一种氢原子钟塞曼磁场产生系统技术方案

本实用新型专利技术涉及一种氢原子钟塞曼磁场产生系统，包括依次电连接的控制系统、精密电压控制模块、氢原子钟塞曼磁场线圈和频谱分析仪，所述频谱分析仪还与所述控制系统电连接。本实用新型专利技术的氢原子钟塞曼磁场产生系统，通过精密电压控制模块稳定输出微小的恒定电流，通过控制系统以微小步进量控制PWM波的占空比，以控制恒定电流的大小，并得到最大功率点对应的占空比，根据该占空比输出PWM波，即可得到最佳磁场强度的塞曼磁场。本实用新型专利技术的氢原子钟塞曼磁场产生系统通过控制系统自动寻找最佳磁场强度，步进量小，精度高。精度高。精度高。

【技术实现步骤摘要】
一种氢原子钟塞曼磁场产生系统


[0001]本技术涉及氢原子钟领域，更具体地涉及一种氢原子钟塞曼磁场产生系统。

技术介绍

[0002]氢原子钟是基于原子内态能级跃迁的频率标准，是我国计量、守时、科学研究的时间频率基准源，是深空探测和导航定位等国家重大工程的核心设备。自我国自主研制成功以来，长期在各种计量、守时、导航、探测和科研的时频基准中占据较大权重，是我国技术发展重大突破目标的重点。
[0003]塞曼磁场是氢原子钟的关键部件，用于产生在整个氢原子储存泡区域内与微波谐振磁场方向一致的静磁场。静磁场提供原子一定的特殊取向，使 mF＝0的能级与其他和磁场强度线性有关的能级分开，使得基态氢原子F＝1的能级发生分裂，产生3个超精细结构能级；塞曼磁场将各量子态去简并，为超精细结构能级跃迁提供量子化方向，使
│
F＝1，mF＝0＞
→│
F＝0，mF＝0＞跃迁(σ跃迁)得以实现。
[0004]目前氢原子钟的塞曼磁场产生是由数码拨盘提供的，数码拨盘拨动到不同的数字即输出不同的电阻值，拨盘的电阻值与塞曼磁场线圈的电阻值构成分压电路，在塞曼磁场线圈产生变化的电流值，形成变化的磁场强度。氢原子钟在变化的塞曼磁场的作用下，通过频谱分析仪可以看出0
‑
0态原子跃迁信号功率的强弱，不同拨盘数字产生不同磁场的同时，频谱分析仪会看到信号的不同功率情况。改变拨盘数字的目的就是要找出当多大阻值时候(即拨盘是什么数值时)，频谱分析仪输出的信号功率最强。
[0005]但是，现有的数码拨盘存在以下两个缺点：1)数码盘为手动操作，当感觉信号够强了，通常就不再去拨，导致该功率最大值点很可能只是一个相对较大的数值点而不是真正需要的最大值点，即导致不精确；2)拨盘的数位有限，拨盘一个数字的变化会引入很大的步进量，使得产生的磁场数值变化较大，精度较低，从而引入多种跃迁频率信号，无法保证跃迁频率的稳定，最终影响氢原子钟的频率稳定度的进一步提高。

技术实现思路

[0006]本技术的目的在于提供一种氢原子钟塞曼磁场产生系统，以产生强度精确的塞曼磁场。
[0007]本技术提供一种氢原子钟塞曼磁场产生系统，包括依次电连接的控制系统、精密电压控制模块、氢原子钟塞曼磁场线圈和频谱分析仪，所述频谱分析仪还与所述控制系统电连接。
[0008]进一步地，所述控制系统设置为输出一脉冲宽度调制波至所述精密电压控制模块。
[0009]进一步地，所述脉冲宽度调制波为方波且电压最大值为3.3V。
[0010]进一步地，所述精密电压控制模块包括第一电阻R1、第一电容C1、第二电阻R2、第二电容C2、运算放大器、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第一开关S1、第二开关S2和
第三开关S3，第一电阻R1的一端与控制系统电连接，另一端分别与第一电容C1的一端和第二电阻R2的一端电连接，第一电容C1的另一端接地，第二电阻R2的另一端分别与第二电容C2 的一端和运算放大器的同相输入端Vp电连接，第二电容C2的另一端接地，运算放大器的输出端Vo与所述氢原子钟塞曼磁场线圈的一端电连接，第三电阻R3和第一开关S1串联组成的第一串联电路、第四电阻R4和第二开关S2 串联组成的第二串联电路以及第五电阻R5和第三开关S3串联组成的第三串联电路彼此并联电连接，形成一个并联电路，所述并联电路的一端分别与运算放大器的反相输入端Vn和电感L的另一端电连接，所述并联电路的另一端接地。
[0011]进一步地，所述控制系统设置为控制所述第一开关S1、所述第二开关 S2和所述第三开关S3的闭合或断开。
[0012]进一步地，所述第三电阻R3、第四电阻R4和第五电阻R5的阻值依次递增。
[0013]进一步地，所述控制系统为树莓派或单片机。
[0014]进一步地，所述控制系统设置为采集所述频谱分析仪中的信号分析图。
[0015]进一步地，所述控制系统设置为以一预设步进量使所述脉冲宽度调制波的占空比从0逐次增加至1，并在每增加一次时，采集频谱分析仪中的信号分析图，获得不同占空比时的功率，比较后得到最大功率及其对应的占空比。
[0016]进一步地，所述预设步进量为1/65535。
[0017]本技术的氢原子钟塞曼磁场产生系统，通过精密电压控制模块稳定输出微小的恒定电流，通过控制系统以微小步进量控制PWM波的占空比，以控制恒定电流的大小，并得到最大功率点对应的占空比，根据该占空比输出PWM波，即可得到最佳磁场强度的塞曼磁场。本技术的氢原子钟塞曼磁场产生系统通过控制系统自动寻找最佳磁场强度，步进量小，精度高。
附图说明
[0018]图1为根据本技术实施例的氢原子钟塞曼磁场产生系统的示意图；
[0019]图2为根据本技术实施例的精密电压控制模块的电路图；
[0020]图3为根据本技术实施例的控制系统自动寻找功率最大点及其对应电压的流程图。
具体实施方式
[0021]下面结合附图，给出本技术的较佳实施例，并予以详细描述。
[0022]如图1所示，本技术实施例提供一种氢原子钟塞曼磁场产生系统，包括依次电连接的控制系统1、精密电压控制模块2、氢原子钟塞曼磁场线圈 3和频谱分析仪4，频谱分析仪4还与控制系统1电连接。控制系统1向精密电压控制模块2输出脉冲宽度调制波(PWM波)，并且以微小步进量调节PWM 波的占空比精密电压控制模块2，然后精密电压控制模块2输出一个恒定的输出电流加载到氢原子钟塞曼磁场线圈3上，接着将塞曼磁场线圈3在当前输出电流驱动下产生的跃迁频率信号接入频谱分析仪4进行信号功率分析，之后控制系统1对频谱分析仪4中的图像进行采样，比较所有占空比的值对应的功率点后找到最大功率点对应的PWM波的占空比，并恒定输出该占空比的 PWM波，此时塞曼磁场线圈将工作在最大功
率点，从而产生强度准确的塞曼磁场。
[0023]如图2所示，精密电压控制模块2包括第一电阻R1、第一电容C1、第二电阻R2、第二电容C2、运算放大器、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第一开关S1、第二开关S2和第三开关S3，第一电阻R1的一端与控制系统1电连接，另一端分别与第一电容C1的一端和第二电阻R2的一端电连接，第一电容C1的另一端接地，第二电阻R2的另一端分别与第二电容C2 的一端和运算放大器的同相输入端Vp电连接，第二电容C2的另一端接地，运算放大器的输出端Vo与电感L(即氢原子钟塞曼磁场线圈)的一端电连接，第三电阻R3和第一开关S1串联组成的第一串联电路、第四电阻R4和第二开关S2串联组成的第二串联电路以及第五电阻R5和第三开关S3串联组成的第三串联电路彼此并联电连接，形成一个并联电路，该并联电路的一端分别与运算放大器的反相输入端Vn和电感L的另一端电连接，并联电路的另一端接地。
[0024]控制系统1输出一占空比可调的方波，即脉冲宽度调制波(Pulse Width Modulatio本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氢原子钟塞曼磁场产生系统，其特征在于，包括依次电连接的控制系统、精密电压控制模块、氢原子钟塞曼磁场线圈和频谱分析仪，所述频谱分析仪还与所述控制系统电连接。2.根据权利要求1所述的氢原子钟塞曼磁场产生系统，其特征在于，所述控制系统设置为输出一脉冲宽度调制波至所述精密电压控制模块。3.根据权利要求2所述的氢原子钟塞曼磁场产生系统，其特征在于，所述脉冲宽度调制波为方波且电压最大值为3.3V。4.根据权利要求1所述的氢原子钟塞曼磁场产生系统，其特征在于，所述精密电压控制模块包括第一电阻R1、第一电容C1、第二电阻R2、第二电容C2、运算放大器、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第一开关S1、第二开关S2和第三开关S3，第一电阻R1的一端与控制系统电连接，另一端分别与第一电容C1的一端和第二电阻R2的一端电连接，第一电容C1的另一端接地，第二电阻R2的另一端...

【专利技术属性】
技术研发人员：李苗，李锡瑞，刘子宸，方二喜，蔡勇，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：新型
国别省市：