[发明专利]一种氢原子频标

说明书

本发明提出了一种氢原子频标，包括至少一组阵列单元以及电源，各个阵列单元之间互相独立，所述每组阵列单元包括：用以向所述氢原子频标提供氢并回收氢的氢源装置；用以电离氢气为氢原子使其具有高能态量子跃迁的电离源装置；用以对量子跃迁信号进行谐振耦合的信号探询装置；所述氢源装置向电离源装置输出氢气，所述电离源装置对氢气电离使氢等离子体流喷射向信号探询装置，在所述氢源装置内设有氢回收装置用以从所述信号探询装置回收氢，所述电源向所述氢原子频标供电。本发明从物理实现机制上，从氢源的释放和吸收，电离的氢等离子体中有效活性原子分布以及原子复合等情况综合分析考虑，同时采用MEMS技术实现多阵元级联式制造技术，提高原子频标的系统集成度和可靠性。

技术领域

本发明涉及原子频标领域，具体涉及一种氢原子频标。

背景技术

时间(或频率)是基本物理量之一。试验证明，微观量子态的跃迁有稳定不变的周期性的信号，从而一种作为时间或频率计量的标准，即以原子微观运动的量子跃迁作为时间频率标准—量子频标(原子钟)。

传统氢原子频标不管是主动型还是被动型，原理结构都相对比较复杂，这主要是由氢是以何种分子态存在决定的，不易直接得到纯净的跃迁频谱。世界范围内氢原子钟应用的广泛性和普及型，原因就是氢钟的优良特性和成熟度高。但是氢原子钟的体积和重量功耗以及复杂系统传统复杂工艺带来的不可靠性限制了其应用范围，而相对于铷钟、铯钟，在工艺技术和原理方法上的改进设计，在CPT、激光、冷原子技术等方面的不断改进发展，氢钟的小型化设计改进发展响度比较保守和单一，仅仅是从传统的微波谐振腔的小型化改进入手，这种改进带来的性能局限就是谐振品质迅速下降，Q值从主动型氢钟的40000直接下降到6000，继续缩小后Q值下降到不能满足谐振要求。Q值的下降，直接带来性能指标的下降，被动型比主动型性能指标下降一个数量级以上。简单的说，从主动型到被动型，以及从被动型到小型化被动型及目前研究的超小型被动型，只是从尺寸大小的角度去改进，没有从物理特性的角度出发，进行物理实现体制上进行设计改进。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种氢原子频标。本发明提供的一种氢原子频标，将原有的氢瓶开环系统设计为闭合循环系统，使氢气循环利用，实现了氢源的闭环微系统，解决传统开放式原子制备系统效率不高的缺点，促使氢原子频标实现芯片级体积；对氢气的电离效率高，降低了对外部环境的要求；实现高Q值、大功率容量、高换能效率、小温度系数，替代传统氢原子频标微波谐振腔和微波耦合环，对跃迁信号进行谐振耦合探测。

本发明采用的技术方案如下：

一种氢原子频标，包括至少一组阵列单元以及电源，各个阵列单元之间互相独立，所述每组阵列单元包括：

用以向所述氢原子频标提供氢并回收氢的氢源装置；

用以电离氢气为氢原子使其具有高能态量子跃迁的电离源装置；

用以对量子跃迁信号进行谐振耦合的信号探询装置；

所述氢源装置向电离源装置输出氢气，所述电离源装置对氢气电离使氢等离子体流喷射向信号探询装置，在所述氢源装置内设有氢回收装置用以从所述信号探询装置回收氢，所述电源向所述氢原子频标供电。每组阵列单元之间功能相互独立，一个损坏，不影响其他的使用。

上述的一种氢原子频标，其中，所述氢源装置包括氢源硅基腔以及在中压状态下封装在氢源硅基腔中储氢材料，所述氢源硅基腔上设有向电离源装置输送氢源的出口，所述氢源硅基腔上设有从氢原子频标回收氢的入口，所述储氢材料为在过饱和氢气环境中吸附氢后的储氢材料，所述氢源硅基腔的入口处设有压差改变装置，在所述氢源硅基腔入口处，所述压差改变装置使氢源硅基腔内部的压强小于氢源硅基腔外部的压强，所述氢回收装置包括压差改变装置。

上述的一种氢原子频标，其中，所述储氢材料包括非晶合金储氢材料和/或晶体合金储氢材料。