汞离子微波钟缓冲气体压强稳定和真空密封实验

发布时间：2020-05-25 23:53

【摘要】：采用缓冲气体冷却的汞离子微波钟具有优异的长期稳定度和极低的漂移率,能够实现长期连续运行和小型化,是新一代地面守时和空间应用原子钟的理想选择,在精密测量、天文观测、卫星导航和深空探测等基础科学研究和工程技术领域具有广阔的应用前景。缓冲气体压强变化引起的碰撞频移是制约汞离子微波钟长期稳定度的关键因素。因此,测量评估缓冲气体压强的变化,实现对气体压强的稳定控制,对于评估和改善汞离子微波钟的性能具有重要意义。我们对常用缓冲气体氦气的注入方法、压强监测和精确调控等关键技术进行了系统的研究,实现了缓冲气体压强的长期稳定控制。此外,采用碰撞频移更小的氖气做缓冲气体,并开展了真空密封实验,观测了密封真空系统中氖气和本底气体的长期演化情况。本文主要成果如下:1.实现了氦气压强的精确测量和长期稳定控制。针对现有氦气注入装置特点,全面分析影响氦气注入速率的实验因素,提出一种氦气恒压控制装置。实现了氦气压强的精确测量和长期稳定控制。该方法能够将氦气压强的长期波动控制在0.3%以内,使得氦气碰撞频移对系统长期稳定度的影响小于1×10-15。2.研究了基于吸气泵密封真空中气体的演化规律并建立了基于吸气泵密封真空的小型化原理样机。采用吸气泵实现了密封真空系统的长期、无能耗维持,离子囚禁时间约24小时;密封真空系统中的氖气缓冲气体按照一定的速率衰减,其衰减速率与背景真空系统中的氖气压强有关,真空系统中氖气压强越高则其衰减速率越大,反之则越小。真空系统中的甲烷气体的压强在演化约60天趋于稳定。3.基于该密封真空系统设计的小型化汞离子微波钟实现了闭环锁定,频率稳定度进入10-15量级。
【图文】：

汞离子微波频标是采用离子阱囚禁技术、用１９９Ｈｇ＋作为工作物质、在微波频逡逑段工作的频标，其是利用１９９Ｈｇ＋离子的基态超精细跃迁２Ｓｉ／２邋（Ｆ＝０，邋ｍＦ＝０）到２Ｓｉ／２逡逑（Ｆ＝ｌ，邋ｍＦ＝０）的谱线作为钟跃徖谱线。１９９Ｈｇ＋的能级结构如图１．１所示。１９９Ｈｇ＋逡逑离子的核自旋１＝１／２，基态２Ｓ１／２包含Ｆ＝０和Ｆ＝１两个子能级。因为２Ｇ２Ｈｇ＋离子的逡逑核自旋１＝０，基态没有超精细结构，，并且其基态２Ｓ１／２邋（Ｆ＝ｌ）到第一激发态２Ｐ１／２逡逑的跃迁谱线波长约为１９４．２ｎｍ，与ｌｗＨｇ＋离子２Ｓｍ邋（Ｆ＝ｌ）到第一激发态２Ｐ１／２的跃逡逑迁谱线有重叠部分。因此可以采用２ｆｌ２Ｈｇ＋同位素光谱灯发出的波长为１９４．２ｎｍ谱逡逑线对１９９Ｈｇ＋离子进行光抽运，使其基态离子被抽运到２Ｐ１／２态，处于２Ｐ１／２态的汞逡逑离子经自发福射以一定概率分别回到２Ｓ１／２邋（Ｆ＝０）和２Ｓｍ邋（Ｆ＝ｌ）态。经不断的循逡逑环，最终可以使１９９Ｈｇ＋离子全部布居在２Ｓ１／２邋（Ｆ＝０）态。在实验中观察２Ｐ１／２态自逡逑发辐射回到２Ｓ１／２态的荧光，荧光强度与上能级的离子数成正比。在外加４０．５ＧＨｚ逡逑的微波场的作用下，２Ｓｉ／２（Ｆ＝０）态的离子跃迁到２Ｓｉ／２（Ｆ＝１）态，处于２Ｓｉ／２（Ｆ＝１）逡逑态离子布居数增加重新吸收光谱灯发出的１９４．２ｎｍ谱线跃迁到２Ｐ１／２态

础上演变而来［１５］。线形离子阱是由一组均匀分布在同一个圆周上的杆电极及两逡逑个端帽组成。即四极线形阱是由四根平行排列分布在同一个圆周上的杆电极加上逡逑两个端帽组成，结构如图２．１所示。在平行极杆上加载交变射频电压，在径向方逡逑向囚禁离子，在端帽上施加静电场，在轴向上囚禁离子。逡逑帽电极ｕ逡逑ｒ邋：逦二１邋—逡逑—｜

本文编号：2680935