铷原子频标物理部分改进

【关 键 字】 铷原子频标  物理部分  磁控管微波腔  谐振频率  TE011
【摘    要】 本文对星载铷原子频标物理部分进行技术改进。改善磁控管微波腔的结构,使信噪比得到了提高;优化了物理部分光路系统,使光电探测信号强度提高了25%。此外,通过Ansoft HFSS仿真软件建立了微波腔的模型,对腔内场型分布和谐振频率进行了仿真,数字仿真和性能测试显示这种微波腔的谐振模式为TE011模式,且拥有较大的质量因子。最后,对改进后的铷原子频标系统进行了初步测试,发现短期稳定度达到了6.0×10-13τ-1/2(τ为取样时间)。研究结果表明,改进后的物理部分满足铷原子频标的研制需求,适合应用于高性能的星载铷原子频标。
频率稳定度是原子频标最重要的性能指标之一,提高铷原子频标性能指标关键是提高频率稳定度。铷原子频标由物理部分和电路部分组成,物理部分是核心部分。铷原子频标的频率稳定度主要取决于物理部分的信噪比,为提高信噪比,可降低物理部分噪声或增大物理部分原子跃迁信号强度[1]。降低物理部分噪声可通过光学滤光的方法实现[2],即在铷光谱灯和滤光泡之间增加带通滤光片可有效滤除铷光谱中对抽运不起作用的噪声光谱[3]。研究表明增大吸收泡体积可提高原子跃迁信号强度[4]。本文对物理部分腔泡系统和光路系统进行研究,设计一种新型微波腔对光路系统进行优化,再通过Ansoft HFSS仿真软件建立微波腔的模型对腔内场型分布和谐振频率进行仿真,最后对改进后的铷原子频标系统性能进行初步测试。
 
1 微波腔的设计
 
1.1 微波腔的设计需求
 
微波腔是具有储能与选频特性的微波元件,是微波场与原子相互作用的区域,腔的结构和内部微波场模式对微波与原子相互作用的效果会产生显著影响。要增大原子跃迁信号强度,就要尽可能增加参与0-0跃迁的原子个数[5]。参与0-0跃迁的原子个数取决于以下几个因素:
 
1) 微波场的模式要有利于激发0-0跃迁。根据量子力学原理,要激发0-0跃迁,微波场磁力线方向要与C场平行,一般C场方向就是微波腔轴向。所以,微波场磁力线方向应沿微波腔的轴向。
 
2) 微波腔中抽运光-原子作用区和微波-原子作用区尽可能重合。抽运光照区域一般处在腔中轴附近,微波腔内的磁场方向沿中轴密集分布才能保证吸收泡中的87Rb原子与抽运光和微波场相互作用,激发0-0跃迁。抽运光-原子作用区和微波-原子作用区越大,参与共振跃迁的原子越多,信号越强。
 
3) 微波腔的质量因子要大。质量因子反映微波腔在谐振时储存能量与损失能量的比值,质量因子越大,微波腔损失的能量越少,信噪比越高,同时外部提供给微波腔的激励功率越小。
 
铷原子频标常见的微波腔为圆柱形TE011腔和TE111腔[6],TE011腔中轴附近沿轴向分布的磁力线密集,具有较高的质量因子,缺点是体积较大;TE111腔沿轴向分布的磁力线大部分在墙壁附近,中轴附近轴向分布较少,质量因子较小,优点是体积较小。磁控管微波腔[7]具有类似TE011的模式,谐振频率与腔的长度无关,体积可设计得非常小,且质量因子非常大,所以磁控管微波腔是最佳选择。
 
1.2 微波腔的理论分析
 
本文使用的吸收泡直径为25 mm,为符合吸收泡的安装尺寸和满足6.835 GHz的谐振频率,需在结构上对磁控管微波腔进行全新设计。磁控管微波腔结构为:半径为R、长为H的金属圆柱筒包围着n个长度为h、半径为r的同轴金属极片,极片的厚度为w,极片之间的间隙宽度为t。本文选择8个极片微波腔进行设计,结构如图1所示。
 
 
图1 磁控管微波腔的结构
Fig.1 Structure of magnetron microwave cavity
这类腔的结构实质上是一感容结构[8],微波腔可看作两部分,环看作电感部分,间隙看作电容部分,电感、电容在空间上是分开的。磁场处在环中而电场处在间隙中。电容L、电感C[9]为:
 
 
C=ε0wh/nt
 
(1)
 
微波腔谐振频率f为:
 
 
(2)
 
其中,μ0和ε0分别为真空磁导率和介电常数。
 
由式(2)可看出,磁控管微波腔的谐振频率与电极长度h无关,改变电极半径r、间隙宽度t和极片厚度w可改变电感和电容,从而达到改变磁控管微波腔谐振频率的目的。
 
当考虑到同轴腔的屏蔽效应和间隙的边缘场效应后,修正后的磁控管微波腔谐振频率的半经验公式[10]为:
 
 
 
(3)
 
考虑到微波腔加载介质后谐振频率会小于空载时的谐振频率,为使加载吸收泡后微波腔谐振频率达到铷原子频标需要的6.835 GHz,在确定式(3)中各项参数时,选择谐振频率在7~8 GHz之间的结构参数。
 
通过数值计算可确定8个极片微波腔谐振频率在7~8 GHz之间的的结构参数,由于吸收泡直径为25 mm,可先确定r为13 mm左右,R为18 mm左右,最后通过极片厚度和间隙宽度在小范围内对谐振频率进行调整。谐振频率随间隙宽度变化的曲线如图2所示。从图2可看出,谐振频率随间隙宽度的增大而增大,当间隙宽度为2~4 mm时,能满足谐振频率为7~8 GHz的范围。
 
 
图2 谐振频率随间隙宽度变化的曲线
Fig.2 Curve of resonance frequency change 
with gap width
1.3 微波腔的仿真分析
 
在Ansoft HFSS仿真软件上采用本征模式对微波腔进行建模,结构材料选用硬铝,边界设定为有限传导壁,迭代次数为6,迭代频差为0.02%,计算15个工作模式。磁控管腔半径为18 mm,极片半径为13.7 mm,极片厚2 mm,极片数为8,极片长22 mm,腔长38 mm。改变极片之间的间隙宽度可调整谐振频率,仿真和计算得出不同间隙尺寸下的谐振频率列于表1。
 
表1 磁控管微波腔不同间隙宽度下
谐振频率的计算与仿真结果
Table 1 Calculated and simulated results
of resonance frequency for magnetron microwave cavity
with different gap widths
 
从表1可看出,谐振频率仿真值与理论计算值符合很好,相对偏差在5%以内,频率随间隙宽度的增大而增大。通过仿真,可得出磁控管微波腔内微波场分布,电场和磁场分布如图3、4所示。
 
 
图3 磁控管微波腔电场分布
Fig.3 Electric field distribution 
of magnetron microwave cavity
通过图3可看出,电场主要集中分布在极片之间的间隙中,电场方向垂直于极片端面,极片两个端面类似于一平行板电容器。通过图4可看出,环形极片内部中间区域,磁力线严格按z轴分布,中轴附近磁力线分布最密集,且磁场强度最大,这种分布特性完全符合TE011模式的场型分布,中轴附近的磁场非常有利于激发0-0跃迁。
 
 
图4 磁控管微波腔y-z平面磁场分布
Fig.4 Magnetic field distribution 
of magnetron microwave cavity on y-z plane
2 物理部分光路优化设计
 
为满足直径为25 mm的吸收泡的安装要求,对磁控管微波腔结构进行了重新设计,微波腔极片数增加到8,微波腔工作在TE011模式,腔内中轴附近轴向磁场分布密集,且强度很大,这样导致微波-原子作用区变大。由于吸收泡中的87Rb原子要与抽运光和微波两种电磁场相互作用才能发生共振跃迁,所以,在增加微波-原子作用区的同时还要相应增加抽运光-原子作用区,通过光路优化可增加抽运光-原子作用区。光路优化的原理如图5所示。
 
 
图5 物理部分光路系统原理图
Fig.5 Schematic diagram of optical path 
optimization for physics package
在光路系统中需安装两个透镜,透镜1安装在铷灯泡和滤光片之间,透镜2安装在吸收泡和光电探测器之间。透镜1和透镜2分别对光束进行扩散和汇聚,透镜1收集铷灯泡发出的散射光并转化为较大光斑的平行光束,透镜2把经过吸收泡的平行光转化为较小光斑的光束,汇聚到光电探测器上。
 
这种设计可在不改变原有光电探测器面积的基础上,通过透镜的扩散和汇聚的作用,让更多的抽运光通过吸收泡,使更多的87Rb原子在抽运光作用下由基态跃迁到激发态。
 
3 性能测试
 
3.1 微波腔性能测试
 
根据理论计算和仿真计算,对磁控管微波腔完成了机械加工。通过矢量网络分析仪进行测试,发现微波腔加载吸收泡后腔频容易调节到6.835 GHz附近,测试获得了磁控管微波腔的谐振频率和质量因子。图6为磁控管微波腔加载吸收泡后的测试结果。
 
 
图6 磁控管微波腔性能测试
Fig.6 Performance test 
of magnetron microwave cavity
从图6可看出,改进后的8极片微波腔加载吸收泡后谐振频率为6.835 GHz左右,谐振频率稳定,满足铷原子共振吸收的频率要求,此外,改进的微波腔还具有更高的质量因子,达到了1 261,可满足铷原子频标的研制需求。
 
3.2 光路优化性能测试
 
通过实验测试发现,在物理部分光路系统上增加透镜后,光电探测器检测到的信号由128 mV增加到160 mV,增幅达25%。
 
3.3 频率稳定度测试
 
对物理部分的光路系统和腔泡系统进行优化设计后,装配了一台改进型物理部分,结合电路部分进行了初步测试,参考频率源采用主动氢钟iMaser3000,其稳定度<2×10-13τ-1/2(τ为取样时间),频率测量采用VCH-314比对仪,取样时间间隔为1 s,频率稳定度测试结果如图7所示。
 
 
图7 频率稳定度测试结果
Fig.7 Test result of frequency stability
由于腔泡系统外面的加热组件、保温组件和磁屏蔽组件和新型微波腔没有配套齐全,导致测试过程中环境对物理部分影响较大,因此本文初步测试短期稳定度。如图7所示,1~100 s稳定度基本呈线性分布,较好地符合6.0×10-13τ-1/2,1、10、100 s的稳定度分别为5.94×10-13、1.80×10-13、6.27×10-14,改进后的铷原子频标稳定度在现有指标的基础上有了较大提高,说明对物理部分光路系统和腔泡系统的改进是有效的。
 
4 结论
 
通过分析发现,提高铷原子频标稳定度的关键是提高物理部分原子跃迁信号强度,优化光路系统和磁控管微波腔结构可增大抽运光-原子作用区和微波-原子作用区,达到增强原子跃迁信号强度的目的。光路优化后,光电探测器检测的信号强度增加了25%;为满足直径为25 mm的吸收泡安装要求,对磁控管微波腔进行了重新设计,通过仿真发现8个极片的磁控管微波腔工作在TE011模式,具有较大的质量因子,腔内磁场沿轴向分布,且在中轴附近分布密集,这样导致吸收泡中更多的87Rb原子发生原子共振跃迁,产生更大的信号强度。最后通过测试发现,改进后的铷原子频标稳定度达6.0×10-13τ-1/2。研究结果表明,改进后的物理部分满足铷原子频标的研制需求,适合应用于高性能的星载铷原子频标。
 
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Improvement of Physics Package for Rubidium Atomic Frequency Standard
 
CHEN Rong-bo, CUI Jing-zhong, LIANG Yao-ting,ZHANG Jin-hai, TU Jian-hui, YANG Wei
 
(Lanzhou Institute of Physics, China Academy of Space Technology, Lanzhou 730000, China)
 
Abstract: Some technological improvements were carried out in physics package for rubidium atomic frequency standard. The structure optimization of magnetron microwave cavity improved the signal to noise ratio. The optical path was optimized, and the signal intensity on the photo detector increased by 25%. Besides, a model of magnetron microwave cavity was established using Ansoft HFSS software. The field distribution and resonance frequency were simulated. The numerical simulation and performance test indicate that the modified magnetron cavity operates at TE(011) mode and has a high quality factor. A preliminary test on the modified rubidium atomic frequency standard was carried out, and the high performance of physics package was validated by achieved an excellent short-term stability as low as 6.0×10(-13)τ(-1/2)(τ  is sampling time). The achieved experimental results show that the modified magnetron microwave cavity can meet the requirement for rubidium atomic frequency standard, and is suitable for application in high performance space rubidium atomic frequency standard.
 
Key words:rubidium atomic frequency standard; physics package; magnetron microwave cavity; resonance frequency; TE(011)
 
doi:10.7538/yzk.2016.50.02.0380
 
中图分类号:TM935.11
 
 文献标志码:A
 
文章编号:1000-6931(2016)02-0380-05
 
作者简介:陈溶波(1981—),男,湖北天门人,工程师,博士研究生,从事原子频标技术研究
 
基金项目:“十二五”新建可靠性增长项目资助(WB0547820)
 
收稿日期:2015-01-25;修回日期:2015-05-22


【作者机构】 中国空间技术研究院兰州空间技术物理研究所
【来    源】 《原子能科学技术》 2016年第2期P380-384页

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