[发明专利]一种延长磁选态铯束管寿命的方法和磁选态铯原子钟

说明书

本发明公开了一种延长磁选态铯束管寿命的方法和一种磁选态铯原子钟，能够延长现有国产铯束管和磁选态铯原子钟的寿命。本发明通过降低倍增器输出电流的方式延长了其寿命，最终将铯钟的寿命提高一倍以上。同时采用外部电路放大的方式将电子倍增器的输出信号电流恢复到锁频要求，并增加电子倍增器工作电压自动调节功能保证了铯钟性能指标要求。

技术领域

本发明涉及磁选态铯原子钟技术领域，具体涉及一种延长磁选态铯束管寿命的方法和一种可延长寿命的磁选态铯原子钟。

背景技术

小型磁选态铯原子钟作为可搬运的一级频标，在时间频率领域具有重要的地位。在我国，从上世纪六十年代就开始了小型磁选态铯原子钟的研制，然而铯束管的寿命问题直到最近才得到突破，研制出了超过4年长寿命铯束管。尽管如此，对现有无论长寿命还是短寿命的铯束管，进一步延长它们的寿命仍然具有重要意义。

铯束管是铯原子钟的核心部件，由钛泵、铯炉、A磁铁、微波腔、B磁铁、离化丝、电子倍增器等部件构成，这些部件的布局由图1所示。其中钛泵用于维持铯束管的工作真空度，铯炉用于金属铯的储存和加热，A、B磁铁选出所需的态，微波腔用于实现铯原子的跃迁，离化丝将跃迁铯原子离化为铯离子，电子倍增器收集铯离子信号并将该信号放大后输出。铯束管的寿命跟其中的钛泵、离化丝、铯炉和电子倍增器等部件紧密联系，决定于以下因素：

①铯束管真空度变差导致钛泵高压短路；

②离化丝脆断；

③铯炉内的铯金属消耗完毕；

④电子倍增器增益衰减。

近年来由于国内真空技术的发展，因素①和②已经解决，可保证十年以上的寿命。因素③可通过增加金属铯的装载量解决，现在国产铯束管装铯量超过5克，有的甚至高达9克，可保证八到十五年的使用量。因此①②③已经不影响铯束管的寿命。目前影响铯束管寿命的主要因素是电子倍增器的增益衰减，其表现形式是电子倍增器在工作时输出信号电流的持续下降。为了铯钟锁频的需要，信号电流要求在100nA以上。锁频后由于电子倍增器增益值不断衰减，电流值会越来越小，直至20nA时，铯钟将失锁，寿命终了。不同寿命的铯束管下降的速率不同，短寿命的铯束管由100nA降至20nA往往不到两个月，长寿命需要几年的时间。尽管国内近期突破了电子倍增器的寿命问题，但跟其它部件的寿命相比，还是存在着一定的差距，这种差距如果能通过其它技术方法得到弥补，将具有重要的意义。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种延长磁选态铯束管寿命的方法以及一种延长寿命的磁选态铯原子钟，该方案操作简便、原理简单，能够在不影响铯钟性能指标要求的情况下，延长铯束管的寿命，最终将铯钟的寿命提高一倍以上。

为解决上述技术问题，本发明具体方法如下：

一种延长磁选态铯束管寿命的方法，磁选态铯束管和频标电路组成了磁选态铯原子钟；该方法包括：

限定磁选态铯束管中电子倍增器的输出电流为某一设定值I₁；

在频标电路中增加电流放大功能，用于将电子倍增器的输出电流I₁放大至能够实现锁频的电流值I₂；

在频标电路中增加电子倍增器电压自动调节功能，用于监测放大后的电流，当因电子倍增器增益衰减导致放大后的电流降低时，调整电子倍增器的工作电压使放大后的电流升回I₂。

优选地，通过调整电子倍增器的工作电压限定电子倍增器的输出电流。

优选地，根据磁选态铯原子钟对磁选态铯束管最低信噪比的要求，确定输出电流I₁。

优选地，I₂≥100nA。