率的精确计量。氢原子具有四个超精细能级。在常态下，电子占据在这四个超精细能级的几率相等。如果电子没有高、低能级上的布居数差，氢频标无法实现振荡跃迁。要实现电子高、低能级上的布居数差，一般使用磁选态的方法。在氢频标中，氢原子经过准直器后进入束光学选态系统，经过梯度磁场后，高、低能态的氢原子被分离，实现了高、低能级上的布居数差，高能态的氢原子进入贮存泡和微波腔，发生微波相干跃迁。束光学系统直接影响着氢原子的选态效率，并决定着微波腔跃迁增益。

氢频标是以氢原子内部两能级量子跃迁的稳定频率为参考。在束光学系统中，氢原子被选态后实现高、低能级的原子分离，进而使高能态的氢原子进入微波腔参与跃迁。束光学系统是氢频标性能提高的前提和基础，高效率的氢频标束光学选态系统可以有效降低微波腔内氢原子间的自旋交换作用，提高氢频标的频标稳定度和准确度；可以减少氢原子的消耗量，提高氢频标的使用寿命，降低氢频标的功率。

美国哈佛大学和Smithsonian天体物理天文台研制的氢频标采用了单选态系统[E.M.Mattison，R.F.C.Vessot，S.Wei，Single-state selection system forhydrogen masers，IEEE，40^th annual frequency control symposium，422-427，1986]，这种束光学系统只适用大型实验室氢频标，其束光学系统复杂而冗长，不适合我国目前研制的小型氢频标和星载氢频标的要求。美国人Peters发明了一种磁选态器(US4381490，Magnetic state selector，1981)，可以通过微调磁尖间距离，达到需要的选态尺寸，但该方案调节复杂繁琐，费时费力。当今，机械制造技术高度发展，选态器制作的对称性已经很精确，不需要进行微细调节。法国研制的氢频标束光学增加了绝热快速通道区，也可以使选态器的选态效率提高[C.Audoin，M.Desaintfuscien，P.Petit，J.P.Schermann，Design of a doublefocalization in a hydrogen maser，IEEE Transactions on instrumentation andmeasurement，Vol.IM-17，351-353，1968]，但这种束光学系统也只针对大型实验室氢频标，结构复杂，可靠性低。日本无线电研究实验室的束光学聚焦系统中，在两选态磁铁中间加入了一个螺线管线圈，利用Majorana效应实现原子态反转，也可以提高选态效率，其缺点是结构不稳定，也不利于在移动或星载氢频标中使用[S.Urabe，K.Nakagiri，Y.Ohta，M.Kobayashi，Y.Saburi，Majorana effecton atomic frequency standards，IEEE Transactions on instrumentation andmeasurement，Vol.IM-29，304-310，1980]，[S.Urabe，Y.Ohta，Y.Saburi，Improvement in a hydrogen maser by a new state selection，IEEE Transactions oninstrumentation and measurement，Vol IM-33，117-121，1984]。

当氢频标在实验室静态环境下使用时，可以使用以上发明或报道的相关束光学系统，但当氢频标在机动、星载、或空间站中应用时，则强调其可靠性和小型化，需要根据实际环境设计结构简单可靠、选态效率高的束光学系统。

目前，非常需要一种结构简单、可靠性好且选态效率高的用于氢频标的束光学系统。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于氢频标的高效束光学系统。

本发明提供的用于氢频标的高效束光学系统包括磁屏蔽层、微波腔、储存泡、导流管、真空腔、选态器、准直器和氢原子源。