一种空间氢原子钟电离源系统技术方案

本发明专利技术提供一种空间氢原子钟电离源系统，包括：中频信号检测电路，设置为检测氢原子钟的中频信号的电压，并将电压检测结果发送给电离源主控电路；振荡产生电路，设置为根据电离源主控电路发出的正弦波参数输出相应的正弦波，并将输出的正弦波作用到电离泡上；电离源主控电路，设置为向振荡产生电路发出默认的正弦波参数，随后持续接收中频信号检测电路传过来的电压检测结果，根据电压检测结果调整当前输出的正弦波参数，正弦波参数包括正弦波的频率和功率。本发明专利技术的系统通过中频信号检测电路、电离源主控电路和振荡产生电路调节作用到电离泡上的正弦波的频率和功率，在自动调节氢原子钟输出频率信号功率的同时还兼顾电离泡的工作寿命。的工作寿命。的工作寿命。

【技术实现步骤摘要】
一种空间氢原子钟电离源系统


[0001]本专利技术属于原子钟领域，具体涉及一种空间氢原子钟电离源系统。

技术介绍

[0002]氢原子钟是一种精密的计时器具。它是利用原子能级跃迁时辐射出来的电磁波锁定晶体振荡器实现高精度时间输出。氢原子钟在国防、空间技术和现代科学试验中有着重要的应用。
[0003]高纯氢气通过镍提纯器经渗透提纯后注入电离泡中，在外加电离源系统的作用下，电离泡中的氢分子离解成为原子状态，氢原子经由准直器形成原子束流，在六极(或四极)选态磁铁的作用下，有效态氢原子(F＝1，m
F
＝0)入射微波谐振腔中的储存泡，并在其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。由此可见，氢脉泽振荡的产生系统是氢原子钟的核心组件，主要包括电离源系统、选态系统和微波谐振腔系统等，其中氢原子钟的电离源系统是位于氢原子钟真空系统外的重要子系统，正是由于它位于真空外，我们易于更换、调节反而没有对它进行必要的优化设计。电离源系统也是唯一一个易于受到外界干扰的子系统。
[0004]前些年，电离源系统所惯用的电路是如图1所示的电场激励法设计模式。它主要由谐振线圈1
’
、电容2
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、极片3
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组成(而电离泡4
’
和氢瓶5
’
则不属于电离源系统的一部分)，采用两片极片夹住电离泡泡壁的模式。电场激励方式更易使得电离泡4
’
点亮，特别是在电离泡4
’
连续工作一段时间后在一定程度上受污染时更突出这一方面。然而它的缺点也是十分明显的，就是因为极片3
’
紧靠电离泡4
’
的壁，由于长期的高温灼热，极片所接触到的电离泡4
’
泡壁因长期处于高温的灼烧下，氢原子与耐热玻璃发生化学反应而导致电离泡内壁会发黄，不透色，致使电离泡内氢气分子被电离几率大大降低，通常使用增大氢气输入流量的方式来提升氢气分子的电离数量。然而氢气输入流量的增大又会降低物理系统的真空度，长久来看，大大缩短了电离泡4
’
的使用寿命。图1所示的电离源系统，其热量来自于极片3
’
，因此需要安装风扇，而风扇同时会造成氢气流量的大幅波动，从而影响到氢原子钟的频率稳定度。
[0005]近几年，通过技术上的设计改进，现有的电离源系统一般使用如图2所示的磁场激励法设计模式。它主要由谐振电容1”和谐振线圈2”组成，电路相比电场激励法得到了简化(而电离泡3”和氢瓶4”则不属于电离源系统的一部分)。并且电离泡3”不再受到高温极片的影响而缩短电离泡的使用寿命，然而，其线圈所绕制之处，也会导致电离泡内壁局部发黄，不透色等现象的发生。此外，图2所示的电离源系统也是需要安装外置风扇来散热的，其热量主要来自于大功率的电感线圈，而风扇同时会造成氢气流量的大幅波动，从而影响到氢原子钟的频率稳定度。再者，目前立体悬空绕制的电感线圈会因为运输的原因而发生参数变化，使得电离源振荡频率发生变化而无法实现电离泡内氢气分子的电离，氢原子钟不能正常工作。
[0006]总体来说，这两种电离源电路实际上都是一个简单的克拉波射频振荡器，振荡管截止频率为400MHz，振荡频率107MHz，该电路的最大特点就是电离效率高，工作可靠性好。然而，其具有以下缺点：
[0007](1)由于电离泡的状态会随着运输和工作时长而发生变化，经运输后(受环境影响电容或者电感的参数会发生变化)输出频率信号发生改变，从而电离泡内氢气分子无法实现电离，因此都是需要人为手动来调节电离源的工作状态，降低了客户的使用体检。
[0008](2)电离泡使用时间长久后，由于氢原子与耐热玻璃发生化学反应而导致电离泡内壁发黄，不透色等现象，使得电离源不易于作用于电离泡内氢气分子而无法实现其电离。
[0009](3)电离源采用模拟电离模式，功耗大，发热大，为了散热安装外置风扇来散热，而风扇同时会造成氢气流量的大幅波动，从而影响到氢原子钟的频率稳定度。
[0010]考虑到如果一味强调增大电离泡的发光强度来获取更强的输出频率功率，势必导致电离泡被过度使用，寿命缩短，并且就实际应用而言，电离泡的光强参数并非能与氢原子钟频率信号的输出功率大小一一对应。因此，急需设计一种新的空间氢原子钟电离源系统，其在自动调节氢原子钟输出频率信号功率的同时还需要兼顾电离泡的工作寿命，这样氢原子钟才可以在高可靠、高稳定的状态下工作。
[0011]参考文献：
[0012]1.彭纪兴，上海天文台氢原子钟的新电离源[J].中国科学院上海天文台年刊，1996(17)；
[0013]2.谢勇辉，戴家瑜等.氢原子钟电离源系统.授权公布号：CN102749839B。

技术实现思路

[0014]本专利技术的目的在于提供一种主要解决现有电离源系统，以自动调节氢原子钟输出频率信号功率的同时还需要兼顾电离泡的工作寿命。
[0015]为了实现上述目的，本专利技术提供一种空间氢原子钟电离源系统，包括电离源主控电路、以及与电离源主控电路均相连的中频信号检测电路和振荡产生电路；所述中频信号检测电路设置为检测氢原子钟的中频信号的电压，并将电压检测结果发送给电离源主控电路；所述振荡产生电路设置为根据电离源主控电路发出的正弦波参数输出相应的正弦波，并将输出的正弦波作用到电离泡上；所述电离源主控电路设置为向振荡产生电路发出默认的正弦波参数，随后持续接收中频信号检测电路传过来的电压检测结果，根据所述中频信号检测电路的电压检测结果调整当前输出的正弦波参数，正弦波参数包括正弦波的频率和功率。
[0016]所述中频信号检测电路包括模数转换器和连接于氢原子钟的中频信号和模数转换器之间的分压模块。
[0017]所述振荡产生电路由依次连接的多通道频率合成器、低通滤波器、放大电路和电感线圈组成。
[0018]所述多通道频率合成器采用AD9959芯片，所述低通滤波器采用巴特沃斯低通滤波器，所述放大电路包括基于运算放大器OPA846的一级可调放大电路和二级可调放大电路。
[0019]所述电感线圈置于电离泡的顶部上方。
[0020]所述电离源主控电路包括主控芯片，所述主控芯片设置为：
[0021]S1：向所述振荡产生电路输出默认的正弦波参数；
[0022]S2：通过判断中频信号的电压检测结果是否达到设定的中频信号阈值来判断是否需要修改输出频率和功率，若中频信号的电压检测结果达到中频信号阈值，则主控芯片继续判断中频信号的电压检测结果是否达到中频信号阈值；否则，主控芯片在调整当前输出的正弦波参数后继续判断中频信号的电压检测结果是否达到中频信号阈值。
[0023]所述步骤S2包括：
[0024]步骤S21：判断中频信号的电压检测结果是否达到中频信号阈值；
[0025]步骤S22，根据判断本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种空间氢原子钟电离源系统，其特征在于，包括电离源主控电路(100)、以及与电离源主控电路(100)均相连的中频信号检测电路(200)和振荡产生电路(300)；所述中频信号检测电路(200)设置为检测氢原子钟的中频信号的电压，并将电压检测结果发送给电离源主控电路(100)；所述振荡产生电路(300)设置为根据电离源主控电路(100)发出的正弦波参数输出相应的正弦波，并将输出的正弦波作用到电离泡上；所述电离源主控电路(100)设置为向振荡产生电路(300)发出默认的正弦波参数，随后持续接收中频信号检测电路(200)传过来的电压检测结果，根据所述中频信号检测电路(200)的电压检测结果调整当前输出的正弦波参数，正弦波参数包括正弦波的频率和功率。2.根据权利要求1所述的空间氢原子钟电离源系统，其特征在于，所述中频信号检测电路(200)包括模数转换器和连接于氢原子钟的中频信号和模数转换器(201)之间的分压模块(202)。3.根据权利要求1所述的空间氢原子钟电离源系统，其特征在于，所述振荡产生电路(300)由依次连接的多通道频率合成器(301)、低通滤波器(302)、放大电路(303)和电感线圈(304)组成。4.根据权利要求3所述的空间氢原子钟电离源系统，其特征在于，所述多通道频率合成器(301)采用AD9959芯片，所述低通滤波器(302)采用巴特沃斯低通滤波器，所述放大电路(303)包括基于运算放大器OPA846的一级可调放大电路和二级可调放大电路。5.根据权利要求3所述的空间氢原子钟电离源系统，其特征在于，所述电感线圈(304)置于电离泡的顶部上方。6.根据权利要求1所述的空间氢原子钟电离源系统，其特征在于，所述电离源主控电路(100)包括主控芯片，所述主控芯片设置为：步骤S1：向所述振荡产生电路(300)输出默认的正弦波参数；步骤S2：通过判断中频信号的电压检测结果是否达到设定的中频信号阈值来判断是否需要修改输出频率和功率，若中频信号的电压检测结果达到中频信号阈值，则主控芯片继续判断中频信号的电压检测结果是否达到中频信号阈值；否则，主控芯片在调整当前输出的正弦波参数后继续判断中频信号的电压检测结果是否达到中频信号阈值。7.根据权利要求6所述的空间氢原子钟电离源系统，...

【专利技术属性】
技术研发人员：李锡瑞，封澳，陈翔，王宇谱，
申请(专利权)人：中国科学院上海天文台，
类型：发明
国别省市：