一种氢原子频标双选态装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种氢原子频标双选态装置，所述双选态装置包括：依次同轴设置的四极锥形口径选态磁铁、原子态反转模块和六极锥形口径选态磁铁，所述四极锥形口径选态磁铁，用于对从准直器射出的氢原子进行筛选，获得基态为|F＝1,mF＝0〉和|F＝1,mF＝1〉的初选氢原子；所述原子态反转模块，用于将所述初选氢原子中基态为|F＝1,mF＝1〉的氢原子进行跃迁至|F＝1,mF＝‑1〉态；六极锥形口径选态磁铁，用于将跃迁至|F＝1,mF＝‑1〉态的氢原子筛除，获得基态为|F＝1,mF＝0〉的单态氢原子。本发明专利技术结构简单，体积小，选态精准高效。

A Double State Selection Device for Hydrogen Atomic Frequency Standard

【技术实现步骤摘要】
一种氢原子频标双选态装置
本专利技术涉及一种选态装置，特别是涉及一种氢原子频标双选态装置。
技术介绍
氢原子频标将本地振荡器的频率锁定到氢原子基态|F＝0,mF＝0〉与|F＝1,mF＝0〉的超精细能级跃迁谱线上，使本地振荡器输出一个高稳定度和高准确度的频率信号，现已被广泛应用于守时、定位等领域。双选态装置是氢原子频标的关键部件，其根据处于不同态上的原子先后在两个磁铁中的受力情况以及两个磁铁间原子态反转的过程对|F＝1,mF＝0〉态上的原子进行单态选择。该双选态装置的选态效率和体积直接影响着整钟的性能和体积。现有技术方案中，普遍采用由两个矩形口径六极选态磁铁和两个选态磁铁之间产生原子态反转的模块进行双选态。准直器出射的原子束包括四种原子态，分别是|F＝0,mF＝0〉、|F＝1,mF＝-1〉、|F＝1,mF＝0〉和|F＝1,mF＝1〉。第一个矩形口径六极选态磁铁会先偏转掉原子束中处于|F＝0,mF＝0〉和|F＝1,mF＝-1〉的原子，然后经原子态反转模块再使原子束中处于|F＝1,mF＝1〉态的原子跃迁至|F＝1,mF＝-1〉，第二个矩形口径六极选态磁铁再偏转掉跃迁之后原子束中处于|F＝1,mF＝-1〉态的原子。但在整个选态过程中，准直器中出射角为零的且处于|F＝1,mF＝-1〉和|F＝0,mF＝0〉态上的原子不受磁场力的作用而无任何偏转地沿着中心轴线运动，即整个装置对准直器中出射角为零的原子无任何选态作用。这些没有受到偏转力作用的原子最终都会进入贮存泡干扰处于|F＝1,mF＝0〉态上的原子的钟跃迁信号质量。此外，六极选态磁铁选态距离较长会导致该双选态装置体积较大，因此该双选态装置不能满足氢原子频标整钟小型化设计的需求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种氢原子频标双选态装置，以解决现有双选态装置对准直器中出射角为零的原子无任何选态作用和体积较大的问题。为达到上述目的，本专利技术采用下述技术方案：本专利技术公开了一种氢原子频标双选态装置，所述双选态装置包括：依次同轴设置的四极锥形口径选态磁铁、原子态反转模块和六极锥形口径选态磁铁，所述四极锥形口径选态磁铁，用于对从准直器射出的氢原子进行筛选，以获得基态为|F＝1,mF＝0〉和|F＝1,mF＝1〉的初选氢原子；所述原子态反转模块，用于将所述初选氢原子中基态为|F＝1,mF＝1〉的氢原子进行跃迁至|F＝1,mF＝-1〉态；所述六极锥形口径选态磁铁，用于将跃迁至|F＝1,mF＝-1〉态的氢原子筛除，以获得基态为|F＝1,mF＝0〉的单态氢原子。优选地，所述双选态装置还包括：贮存泡，用于储存基态为|F＝1,mF＝0〉的单态氢原子。优选地，所述双选态装置还包括：磁屏蔽罩，用于屏蔽所述原子态反转模块外部磁场的干扰，其中所述屏蔽罩两端设有同轴通孔，所述原子态反转模块设置在所述磁屏蔽罩内部。优选地，所述原子态反转模块采用绝热快速通过法或Majorana跃迁法实现氢原子基态由|F＝1,mF＝1〉至|F＝1,mF＝-1〉的跃迁。优选地，所述四极锥形口径选态磁铁采用锥形结构，所述四极锥形口径选态磁铁的口径沿准直器发射氢原子方向逐渐增大。优选地，所述四极锥形口径选态磁铁的长度和所述四极锥形口径选态磁铁的锥度，根据所述四极锥形口径选态磁铁的入口半径、|F＝1,mF＝0〉态原子约半周期的运动轨迹和所需要的最大截获角所确定。优选地，所述四极锥形口径选态磁铁，对处于基态为|F＝0,mF＝0〉和|F＝1,mF＝-1〉的原子产生沿径向方向的排斥力，以使其偏移出选态磁铁；所述四极锥形口径选态磁铁，对处于基态为|F＝1,mF＝0〉和|F＝1,mF＝1〉的原子产生指向中心轴线的向心力，以使其做近似于周期性运动。优选地，所述六极锥形口径选态磁铁采用锥形结构，所述六极锥形口径选态磁铁的口径沿准直器发射氢原子方向逐渐增大。优选地，所述六极锥形口径选态磁铁的出口半径、所述六极锥形口径选态磁铁的入口半径、所述六极锥形口径选态磁铁的长度和所述六极锥形口径选态磁铁的锥度，根据所述四极锥形口径选态磁铁出射的小于半周期运动的原子在所述原子态反转模块中的运动轨迹确定。优选地，所述六极锥形口径选态磁铁对处于基态为|F＝1,mF＝-1〉的原子产生沿径向方向的排斥力，以使其偏移出选态磁铁；所述六极锥形口径选态磁铁对处于基态为|F＝1,mF＝0〉态上的原子产生指向中心轴线上的向心力，以使其做近似于周期性运动。本专利技术的有益效果如下：本专利技术所述技术方案中的双选态装置基于四极锥形口径选态磁铁和六极锥形口径选态磁铁：1、四极锥形口径磁铁作为第一个选态磁铁，其聚焦长度小于传统方案中的第一个选态磁铁，可缩小整个双选态装置的体积；2、两个选态磁铁都具有较大的最大截获角，可补偿那些准直器中小角度出射的无法继续完成双选态的原子，使得该装置能够实现与传统双选态装置同等的选态效率；3、准直器中出射角为零的处于|F＝0,mF＝0〉和|F＝1,mF＝-1〉态的原子在第一个选态磁铁中会受到排斥力而被偏移出选态磁铁，使得整个双选态装置对沿中心轴线方向运动的原子具有一定的选态作用；4、该装置原理简单，结构易实现。附图说明下面结合附图对本专利技术的具体实施方式作进一步详细的说明。图1示出本实施例中一种氢原子频标双选态装置示意图；图中：1、氢源；2、准直器；3、四极锥形口径选态磁铁；4、原子态反转模块；5、磁屏蔽罩；6、六极锥形口径选态磁铁；7、贮存泡。具体实施方式为了更清楚地说明本专利技术，下面结合优选实施例和附图对本专利技术做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本专利技术的保护范围。如图1所示，在本专利技术的一个实施例中提供一种氢原子频标双选态装置，所述双选态装置包括：依次同轴设置的四极锥形口径选态磁铁3、原子态反转模块4和六极锥形口径选态磁铁6。所述四极锥形口径选态磁铁3用于对从准直器2射出的四种原子态分别是|F＝0,mF＝0〉、|F＝1,mF＝-1〉、|F＝1,mF＝0〉和|F＝1,mF＝1〉的氢原子进行筛选，以获得基态为|F＝1,mF＝0〉和|F＝1,mF＝1〉的初选氢原子；所述原子态反转模块4用于将所述初选氢原子中基态为|F＝1,mF＝1〉的氢原子进行跃迁至|F＝1,mF＝-1〉态；所述六极锥形口径选态磁铁6用于将跃迁至|F＝1,mF＝-1〉态的氢原子筛除，以获得基态为|F＝1,mF＝0〉的单态氢原子。针对传统方案中双选态装置的缺陷，我们选用了四极锥形口径选态磁铁3和六极锥形口径选态磁铁6分别作为第一选态磁铁和第二选态磁铁，而原子态反转模块位于两个选态磁铁中间。其中两个选态磁铁的口径都呈锥形，朝准直器射出的氢原子方向，口径逐渐增大，形成一定的锥度，内部磁场会沿着径向和轴向同时变化。在一个可选的实施例中，所述双选态装置还包括：贮存泡7。所述贮存泡7用于储存基态为|F＝1,mF＝0〉的单态氢原子。所述双选态装置位于氢原子频标中的准直器2之后，所述贮存泡7之前。在一个可选的实施例中，所述原子态反转模块4采用绝热快速通过法或马约拉纳(Majorana)跃迁法实现氢原子基态由|F＝1,mF＝1〉至|F＝1,mF＝-1〉的跃迁。在所述原子态反转模块4依据绝热快速通过法或Majora本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氢原子频标双选态装置，其特征在于，所述双选态装置包括：依次同轴设置的四极锥形口径选态磁铁、原子态反转模块和六极锥形口径选态磁铁，所述四极锥形口径选态磁铁，用于对从准直器射出的四种原子态分别是|F＝0,mF＝0〉、|F＝1,mF＝‑1〉、|F＝1,mF＝0〉和|F＝1,mF＝1〉的氢原子进行筛选，以获得基态为|F＝1,mF＝0〉和|F＝1,mF＝1〉的初选氢原子；所述原子态反转模块，用于将所述初选氢原子中基态为|F＝1,mF＝1〉的氢原子进行跃迁至|F＝1,mF＝‑1〉态；所述六极锥形口径选态磁铁，用于将跃迁至|F＝1,mF＝‑1〉态的氢原子筛除，以获得基态为|F＝1,mF＝0〉的单态氢原子。

【技术特征摘要】
1.一种氢原子频标双选态装置，其特征在于，所述双选态装置包括：依次同轴设置的四极锥形口径选态磁铁、原子态反转模块和六极锥形口径选态磁铁，所述四极锥形口径选态磁铁，用于对从准直器射出的四种原子态分别是|F＝0,mF＝0〉、|F＝1,mF＝-1〉、|F＝1,mF＝0〉和|F＝1,mF＝1〉的氢原子进行筛选，以获得基态为|F＝1,mF＝0〉和|F＝1,mF＝1〉的初选氢原子；所述原子态反转模块，用于将所述初选氢原子中基态为|F＝1,mF＝1〉的氢原子进行跃迁至|F＝1,mF＝-1〉态；所述六极锥形口径选态磁铁，用于将跃迁至|F＝1,mF＝-1〉态的氢原子筛除，以获得基态为|F＝1,mF＝0〉的单态氢原子。2.根据权利要求1所述的氢原子频标双选态装置，其特征在于，所述双选态装置还包括：贮存泡，用于储存基态为|F＝1,mF＝0〉的单态氢原子。3.根据权利要求1所述的氢原子频标双选态装置，其特征在于，所述双选态装置还包括：磁屏蔽罩，用于屏蔽外部磁场对所述原子态反转模块的干扰，其中所述屏蔽罩两端设有同轴通孔，所述原子态反转模块设置在所述磁屏蔽罩内部。4.根据权利要求1所述的氢原子频标双选态装置，其特征在于，所述原子态反转模块被配置为采用绝热快速通过法或马约拉纳跃迁法实现氢原子基态由|F＝1,mF＝1〉至|F＝1,mF＝-1〉的跃迁。5.根据权利要求1所述的氢原子频标双选态装置，其特征在于，所述四极锥形口径选态磁铁的口径沿准直器发射氢原子方向逐渐增大。6.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：王秀梅，周铁中，张程源，吴琼，王孟芝，卢旭，刘亚轩，高连山，
申请(专利权)人：北京无线电计量测试研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11