一种应用于空间站的锶原子光钟物理系统技术方案

本发明专利技术提供了一种应用于空间站的锶原子光钟物理系统，属于原子光钟领域，包括异形腔体和MOT腔体，异形腔体和MOT腔体之间设置有塞曼减速器，异形腔和MOT腔体上均设置有多个与其内部连通的接口；异形腔内设置有内加热原子炉，MOT腔体外壁上设置有反亥姆霍兹线圈和剩磁补偿线圈；两个腔体上均连通有用于形成真空的真空装置，异形腔体和MOT腔体上均设置有光学机组件。该系统将内加热原子炉集成设置在异形腔内，减小加热原子炉占用空间，异形腔体和MOT腔体上设置有多个光机组件，多个光机组件形成高度集成的外围辅助光路，且形成的光路结构简单，分布合理紧凑，实现了整个锶原子光钟物理系统的小型化，解决了传统的系统结构复杂、体积大、重量大的问题。重量大的问题。重量大的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种应用于空间站的锶原子光钟物理系统


[0001]本专利技术属于原子光钟
，具体涉及一种应用于空间站的锶原子光钟物理系统。

技术介绍

[0002]近二十年来光钟已经得到了飞速的发展，地面光钟频率稳定性和不确定性已经达到了10
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量级，这已经较目前作为频率标准的铯原子钟提高了两个数量级。光钟的结构远比铯原子钟要复杂，因此在地面实验室中的光钟系统往往会占用几个平米的实验室面积。对于光钟系统中的关键部件，即光钟物理系统，其最主要的功能就是获得可以作为量子频率参考的超冷原子样品。而为了实现高质量的超冷原子团，光钟物理系统往往具有相对庞大的体积和重量，以便于对原子实现高效率的减速和囚禁。同时，由于光钟一般需要多个波长的激光协同工作且对多路激光的时序控制进行控制，因此，在光钟物理系统的周围必须布置复杂的光路，这也提高了光钟物理系统的体积和重量。
[0003]实际上，国内外众多研究小组已经开展了小型化可搬运光钟的研制，旨在研制一套体积小，重量轻，集成度高的光钟。2014年意大利实验小组实现了可搬运的
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Sr光钟，频率不确定度为7.0
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。2017年德国PTB实现了车载
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Sr光钟，频率不确定度为7.4
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，这是目前世界上已经报道可搬运光钟的最高精度。2020年日本H.Katori研究小组研制了两台可搬运锶原子光晶格钟，其稳定度和不确定度达到了10
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量级，并且利用这两台钟成功地验证了爱因斯坦广义相对论。国内中国科学院武汉物理与数学研究所实现了可搬运钙离子光钟，系统不确定度为7.8
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。中国科学院国家授时中心开展了可搬运锶原子光钟的研制，已经实现了物理系统小型化和钟跃迁谱线探测。
[0004]由于太空中特殊的微重力环境非常有利于提高光钟的性能指标，使得空间冷原子光钟具有巨大潜力和广阔的应用前景。在可搬运光钟的基础上继续进行光钟的小型化是必然需求。目前国内外多个研究小组都积极开展了空间光钟的研制，最早开展的是欧空局的空间原子钟计划，目前仍处于地面原理样机的测试阶段。2018年欧盟空间光钟工程的合作单位德国杜赛尔多夫大学、德国物理技术研究院与英国伯明翰大学联合报道一台面向空间应用的
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Sr光晶格钟，器、其物理系统的体积约为99cm*60cm*45cm，不确定度达到了2.0
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。美国也开展了相关研制工作，但是还没有实质的关于空间光钟的报道。
[0005]光钟物理系统可以分为物理真空腔体和外围光路两大部分。物理真空腔体是一套具有超高真空的金属腔体，在其上安装带有玻璃窗口的法兰用来实现激光对原子的操控以及对原子信号的探测。在物理真空腔体上还需要安装由铜导线缠绕的磁场线圈用来基于原子的磁光效应实现对原子的减速和俘获。物理真空腔体上还需要安装原子加热炉，产生气体原子。外围光路是有多种光机组件和光学元件构成，主要目的是构建俘获原子与探测光钟信号的光路。目前，在研的光钟物理系统为了实现最完美的运行状态，一般会使用多种体积庞大的装置，其中主要包括体积庞大的减速线圈、反亥姆霍兹线圈、剩磁补偿线圈、大窗口MOT腔体、外置原子加热炉、大横截面积的原子束准直窗口、原子频率参考系统以及自由
度高但复杂的光路装置。体积庞大的线圈不仅产生了巨大的重量，而且由于线圈散热问题必须为通过水冷制冷，这大大提高了系统的复杂程度并且提高了系统长期运行的风险。大窗口的MOT腔体虽然容易俘获更多的原子并在特殊条件下降低原子的碰撞，但是，这将导致MOT腔体的体积与重量增加，并且为了维持如此大体积腔体内真空，就需要更大抽速且更庞大的离子泵。外置原子加热炉可以有效降低腔内的黑体辐射，但是也大大增加了系统的体积和长度。为了提高MOT中俘获的原子，一般采用面积很大的准直窗口，这也是导致物理真空系统体积庞大的原因之一。另一方面，为了实现激光的频率失谐的稳定，一般会将461nm激光的中心频率锁定在一套外置的锶原子束上。这样就为必须在物理系统之外安装一套小心的真空系统和加热炉。锶原子光钟物理系统中要将16路激光耦合到物理系统中，而这些激光中由分为6种波长。使用传统商用光机装置与光学元件则需要搭建极为复杂的光路，而且大量的光学元件与镜架也提高了系统的不稳定度。
[0006]综上所述，传统的光钟物理系统具有结构复杂、体积大、重量大等缺点。因此，本申请提出一种应用于空间站的锶原子光钟物理系统。

技术实现思路

[0007]为了克服上述现有技术存在的不足，本专利技术提供了一种应用于空间站的锶原子光钟物理系统。
[0008]为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0009]一种应用于空间站的锶原子光钟物理系统，包括：
[0010]异形腔体，其内设置有用于加热锶样品产生锶原子气体的内加热原子炉；
[0011]MOT腔体，其外壁上设置有用于俘获锶原子的反亥姆霍兹线圈和用于消除杂散磁场的剩磁补偿线圈；
[0012]塞曼减速器，设置在所述异形腔体和MOT腔体之间；所述塞曼减速器包括两端分别与所述异形腔体和MOT腔体密封连通的空心管道，所述空心管道的外壁上缠绕有多组减速器线圈；
[0013]所述内加热原子炉包括设置在所述异形腔体内的锶原子腔，所述锶原子腔内设置有用于固定锶样品的热电偶固定套，锶原子腔外壁上设置有加热丝，锶原子腔顶部设置有用于将锶原子气体按直线传输方式经过空心管道送入MOT腔体内的准直器；
[0014]所述异形腔体和MOT腔体上均设置有多个与各自内部连通的接口，二者均通过其中一个所述接口连通有用于形成真空的真空装置；其余所述接口上密封连接有观察窗，对准所述观察窗安装有用于原子俘获和光信号探测的光机组件。
[0015]优选地，所述空心管道的长度为18cm、外径为14mm、内径为6mm，其外壁上套设有5块呈圆弧结构的线圈挡板，两块相邻的所述线圈挡板之间设置有一组所述减速器线圈。
[0016]优选地，多组所述减速器线圈从所述MOT腔体由近及远分别为第一减速器线圈、第二减速器线圈、第三减速器线圈和第四减速器线圈，所述第一减速器线圈和第四减速器线圈为15圈23层绕制结构，所述第二减速器线圈和第三减速器线圈为15圈10层绕制结构，所述减速器线圈由直径为1.5mm的铜漆包线绕制而成。
[0017]优选地，所述锶原子腔的外部套设有多个直径依次增加的热屏蔽筒，多个所述热屏蔽筒的端部设置有顶板，所述准直器包括贯穿所述顶板的固定座，所述固定座中部设置
有准直器芯，所述准直器芯的端面上贯穿设置有多个间隔均匀的透气孔，每个所述透气孔的长度方位与水平方向同向，所述陶瓷锶原子腔底部安装有用于测量炉内温度的PT100热偶电阻。
[0018]优选地，所述异形腔体与所述本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种应用于空间站的锶原子光钟物理系统，其特征在于，包括：异形腔体(1)，其内设置有用于加热锶样品产生锶原子气体的内加热原子炉(7)；MOT腔体(2)，其外壁上设置有用于俘获锶原子的反亥姆霍兹线圈(9)和用于消除杂散磁场的剩磁补偿线圈(10)；塞曼减速器(3)，设置在所述异形腔体(1)和MOT腔体(2)之间；所述塞曼减速器(3)包括两端分别与所述异形腔体(1)和MOT腔体(2)密封连通的空心管道(4)，所述空心管道(4)的外壁上缠绕有多组减速器线圈(5)；所述内加热原子炉(7)包括设置在所述异形腔体(1)内的锶原子腔(701)，所述锶原子腔(701)内设置有用于固定锶样品的热电偶固定套(702)，锶原子腔(701)外壁上设置有加热丝(703)，锶原子腔(701)顶部设置有用于将锶原子气体按直线传输方式经过空心管道(4)送入MOT腔体(2)内的准直器(8)；所述异形腔体(1)和MOT腔体(2)上均设置有多个与各自内部连通的接口，二者均通过其中一个所述接口连通有用于形成真空的真空装置(11)；其余所述接口上密封连接有观察窗(12)，对准所述观察窗(12)安装有用于原子俘获和光信号探测的光机组件(13)。2.根据权利要求1所述的应用于空间站的锶原子光钟物理系统，其特征在于，所述空心管道(4)的长度为18cm、外径为14mm、内径为6mm，其外壁上套设有5块呈圆弧结构的线圈挡板(14)，两块相邻的所述线圈挡板(14)之间设置有一组所述减速器线圈(5)。3.根据权利要求2所述的应用于空间站的锶原子光钟物理系统，其特征在于，多组所述减速器线圈(5)从所述MOT腔体(2)由近及远分别为第一减速器线圈(601)、第二减速器线圈(602)、第三减速器线圈(603)和第四减速器线圈(604)，所述第一减速器线圈(601)和第四减速器线圈(604)为15圈23层绕制结构，所述第二减速器线圈(602)和第三减速器线圈(603)为15圈10层绕制结构，所述减速器线圈(5)由直径为1.5mm的铜漆包线绕制而成。4.根据权利要求1所述的应用于空间站的锶原子光钟物理系统，其特征在于，所述锶原子腔(701)的外部套设有多个直径依次增加的热屏蔽筒(704)，多个所述热屏蔽筒(704)的端部设置有顶板(705)，所述准直器(8)包括贯穿所述顶板(705)的固定座(801)，所述固定座(801)中部设置有准直器芯(802)，所述准直器芯(802)的端面上贯穿设置有多个间隔均匀的透气孔，每个所述透气孔的长度方位与水平方向同向，所述陶瓷锶原子腔(701)底部安装有用于测量炉内温度的PT100热偶电阻。5.根据权利要求1所述的应用于空间站的锶原子光钟物理系统，其特征在于，所述异形腔体(1)与所述空...

【专利技术属性】
技术研发人员：常宏，谭巍，
申请(专利权)人：中国科学院国家授时中心，
类型：发明
国别省市：