小型铯原子钟微波腔调谐过程的仿真研究

通过建立模型,利用Ansoft HFSS 12.0对小型铯原子钟内微波腔的调谐过程进行了仿真,得到了调谐棒半径、在调配器内长度与微波腔谐振频率之间的关系曲线。结果表明,调谐棒半径一定时,调谐棒长度在一定范围内,微波腔谐振频率随着长度的增加逐渐下降;随着半径的增大,微波腔谐振频率的变化范围逐渐增大,在铯原子跃迁中心频率处,调谐棒长度对微波腔谐振频率的影响变大。根据仿真结果,给出了调谐棒半径的取值范围,为微波腔的设计、加工和调谐提供了理论指导。

磁选态铯钟内辐射频移及其对准确度的影响

对磁选态铯原子频标中存在的各种辐射频移进行了研究,包括Bloch-Siegert效应,微波频谱不纯及调制影响,Stark效应与黑体辐射以及Majorana跃迁的影响。同时分析了产生各种频移的物理原因,估算了各种频移及其不确定度的大小,分析了它们对频标准确度的影响,提出了减小各种频移和误差以提高频标准确度的方法。

小型磁选态铯原子钟产品化进展

本文介绍了磁选态铯原子钟产品化进展情况,包括人们广泛关注的产品的性能指标测试、可靠性保证及寿命评估等,提出了铯束管采用单束束光学和电路采用了数字化技术是实现性能指标的基本保证;给出了产品化初期出现的一些故障现象及解决措施,以及为进一步提高可靠性开展的环境适应性试验;并讨论了电子倍增器寿命评估方法,提出寿命评估公式,对铯钟的寿命给出了评估结果。最后提出了产品化过程中还需要进一步探索的问题,不仅对磁选态铯原子钟的产品化有帮助,而且对光抽运铯钟甚至其他种类原子钟的产品化亦有参考价值。

基于分子蒸馏原理的高纯铯制备研究

为了进一步提高原子钟用金属铯的纯度,以99.5%的精铯为原料,采用分子蒸馏的方法提纯金属铯。通过实验研究了蒸馏温度、刮膜器转速、进料速率对金属铯提纯效果的影响,得到最佳的实验条件如下:蒸馏温度控制在490~510 K之间,刮膜器转速设定在180~210 r/min之间,进料速率在3~5 g/min之间。在上述条件下进行实验,结果表明:蒸馏产品中所有的杂质含量均有显著下降,其中钾(K)的含量从690×10^(-6)下降至10~6×10^(-6),铷(Rb)的含量从840×10^(-6)下降至123×10^(-6),该方法能够制得纯度为99.95%的高纯金属铯,满足了铯原子钟对金属铯原料的要求。此外,与普通的真空蒸馏相比,分子蒸馏的蒸馏温度更低,蒸馏时间更短。

磁选态铯原子频率标准技术研制进展

磁选态铯原子频率标准作为精密的守时与时间频率计量仪器设备已经实现了国产化和批量应用。介绍了国产磁选态铯原子频率标准的关键技术,包括准直器、单束磁选态束光学、电子倍增器、低噪声微波源和数字伺服控制。进一步,针对不同应用场景,开发了守时型、轻量化、星载铯原子频率标准产品,实现了磁选态铯原子频率标准的自主可控。

石墨对金属铯的吸附性能实验研究

采用自制的玻璃真空装置进行石墨吸铯实验,研究了真空下石墨对铯的吸附量和吸附性能,探讨了理想的吸铯剂应具备的结构特征,并确定了吸铯性能较佳的石墨型号。

铯束管的出气率模型及应用

铯束管是一种密封的电真空器件,为了能够长时间维持真空需对其进行烘烤与排气。在此过程中的出气率是无法获知的。本文提出了一种出气率模型,只要读出排气系统真空计的读数,通过模型,就可以得到铯束管的材料出气率。本文也给出了模型的一个应用,发现如果排气系统真空度优于1.2×10-7 Pa,那么铯束管可以封离排气系统。文中提出的方法也可应用于其他电真空器件。

高离化态硫离子光谱的理论分析

在考虑组态相互作用的基础上,利用包含相对论修正的Hartree-Fock(HFR)理论对S8+-S13+离子的谱线波长及加权振子强度等有关原子参数进行了系统计算,并与最新的实验观测和其它理论计算结果进行了比较。计算结果表明:S8+-S11+的各个原子态在LS耦合下纯度很高,随着离化度的增大,S12+和S13+离子的部分原子态能级出现混合,组态相互作用逐渐增强。通过对实验结果的分析,识别出32条实验谱线,其中大多数谱线来自S8+-S13+离子的2s22pk-2s2pk+1和2s2pk+1-2pk+2(k=0,1,2,3,4)之间的跃迁,理论计算结果与实验谱线波长之间的绝对误差大多数都在实验的有效分辨力以内。

基于分子蒸馏原理的金属铯提纯实验系统研制

为了进一步提高铯原子钟用金属铯原料的纯度，研制了一套刮膜式分子蒸馏实验系统，进行99.5%金属铯的进一步提纯。本文介绍了系统的结构，对系统的真空性能、刮膜器性能进行了实测，最后进行了金属铯提纯实验。实验结果表明：系统的极限真空度达到4.3×10^-6Pa，工作真空度达到5.0×10^-4Pa，刮膜器转速实现0-300 r/min范围内可调，均符合设计要求。金属铯经过该设备蒸馏后纯度达到99.95%，可以满足铯原子钟的使用要求。

金属铯分子蒸馏流体力学模拟研究

为了研究刮膜式分子蒸馏器内液膜湍流流场特性,应用Fluent流体力学模拟软件,选用RNG K-ε湍流计算模型对其进行数值模拟。由于刮膜式分子蒸馏器中液膜流动的复杂性,对模型进行了简化,建立二维GAMBIT模型。在恒温恒压下,对刮膜器刮板形状、大小,刮膜器转速和进料速率等参数进行了优化,设计的刮膜器刮板形状为圆柱形,直径为Φmm,刮板数量为3个。当刮膜器转速为180 round/min,进料速率量为3.5g/min,蒸发液膜流场的形态最稳定,液膜均匀性最好。

基于PID算法的磁选态铯束管C场的优化

介绍了磁选态铯束管的C场优化方法,通过自研的磁选态铯束管测试系统为铯束管提供必要的测试环境,设计不同的PID控制算法对铯束管的C场进行优化与分析,最终得到了合理的优化参数。通过对多只铯束管进行优化,将铯束管的(0~0)峰与±1峰的频率差控制在了42.820 kHz±20 Hz范围之内,并与已有的铯束管测试平台优化结果进行比对,最优C场电流误差不超过0.02 mA,验证了优化结果的正确性。

磁选态铯原子钟弱信号直接采样方法研究

磁选态铯原子钟的输出频率与铯束管输出的弱电流信号有关,影响其频率稳定度。为了提高其频率稳定度技术指标,在对磁选态铯原子钟主伺服电路弱信号压频转换(V-F)和模/数(A/D)直接采样对比的基础上,设计了基于DSP28335芯片的A/D直接采样电路,利用CAN总线通信技术与主控CPU板进行通信,实现整钟闭环锁定的方案。通过试验与被测磁选态铯原子钟现有压频转换法进行对比,结果表明,所设计的A/D直接采样法较压频转换法减小了磁选态铯原子钟相对频率偏差范围,改善了短期频率稳定度,具有实用价值。

高性能磁选态铯原子钟

根据我国独立自主时间频率系统的建设需求和国际原子频标技术的发展趋势,按照国家有关预先研究发展部署,开展高性能磁选态铯原子钟技术研究,研制了具有自主知识产权的LIP Cs-3000型磁选态铯原子钟产品.