氢原子钟的多段线圈式超均匀C场产生装置及其制作方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种氢原子钟的多段线圈式超均匀C场产生装置及其制作方法，其安装于一氢原子钟的谐振腔的外侧，包括一支撑骨架、贴合绕设于所述支撑骨架上且位于一电流输入端和一电流输出端之间的多段式线圈，所述多段式线圈包括多段由同一根漆包线顺延而成但彼此间隔开的单层线圈，多段式线圈的各段线圈的直径相等，各段线圈的长度、匝数，以及每两段相邻的线圈之间的间距按最佳磁场均匀度进行设计，以提高多段式线圈的磁场均匀度。本发明专利技术所提供的氢原子钟的多段线圈式超均匀C场产生装置结构简单、制造方便、均匀度好、单层线圈、单路供电，无需对氢原子钟电路部分进行任何改造，可直接应用于氢原子钟。

A multi-stage coil type super uniform C-field generator for hydrogen atomic clock and its fabrication method

【技术实现步骤摘要】
氢原子钟的多段线圈式超均匀C场产生装置及其制作方法
本专利技术涉及氢原子钟领域，更具体涉及一种氢原子钟的多段线圈式超均匀C场产生装置及其制作方法和应用，其可直接用于氢原子钟。
技术介绍
时间是七个基本物理量之一，特别是2018年11月第26届国际计量大会再次修订基本物理量后，对时间的精确计量更具有重要的科研价值和应用价值。二十世纪中叶以来，利用原子能级跃迁实现高精度时间输出的原子钟逐渐成熟，并得到了广泛应用。目前实用型的原子钟包括铷(Rb)原子钟、铯(Cs)原子钟和氢(H)原子钟。氢原子钟具有优秀的中短期稳定度和良好的长期稳定度以及漂移率指标，可用于守时授时、导航定位和通讯保障等广泛领域。氢原子钟的工作原理是利用基态氢原子(F＝1，mF＝0)和(F＝0，mF＝0)两个超精细能级之间的跃迁频率来锁定晶振。高纯度氢气通过镍管之后导入电离源系统，在此期间氢气分子电离成为原子状态，氢原子由准直器形成原子束流，在磁选态器的作用下，(F＝1，mF＝0)态的氢原子射入微波谐振腔中的储存泡。在磁屏蔽筒的屏蔽作用和恒定静磁场(ConstantMagneticField，简称C场)的作用下，氢原子在储存泡中发生微波共振跃迁，使腔内微波能量增加，通过检测微波谐振腔内的微波能量就可以将电路系统输出的时频信号锁定在原子跃迁谱线上，从而可以得到高准确度和高稳定度的时间信号。由此可见，包括原子储存泡、微波谐振腔、静磁场C场和磁屏蔽筒等的腔泡系统是氢原子钟的核心,静磁场C场是氢原子钟的重要组成部分。目前，考虑到发展更轻重量和更小体积的氢原子钟，并非都采用常见的标准TE011谐振腔，而可能使用基于感容耦合结构的电极式谐振腔。由于感容耦合结构的电极式谐振腔在其电极中部具有较大范围的均匀磁场，为了延长氢原子在储存泡的停留时间，现有技术中使用的储存泡为体积较大长度狭长的椭球式结构，并且储存泡的出口做了特殊优化，这导致了原子储存泡可能放置在静磁场C场中部稍微偏上的位置而非其正中央。原子储存泡内的氢原子在轴向静磁场(C场)的作用下，由谐振腔内的微波场激励氢原子自(F＝1，mF＝0)态跃迁至(F＝0，mF＝0)态。腔泡系统的填充因子可反映微波场与原子体系和轴向静磁场(C场)的耦合情况，尽可能高的微波填充因子可提高氢原子跃迁谱线的信噪比。其中，C场的作用是将各量子态去简并和为原子跃迁提供量子化轴，使其发生塞曼能级分裂。如果C场在储存泡区域内的分布与谐振腔微波场不一致，则处于该非均匀静磁场作用下的氢原子在储存泡内发生共振跃迁时，会有部分原子的跃迁频率偏离期望的原子跃迁中心频率，从而降低了(0-0)跃迁的峰值强度，进而影响跃迁谱线的增益和信噪比，所以C场的均匀度是影响跃迁谱线质量的重要因素。由于直螺线管制造简单，在氢原子钟中普遍使用直螺线管来产生氢原子(0-0)跃迁所需的静磁场C场。直螺线管产生的磁场均匀度如图3所示，直螺线管在其两端端面的磁场强度相对其中部区域明显变小，其在中部区域的磁场均匀度较好，在其两端磁场均匀度较差，因此存在C场均匀度不足的问题。当原子储存泡放置在直螺线管中，尤其放置在直螺线管的中部稍微偏上的位置而非其正中央时，处于该直螺线管的非均匀静磁场C场作用下的氢原子在储存泡内发生共振跃迁时，会有部分原子的跃迁频率偏离期望的原子跃迁中心频率，从而降低了氢原子(0-0)跃迁的峰值强度及其信噪比。综上所述，直螺线管产生的C场磁场均匀度仍旧有提高改善的必要性，以更好地满足实际工程需求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种氢原子钟的多段线圈式超均匀C场产生装置及其制造方法，其具有结构简单、制造方便、均匀度好、单层线圈、单路供电、无需对氢原子钟电路部分做任何改造即可使用的特点，可广泛用于各类型氢原子钟。为了实现上述目的，本专利技术提供一种氢原子钟的多段线圈式超均匀C场产生装置，其安装于一氢原子钟的谐振腔的外侧，包括一支撑骨架、贴合绕设于所述支撑骨架上且位于一电流输入端和一电流输出端之间的多段式线圈，所述的多段式线圈包括多段由同一根漆包线顺延而成但彼此间隔开的单层的线圈，多段式线圈的各段线圈的直径相等，所述多段式线圈的最优化参数包括每段线圈的长度、每段线圈的匝数以及每两段相邻的线圈之间的间距，其按最佳磁场均匀度进行设计，以提高多段式线圈的磁场均匀度。所述多段式线圈的最优化参数还包括多段式线圈的总段数和多段式线圈的总长度，且所述最优化参数由电磁场仿真软件计算得到。所述多段式线圈的总段数为5、6、7、8或9。所述多段式线圈的总段数为7，多段式线圈的总长度为190mm，线圈的直径为102mm，每段线圈的长度为18.5mm-21mm，每段线圈的匝数通过不同紧密程度的绕制方式进行调节，每两段相邻的线圈之间的间距为6.5mm-11mm。每两段相邻的线圈之间均通过互联线串联。所述互联线是每两段相邻的线圈的漆包线的自然延顺。每段线圈的两侧边缘均通过环氧树脂固定在所述支撑骨架上。另一方面，本专利技术提供一种氢原子钟的多段线圈式超均匀C场产生装置的制作方法，包括：步骤S1：设计一多段式线圈，该多段式线圈包括多段由同一根漆包线顺延而成但彼此间隔开的单层的线圈，包括：步骤S11：根据一氢原子钟的谐振腔的直径和高度确定一支撑骨架的直径和高度，进而确定绕设于其上的所述多段式线圈的每段线圈的直径，每段线圈的直径相等；步骤S12：确定所述多段式线圈的线圈的漆包线的直径，漆包线直径为0.3mm或者0.5mm；步骤S13：所述多段式线圈的最优化参数包括：多段式线圈的总段数、多段式线圈的总长度、每段线圈的长度、每段线圈的匝数、每两段相邻的线圈之间的间距，由电磁场仿真软件计算并按最佳磁场均匀度进行设计得到所述多段式线圈的最优化参数，以提高所述多段式线圈的磁场均匀度；步骤S2：采用所述步骤S12中的漆包线，按照所述步骤S13中的最优化参数，在所述支撑骨架上绕制多段所述的线圈以形成所述多段式线圈，并采用每两段相邻的线圈的漆包线的自然延顺作为互联线来串联所述线圈，每段线圈的两侧边缘均通过环氧树脂固定在支撑骨架上，在多段式线圈的两端分别引出电流输入端和电流输出端；步骤S3：将所述步骤S2中的多段式线圈安装在所述谐振腔的外侧，以产生超高磁场均匀度的C场。所述C场在原子储存泡区域的中心轴线上的磁场均匀度为99％以上。本专利技术所提供的氢原子钟的多段线圈式超均匀C场产生装置采用多段彼此间隔开的单层的线圈来实现超均匀磁场，其具有结构简单紧凑、加工方便、成本低廉，机械强度高等优点；由于多段式线圈的最优化参数由电磁场仿真软件计算得到并按最佳磁场均匀度进行设计和制作，因此制造出的多段线圈式超均匀C场产生装置具有极高磁场均匀度。应用该多段线圈式超均匀C场产生装置的氢原子钟的腔泡系统可以使得微波场与原子体系和轴向静磁场(C场)的耦合得到改善，相当于提高了腔泡系统的微波填充因子，有助于提升原子跃迁信号增益和改善氢原子钟频率输出稳定度。附图说明图1为本专利技术的氢原子钟的多段线圈式本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氢原子钟的多段线圈式超均匀C场产生装置，其安装于一氢原子钟的谐振腔的外侧，其特征在于，包括一支撑骨架(1)、贴合绕设于所述支撑骨架(1)上且位于一电流输入端(3)和一电流输出端(4)之间的多段式线圈，所述的多段式线圈包括多段由同一根漆包线顺延而成但彼此间隔开的单层的线圈(2)，多段式线圈的各段线圈(2)的直径相等，所述多段式线圈的最优化参数包括每段线圈(2)的长度、每段线圈(2)的匝数以及每两段相邻的线圈(2)之间的间距，其按最佳磁场均匀度进行设计，以提高多段式线圈的磁场均匀度。/n

【技术特征摘要】
1.一种氢原子钟的多段线圈式超均匀C场产生装置，其安装于一氢原子钟的谐振腔的外侧，其特征在于，包括一支撑骨架(1)、贴合绕设于所述支撑骨架(1)上且位于一电流输入端(3)和一电流输出端(4)之间的多段式线圈，所述的多段式线圈包括多段由同一根漆包线顺延而成但彼此间隔开的单层的线圈(2)，多段式线圈的各段线圈(2)的直径相等，所述多段式线圈的最优化参数包括每段线圈(2)的长度、每段线圈(2)的匝数以及每两段相邻的线圈(2)之间的间距，其按最佳磁场均匀度进行设计，以提高多段式线圈的磁场均匀度。


2.根据权利要求1所述的氢原子钟的多段线圈式超均匀C场产生装置，其特征在于，所述多段式线圈的最优化参数还包括多段式线圈的总段数和多段式线圈的总长度，且所述最优化参数由电磁场仿真软件计算得到。


3.根据权利要求2所述的氢原子钟的多段线圈式超均匀C场产生装置，其特征在于，所述多段式线圈的总段数为5、6、7、8或9。


4.根据权利要求3所述的氢原子钟的多段线圈式超均匀C场产生装置，其特征在于，所述多段式线圈的总段数为7，多段式线圈的总长度为190mm，多段式线圈的线圈(2)的直径为102mm，每段线圈(2)的长度为18.5mm-21mm，每段线圈(2)的匝数通过不同紧密程度的绕制方式进行调节，每两段相邻的线圈(2)之间的间距为6.5mm-11mm。


5.根据权利要求1所述的氢原子钟的多段线圈式超均匀C场产生装置，其特征在于，每两段相邻的线圈(2)之间均通过互联线(5)串联。


6.根据权利要求5所述的氢原子钟的多段线圈式超均匀C场产生装置，其特征在于，所述互联线(5)是每两段相邻的线圈(2)的漆包线的自然延顺。


7.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘志兵，谢勇辉，帅涛，陈鹏飞，裴雨贤，潘晓燕，赵阳，林传富，
申请(专利权)人：中国科学院上海天文台，
类型：发明
国别省市：上海;31