一种用于氢原子激射器的电离源装置及氢原子激射器制造方法及图纸

本申请提供了一种用于氢原子激射器的电离源装置,电离源装置包括电离泡、谐振腔组件和至少一个磁场发生部件，谐振腔组件包括连接法兰、使微波同轴线传输的内导体和外导体、以及微波导入部件，内导体和外导体的一端均与连接法兰连接，内导体、外导体和连接法兰围合成仅一端开口的谐振腔，电离泡设置在开口处且邻近内导体，连接法兰上设有微波导入部件，外导体与用于氢原子激射器的电离源装置的密封结构固定连接；磁场发生部件设置在电离泡的外侧且其产生的磁场与微波共同作用使电离泡内的电子形成电子回旋共振，使电离泡内的氢气电离成氢等离子体。通过上述技术方案，能够进一步提高氢等离子体中氢原子的电离密度。提高氢等离子体中氢原子的电离密度。提高氢等离子体中氢原子的电离密度。

【技术实现步骤摘要】
一种用于氢原子激射器的电离源装置及氢原子激射器


[0001]本申请涉及氢原子激射器领域，尤其涉及一种用于氢原子激射器的电离源装置及氢原子激射器。

技术介绍

[0002]时间是五个基本物理量之一，对其的精确计量具有重要的科研和应用价值。进入二十世纪后，利用确定能级跃迁实现高精度时间输出的原子钟逐渐成熟，并得到广泛地应用。目前实用型的原子钟包括铷原子钟、铯原子钟和氢原子钟，其中氢原子钟具有优秀的中短期稳定度和良好长期稳定度和漂移率指标，可用于守时授时、导航定位和通讯保障等众多领域。
[0003]电离源装置的工作原理是利用氢原子基态((F＝l,m
F
＝0)至 (F＝O,m
F
＝0)两超精细能级之间的跃迁频率来锁定晶振。工业氢气通过提纯之后导入电离源装置，在此期间氢分子离解成为等离子体状态，同时发光发热，氢等离子体由准直器形成粒子束流，在磁选态器的作用下，(F＝l,m
F
＝0)和(F＝O,m
F
＝0)态的氢原子射入微波谐振腔中的储存泡，并在其中发生微波共振跃迁，通过检测微波谐振腔内的微波信号就可以将电路系统输出的微波信号锁定在原子跃迁谱线上，从而可以得到具有高稳定度和高准确度的输出信号。
[0004]目前常用的电离源装置为ICP(Inductively Coupled Plasma，电感耦合等离子体)电离源装置，例如，公开号为CN 102749839A的申请专利公开了一种氢原子钟电离源系统，如图1所示，如图1所示，本申请的氢原子钟电离源系统由电离源盒1、导热支柱2、电离泡3、固定旋钮4、密封安装面5、散热罩6、导热管7、射频线圈8、激励电路9、光敏探测器10和固定螺钉11,12构成。螺钉11用于连接电离源盒1和导热支柱2,螺钉12用于连接导热支柱2和密封安装面50，将氢气持续导入石英制的电离泡中，同时射频信号以电感耦合或者电容耦合的方式作用于电离泡，从而使氢分子在电离泡内发生离解，形成氢等离子体。结构简单、电离效率高，效果好，可直接应用于氢原子钟，但是其氢等离子体的电离密度为10
10
‑
10
11
n
e
/cm
‑3，能量转换效率低，据估算小于1％。

技术实现思路

[0005]鉴于目前用于氢原子激射器的电离源装置存在的上述不足，本申请提供一种应用于氢原子激射器上的ECR(Electron cyclotronresonance，电子回旋共振)氢等离子体源，能够进一步提高氢等离子体的电离密度。
[0006]为达到上述目的，本申请的实施例采用如下技术方案：
[0007]一种用于氢原子激射器的电离源装置，包括：
[0008]电离泡，所述电离泡上设有输入氢气的输入口和输出氢等离子体的输出口；
[0009]谐振腔组件，所述谐振腔组件包括连接法兰、使微波同轴线传输的内导体和外导体、以及微波导入部件，所述内导体和外导体的一端均与连接法兰连接，所述内导体、外导体和连接法兰围合成仅一端开口的谐振腔，所述电离泡设置在开口处且邻近所述内导体，
所述连接法兰上设有将从微波发生部件传送来的微波导入所述谐振腔的微波导入部件，所述外导体与所述氢原子激射器的密封结构固定连接；
[0010]至少一个磁场发生部件，所述磁场发生部件设置在电离泡的外侧且其产生的磁场与所述微波共同作用使所述电离泡内的电子形成电子回旋共振，使所述电离泡内的氢气电离成氢等离子体。
[0011]在所述氢等离子体系统中，施加一个垂直于电场的磁场，由于电场改变带电粒子的速度，磁场改变带电粒子的运动方向，因此，在电、磁场的共同作用下，带电粒子将沿着磁力线做拉莫回旋运动，回旋角频率ω
c
满足如下等量关系：
[0012][0013]其中，B为磁通密度，e为带点离粒子的电荷，m为带电粒子质量。如果我们使微波的频率等于电子的回旋角频率，就可以使所述电离泡内的电子产生电子回旋加速共振，提高了微波能量耦合给电子的效率，延长了电子的加速距离，进而使电子具有更高的速度和能量去撞击所述电离泡内的氢分子，提高氢等离子体的电离密度。
[0014]优选的，所述微波的频率为2.45GHz，所述磁场强度为大于或等于 875Gs。对于875Gs的磁场，根据上述的公式，可以算出电子的回旋频率为2.45GHz。采用2.45GHz的微波来激发并维持等离子体，当电子回旋频率ω
c
等于输入微波的固有频率ω时，即在磁场为875Gs处，就会发生电子回旋共振，微波能量高效率地耦合给电子，使其获得能量，通过碰撞电离中性的氢分子，产生电离密度为10
11
～10
13
cm
‑3等离子体，并且可以通过改变微波功率的大小来调节电子温度、电子密度和电子能量分布。
[0015]优选的，所述磁场发生部件设置为环形磁铁，所述环形磁铁套设所述电离泡的外侧且所述环形磁铁产生的磁力线穿入所述电离泡内。更优选的，所述环形磁铁的截面为矩形。
[0016]环形磁铁可以产生连续的环状磁场，可以与微波更好的配合，进而满足ECR的条件。将其截面设置为矩形，可以更加方便所述环形磁铁的装配。
[0017]优选的，所述环形磁铁设置为两组，两组所述环形磁铁的磁极相同设置，两组所述环形磁铁之间设有间隔。两组所述环形磁铁在所述电离泡内形成中间弱、两端强的特殊的磁场位形，可以约束带电粒子，当绕着磁力线旋进的带点粒子由弱磁场区进入两端的强磁场区域时，就会受到一反向力的作用。这个力迫使粒子的速度减慢，轨道螺距缩短，然后停下来并反射回去，反射回去的粒子达管子中心区域后，又向另一端螺旋前进，达端口后又被反射回来，即形成了磁镜，两组所述环形磁铁之间的间隔决定了两磁镜能约束的空间区域的大小。间隔越大，受约束的等离子体越多。磁镜的形成，增加了氢等离子体的密度，进一步提高了氢等离子体的电离密度。
[0018]优选的，所述间隔a的取值范围是5mm≦a≦9mm。将所述间隔设置在此范围内，可以使磁镜的约束效果最好。
[0019]优选的，所述磁场发生部件还包括磁饼，所述磁饼设置在环形磁铁的中心轴线上且所述磁饼产生的磁力线穿入电离泡内。可以进一步调整磁场的位形，使电子回旋共振的效果更好。
[0020]优选的，所述内导体的外径d和所述外导体的内径D的比值取值范围为：2.3≦D/d
≦2.4。所述内导体的外径d和所述外导体的内径D 的比值最好与同轴线缆特性阻抗相匹配，在本申请中，使述内导体的外径d和所述外导体的内径D的比值保持在上述范围内，可以与预设的特性阻抗值相符，使微波的传到效果更好。
[0021]优选的，所述微波导入部件包括耦合环和接头，所述耦合环的一端向谐振腔内延伸，另一端通过接头与所述微波发生部件连接。所述微波经耦合环导入谐振腔后，再经内导体和外导体导入所述电离泡中，所述内导体和外导体使微波成TEM波传播。其中，TEM(transverseelectroma本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于氢原子激射器的电离源装置，其特征在于，包括：电离泡，所述电离泡上设有输入氢气的输入口和输出氢等离子体的输出口；谐振腔组件，所述谐振腔组件包括连接法兰、使微波同轴线传输的内导体和外导体、以及微波导入部件，所述内导体和外导体的一端均与连接法兰连接，所述内导体、外导体和连接法兰围合成仅一端开口的谐振腔，所述电离泡设置在开口处且邻近所述内导体，所述连接法兰上设有将从微波发生部件传送来的微波导入所述谐振腔的微波导入部件，所述外导体与所述氢原子激射器的密封结构固定连接；至少一个磁场发生部件，所述磁场发生部件设置在电离泡的外侧且其产生的磁场与所述微波共同作用使所述电离泡内的电子形成电子回旋共振，使所述电离泡内的氢气电离成氢等离子体。2.根据权利要求1所述的用于氢原子激射器的电离源装置，其特征在于，所述微波的频率为2.45GHz，所述磁场强度为875Gs。3.根据权利要求1所述的用于氢原子激射器的电离源装置，其特征在于，所述磁场发生部件设置为环形磁铁，所述环形磁铁套设所述电离泡的外侧且所述环形磁铁产生的磁力线穿入所述电离泡内。4.根据权利要求3所述的用于氢原子激射器的电离源装置，其特征在于，所述环形磁铁设置为两组，两组所述环形磁铁的磁极相同设置，两组所述环形磁铁之间设有间隔。5.根据权利要求4所述的用于氢原子激射器的电离源装置，其特征在于，所述间隔a的取值范围是5mm≦a≦9mm。6....

【专利技术属性】
技术研发人员：高善格，吴玲玲，武晓光，刘善敏，
申请(专利权)人：上海光链电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：