本发明专利技术提出了一种带聚焦功能的小型单束磁选态铯束管方案，即在传统铯束管的“铯炉—A选态磁铁—微波腔—B选态磁铁—检测器”基础上，通过在A选态磁铁后增加聚焦磁铁对铯原子进行空间汇聚，使磁选态选中的特定铯原子能够更多地进入微波腔和B选态磁铁，改变了从铯炉喷出铯原子束的空间发散特性，使铯原子束变为平行原子束或汇聚原子束，提高检测到的铯原子数量或者信号强度，改善铯原子钟的稳定度指标。标。标。
【技术实现步骤摘要】
一种带磁聚焦功能的小型单束磁选态铯束管
[0001]本专利技术属于铯原子钟或铯原子频率标准
，涉及一种应用双极型磁聚焦束光学系统的铯原子钟内小型单束磁选态铯束管。
技术介绍
[0002]小型铯原子钟输出标准频率和时间信号，作为一级频率标准在守时授时、频率计量等领域有广泛应用。目前国内小型铯原子钟主要分为磁选态、光抽运和磁选态光检测3类，其中磁选态技术于1949年由美国哥伦比亚大学Ramsey提出(1989年获诺贝尔物理奖)，采用Ramsey微波腔、磁选态束光学和倍增器，代表产品是1992年美国推出的5071A铯钟(现在属于Microchip公司)，在世界范围内大量使用，其方案通常称为传统或经典铯原子钟方案；1980年法国人Arditi等人提出光抽运方案，采用激光替代磁铁进行选态和检测，性能显著提高，2015年左右实现商品化；磁选态光检测方案2016年由北京大学为解决国产化和寿命问题提出，不需要使用倍增器。传统磁选态方案相比光抽运方案在性能上有明显不足，进一步提高磁选态铯原子钟的性能是其后续技术发展的焦点。小型磁选态铯原子钟主要由小型单束磁选态铯束管和频标电路组成，其中铯束管决定了铯原子钟关键的稳定度指标。根据稳定度的不同，铯原子钟分为优质型和标准型，其中优质型稳定度为标准型稳定度的1/3，主要也由铯束管决定，因此改进传统磁选态铯束管方案是关键。传统磁选态方案的主要限制在于：铯原子共有16个超精细子能级，磁选态方法仅能利用其中的1/16；从铯炉(含准直器)中喷出的铯原子束在空间上呈发散分布，最终能被检测器收集到的有用铯原子很少。这些问题制约了磁选态铯原子钟关键的稳定度指标提升。
技术实现思路
[0003]为了克服现有技术在铯原子束发散方面处理的不足，本专利技术提出了一种带聚焦功能的小型单束磁选态铯束管方案，即在传统铯束管的“铯炉—A选态磁铁—微波腔—B选态磁铁—检测器”基础上，通过在A选态磁铁后增加聚焦磁铁对铯原子进行空间汇聚，使磁选态选中的特定铯原子能够更多地进入微波腔和B选态磁铁，提高铯原子利用率。
[0004]一种带聚焦功能的单束磁选态铯束管，沿铯原子运动方向依次包括铯炉(3)、A选态磁铁(4)、微波腔(6)、B选态磁铁(7)和检测器(8)，在该单束磁选态铯束管中增加聚焦磁铁(5)，用于减小铯原子束的发散角。
[0005]较佳的，将聚焦磁铁(5)放置在A选态磁铁与微波腔(6)之间。
[0006]较佳的，所述聚焦磁铁(5)采用双极型磁铁，两个极头(13)的双曲线顶点在y轴上；其中，将磁选态铯束管放置的平面设为xy平面，垂直于xy平面的方向为z轴方向，原子运动的轨迹方向设为x轴。
[0007]较佳的，双曲线顶点处的磁场强度为3.0T，双曲线的半实轴长度a等于铯炉(3)中准直器高度，离心率取1.5a，即双曲线的曲线方程为：
[0008][0009]较佳的，将聚焦磁铁(5)放置在(3)微波腔(6)与B选态磁铁(7)之间。
[0010]较佳的，所述聚焦磁铁(5)采用双极型磁铁，聚焦磁铁(5)的两个极头(13)的双曲线顶点在x轴；其中，将磁选态铯束管放置的平面设为xy平面，垂直于xy平面的方向为z轴方向，原子运动的轨迹方向设为x轴。
[0011]较佳的，聚焦磁铁(5)双曲线顶点磁场强度为3.0T；双曲线的半实轴长度a等于铯炉(3)中准直器高度，离心率取1.5a，即双曲线的曲线方程为：
[0012][0013]较佳的，采用两块聚焦磁铁(5)，分别放置在A选态磁铁(4)和微波腔(6)之间以及微波腔(6)和B选态磁铁(7)之间。
[0014]较佳的，两块聚焦磁铁(5)采用双极型磁铁；
[0015]对于微波腔(6)之前的聚焦磁铁(5)：两个极头(13)的双曲线顶点在y轴上；其中，将磁选态铯束管放置的平面设为xy平面，垂直于xy平面的方向为z轴方向，原子运动的轨迹方向设为x轴；双曲线顶点处的磁场强度为3.0T，双曲线的半实轴长度a等于铯炉(3)中准直器高度，离心率取1.5a，即双曲线的曲线方程为：
[0016][0017]对于微波腔(6)之后的聚焦磁铁(5)：聚焦磁铁(5)的两个极头(13)的双曲线顶点在x轴；聚焦磁铁(5)双曲线顶点磁场强度为3.0T；双曲线的半实轴长度a等于铯炉(3)中准直器高度，离心率取1.5a，即双曲线的曲线方程为：
[0018][0019]本专利技术具有如下有益效果：
[0020]本专利技术在传统磁选态铯束管的基础上，在束光学部件中增加了聚焦磁铁，改变了从铯炉喷出铯原子束的空间发散特性，使铯原子束变为平行原子束或汇聚原子束，提高检测到的铯原子数量或者信号强度，改善铯原子钟的稳定度指标。
附图说明
[0021]图1为本专利技术实施例1的系统组成与结构布局示意图。
[0022]图2为本专利技术实施例2的系统组成与结构布局示意图。
[0023]图3为本专利技术实施例3的系统组成与结构布局示意图。
[0024]图4为本专利技术实施例1和2中所用聚焦磁铁的结构示意图；
[0025]图5为传统磁选态铯束管的铯原子轨迹示意图；
[0026]图6为本专利技术实施例1的系统对应的磁选态铯束管的铯原子轨迹示意图；
[0027]图7为本专利技术实施例3中所用聚焦磁铁的结构示意图；
[0028]图8为传统的铯炉不加聚焦磁铁时原子轨迹仿真图；
[0029]图9为本专利技术第一种方案的原子轨迹仿真图；
[0030]图10为本专利技术第四种方案的原子轨迹仿真图。
[0031]其中，1
‑
管壳，2
‑
导轨，3
‑
铯炉，4
‑
A选态磁铁，5
‑
聚焦磁铁，6
‑
微波腔，7
‑
B选态磁铁，8
‑
检测器。
具体实施方式
[0032]下面结合附图并举实施例，对本专利技术进行详细描述。
[0033]如图1所示，为本专利技术的带聚焦功能的小型单束磁选态铯束管，即本专利技术的基本形式，包括管壳1、导轨2、铯炉3、A选态磁铁4、聚焦磁铁5、微波腔6、B选态磁铁7和检测器8。管壳1为上述其它部件提供高真空环境。导轨2位于管壳1内，束光学部件铯炉3、A选态磁铁4、聚焦磁铁5、微波腔6、B选态磁铁7和检测器8均置于导轨2上，实现铯原子束选择、聚焦、跃迁和检测功能。
[0034]在传统方案中，二极型A选态磁铁4和B选态磁铁7均为完全相同的方向偏转磁铁，只能对特定超精细子能级的铯原子进行偏转，铯原子束形成了S形运动轨迹。具体地，A选态磁铁4或B选态磁铁7将|F＝3，m
F
＝
‑
3，
…
,+3>态和|F＝4，m
F
＝
‑
4>态的铯原子向右向偏转，|F＝4，m
F
＝
‑
3，
…
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【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种带聚焦功能的单束磁选态铯束管，沿铯原子运动方向依次包括铯炉(3)、A选态磁铁(4)、微波腔(6)、B选态磁铁(7)和检测器(8)，其特征在于，在该单束磁选态铯束管中增加聚焦磁铁(5)，用于减小铯原子束的发散角。2.如权利要求1所述的一种带聚焦功能的单束磁选态铯束管，其特征在于，将聚焦磁铁(5)放置在A选态磁铁与微波腔(6)之间。3.如权利要求2所述的一种带聚焦功能的单束磁选态铯束管，其特征在于，所述聚焦磁铁(5)采用双极型磁铁，两个极头(13)的双曲线顶点在y轴上；其中，将磁选态铯束管放置的平面设为xy平面，垂直于xy平面的方向为z轴方向，原子运动的轨迹方向设为x轴。4.如权利要求3所述的一种带聚焦功能的单束磁选态铯束管，其特征在于，双曲线顶点处的磁场强度为3.0T，双曲线的半实轴长度a等于铯炉(3)中准直器高度，离心率取1.5a，即双曲线的曲线方程为：5.如权利要求1所述的一种带聚焦功能的单束磁选态铯束管，其特征在于，将聚焦磁铁(5)放置在(3)微波腔(6)与B选态磁铁(7)之间。6.如权利要求5所述的一种带聚焦功能的单束磁选态铯束管，其特征在于，所述聚焦磁铁(5)采用双极型磁铁，聚焦磁铁(5)的两个极头(13)的双曲线顶点在x轴；其中，将磁选态铯束管放置的平面设为xy...
【专利技术属性】
技术研发人员：王骥，郑宁，郝莉娜，张亮，陈江，马寅光，黄良育，成大鹏，刘志栋，
申请(专利权)人：兰州空间技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：
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