1、本科毕业论文（20 届）缓冲气体在汞离子微波频标中作用的研究所在学院 专业班级 应用物理 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - 2 -缓冲气体在汞离子微波频标中作用的研究摘要本论文主要总结了利用离子囚禁技术即四极线性离子的离子阱电极上的静电场，将作为工作物质的汞离子长时间的约束在环境可以看成真空地“自由空间”，并利用缓冲气体冷却减小汞离子的平均动能，使之冷却到满足 条件后，定量地计算从缓冲气DickeLamb体减少汞离子的多谱勒频移、对汞离子冷却率的值以及对汞离子钟跃迁谱线带来减小的影响等方面，研究缓冲气体在汞离子微波频标中的作用。并简要说明缓冲气体在其他种频标中的作用。关键词
2、：离子囚禁、离子阱、缓冲气体冷却、多谱勒频移、冷却率、钟跃迁谱线、微波频标- 3 -Buffer gas frequency standard in mercury ion microwave ResearchSummaryThis paper summarizes the use of plasma confinement technology that is electrostatic field ion quadrupole linear ion trap electrodes on the time constraints in a vacuum environment can be
3、seen as “free space“, and the use of a buffer gas as the working substance mercury ions after cooling to reduce the average kinetic energy of mercury ions, allowed to cool to meet the conditions, quantitatively calculate the reduction of mercury ions from the buffer gas Doppler shift of mercury ion
4、cooling rate values and to bring the mercury ion clock transition line and other aspects of the impact of reduced, to study the role of the buffer gas in the mercury ion microwave frequency standard in. And a brief description of the role of the buffer gas in other species Frequency Standard.Keyword
5、s: ion captivity, ion trap buffer gas cooling, Doppler shift, cooling rate, clock transition lines, microwave frequency standard- 4 -目录第一章 绪论 .41.1 原子频标的介绍 .41.2 线型离子阱的介绍 .71.3 汞离子微波频标介绍 .8第二章 缓冲气体在汞离子微波频标中的作用 .112.1 缓冲气体在汞离子微波频标中对多普勒频移的减小 .112.1.1 缓冲气体在汞离子微波频标中对一阶 频移的影响 . 11oplerD2.1.2 缓冲气体在汞离子微波频标
6、中对二阶 频移的影响 . 122.2 缓冲气体在汞离子微波频标中对汞离子的冷却率 .142.3 缓冲气体在汞离子微波频标中对汞离子钟跃迁谱线的影响 .19第三章 缓冲气体在其他种频标中的作用 .21第四章 总结与展望 .22参考文献 .23谢辞 .24- 5 -第 1 章 绪论 原子频标介绍【1】时间是物理学中的一个基本物理量，是人们研究自然万物所不可缺少的。而在当代生活中，人们充分认识了时间的重要性，精确计时对人类越来越重要，这就需要人们能够有精确计算时间的仪器。原子频标发展历程：上世纪 30 年代 和 发明了abi.RIZachris.J磁共振技术，并提出利用原子的超精细跃迁频率来作为时间
7、测量基准的理论，而在 1949 年 发明了分离振荡场技术后，第一个铯原子束基态超amsey.RFN精细跃迁谱线控制振荡器频率是英国国家物理实验室在 1955 年成功完成的，并得到了实用的原子频标装置。自此，人类的时间测量和计时及生活研究等方面进入了一个崭新的历程。各种类型的原子频标已广泛的用于守时、授时、导航定位、通信、网络同步和科学研究等人类生产生活的各个方面。原子频标按其工作方式可分为：非自激型频标和自激型频标，或称为被动型频标和主动型频标两类。主动型是自持振荡原理：在跃迁上、下能级保持粒子数反转的工作原子，当所处的谐振腔 Q 值足够高时，无需外界输入谐振辐射场，能建立和维持相干的受激辐射
8、。在被动型中，是以参与钟跃迁的工作原子作为鉴频器，对辅助的振荡源（伺服振荡器）的频率进行探测，当后者的频率等于原子钟跃迁频率时，原子跃迁几率最大，从而给出某种信号，并在技术上设法使振荡源保持在此频率。原子频标发展到至今，要说应用比较广泛的仍是基于铯、氢、铷三种元素的实用型原子频标。如果要按发展的时间和对新兴技术的采用来划分现有原子频标，通常被分为传统原子频标和新型频标两类。1）实用型传统原子频标铯束原子频标【2】：目前仍用作时间频率基准的是铯束频标。尤其以德国联邦物理技术研究所（ ）、美国标准技术研究所（它们的主要功能是定时PTB向 定向发送数据，提供精确的时间（秒长）。其它国家研究铯基准的准
9、BIPM确度一般在 量级。目前国际上使用小型商品铯束频标仍然是最广泛的。150- 6 -最早期的小铯钟，其准确度为 。最近几年来，美国 公司推出107.HP一种新产品 型小铯钟，其准确度达 ， 天取样时间AHP50711204的稳定度可达 。 6被动型铷原子频标：它是一种传统实用型的气泡式原子频标，尽管其有些方面没有铯频标要好，可由于这类频标体积小、价格低、预热快和功耗小等方面突出，故应用最为广泛。到如今，其还有很大的研究价值，主要集中于应该怎样改进其指标，增强其对恶劣环境的适应性和可靠性，以及怎样尽可能减小其功耗、体积耗费量。氢原子频标【3】：在传统原子频标中氢原子频标的稳定度是最高的，稳定
10、度达 量级，而准确度为 。近年来，主动型氢频标的主要努力方1601305向是在保持高性能的前提下，实现其小型化。到如今，它不仅在性能指标方面有着显著提高，而且在重量、体积和商品化程度也有重大进展。2）新型原子频标理想的原子频标应该具有非常窄的共振谱线，所以实现原子频标的高准确度和稳定度就与寻找获得窄谱线的方法和系统联系在一起。随着新技术研究的不断成功，特别是激光冷却、原子囚禁等技术的不断完善，使得制备一种孤立原子或离子系统成为可能。在这种系统中，原子或离子几乎处于静止状态，且不受周围环境影响，原子与辐射场相互作用时间长，多普勒频移与谱线增宽将降到很小，碰撞频移与碰撞增宽以及渡越时间增宽都将降到
11、很小的范围。铯原子喷泉型频标【4】：其工作原理是通过六束对射激光加上磁场将铯原子冷却囚禁，并形成温度极低的光学粘团，然后利用声光调制，来改变垂直方向的一对激光束的频率，从而移动原子粘团。当粘团速度达到预定值后，就关掉囚禁激光，使 Cs 原子处于自由状态穿过谐振腔上升，而后自由下落再次通过谐振腔。在原子再次通过微波腔后，原子落经一个调谐于 D2 线的另一分量的探测激光束上，对在微波腔中产生钟跃迁的原子进行检测，形成与 跃迁amseyR相应的荧光信号，以此信号实现对压控晶振的锁定。法国 已经制成这种LPTF标准，并且实现了 的准确度。1503- 7 -光抽运艳束频标： 年法国原子钟实验室发表了光抽
12、运铯束频标, 并得到了1980重视。这类原子频标是用调谐于 Dz 线的两束激光来代替传统的选态磁铁来进行能态选择；并且传统原子的热丝检测开始用荧光探测输出光电信号为代替；而微波相互作用范围不怎么变化。这种激光技术提高束利用率和艳束标准的信噪比,并非常明显的提高标准的稳定度；同时, 也消除了 跃迁，非常majorn有效的减小二级 频率修正的不确定性。oplerDCPT 原子频标:相干布居囚禁（ ）现象是coherntpulatirpigCPT在 1976 年被发现并提出了完整的理论分析。 的本质是激光场可以使具有CPT特定构型的原子能级之间产生相干耦合，在原子基态两个能态之间形成相干布居数囚禁，
13、从而导致无反转受激电磁辐射或电磁诱导透明。离子阱频标【5】:离子阱频标是 1966 年由 首先提出的，通过加在ehmltD特定构型的阱电极上的静电、磁场或射频场，将作为工作物质的离子，长时间地约束在环境参数恒定和近于无干扰地超高真空区，再应用缓冲气体冷却或激光冷却减少离子的平均动能，从而有效的减少了 频移，利用信号积累opler和平均技术、可大大提高信噪比。这种囚禁离子具有基本不受实物粒子和场的扰动，运动效应小和量子态相干时间长等内在特点，谱线宽度极窄，各种频移很小，微波频标准确度达 。1706光频标：随着激光技术的发展和飞秒光梳技术的出现，可以使光频谱线来做频标。光频标的优点在于：在同样谱线
14、增宽的条件下，提高跃迁频率会相应提高谱线的 Q 值，这对改善频标的稳定度和准确度具有很好的作用。光频标的物理系统有：囚禁离子和冷原子两种。离子阱微波频标【6】:开始时，是由 在 1966 年提出把离子阱技术ehmltD应用到频标上。由于囚禁离子几乎不受实物粒子和场的干扰，从而使其运动效应变的很小和量子态相干时间被延长，因此以囚禁离子作为工作物质的离子微波频标，便可以获得极窄的线宽，并且各种频移也变的很小。离子阱微波频标一般为被动式频标，首先是光抽运选态，使得离子布居在其基态超精细分裂的某个能级上，然后用微波给离子系统发出探寻信号，并利用离子某一对能级的跃迁谱线的频率进行鉴频，最后经伺服、锁频将
15、探寻信号频率变成跃迁谱线的- 8 -中心频率上。1.2 线型离子阱介绍线型阱由四根平行排列电极杆加上两个端帽组成。其结构如下图（1.2）所示。四根电极上加交变射频电压，两个端帽上加静电场。这样的构型使势能最低点在线型阱在与四根电极棒平行的中心对称轴上。而线型阱中离子是被囚禁在中心对称轴附近， 离子云成“线形”排列。杆电极帽电极 图1.2线型离子阱结构图Figure 1.2A linear ion trap Chart线型离子阱微波频标介绍：1990年美国喷气式推进实验室（JPL）通过第一台线性阱 , 得到线宽 , 信噪比40, 稳定度 的结果。1LITHzm1601306.在1994年频控会议
16、上, 他们报导了自己的两台线型离子阱频标LITS-1和LITS-2的9天比对结果, 稳定度符合为 。1996年 采用低温的 （13JPLCSO）本振，得到了 短期稳定度。同年ompensatdChireSsclatorO1402采用分区式线型阱的结构，将光选态和微波探寻区分开，使得频标的长期JPL稳定度得到提高。线型离子阱微波频标之所以可以达到这样优越的稳定度，很重要的原因之一- 9 -是其非场好抑制了二级多普勒频移增大。汞离子阱微波频标中，囚禁汞离子的数目对频标的信噪比（SRN）的提高是一个很关键的因素，我们由稳定度计算公式： 可以看SNRQ10y出囚禁汞离子数越多，频率稳定度越高。但是大量
17、的汞离子的存在，使得离子之间的距离缩短、库仑相互作用增强。汞离子在库仑相互作用下动能增加，从而导致了二级多普勒频移变大。 因此汞离子数的增加往往会增大二级多普勒频移的影响，应该想办法消除其影响。 3汞离子微波频标介绍【7】是离子阱微波频标的候选离子之一，世界上第一台离子阱频标使用g19H的就是 。美国 公司于 1987 年研制成三台实用的 频标，在Pg19H美国海军天文台 用作定时主钟，经十多年连续不停观察研究，发现其 USNO天的频率稳定度可达 10-15 量级，是当时世界上最好的商品 钟。1989 10 sC年，美国喷汽推进实验室 在 大力支持下，提出用线型阱代替双曲JPLAS面型阱，开发
18、出共振区和检测区合一的单区式线型阱 频标 ，实测中短g19H期稳定度优于 ,10 天以上的稳定度和漂移率达 ,长稳为目1407 1405前和近期可能出现的频标中的最佳者。1994 年 ， 研制出共振区和检测区JPL分离的分区式 频标，稳定度较单区式又有改进，特别是体积和重量大为g19H降低（体积为单区式的 1/10,重量约 ）。2003 年 把多级离子阱囚禁g10KJ技术应用到 频标中使得其天稳达到了 10-16 量级，可以说线型汞离子微波19频标是下一代星载频标最具吸引力的候选者。汞离子微波频标的工作原理【8】:因为 的核自旋为 ，并具有简单g19H21的超精细结构能级，其基态有 4 个子能
19、级：F=0， ;F=1， ;F=1，0mFF;F=1， 。0mF1F通过查阅资料，下图是我找来的汞离子微波频标工作原理示意图：中性加热为蒸汽，经电子轰击形成 ， 在线性离子阱中由于受到囚g19Hg1H19- 10 -禁原理的作用，被囚禁在陷阱中，该陷阱中充有 3-10Pa 的氦气，使 由于g19H和缓冲惰性气体氦气多次碰撞，用来减弱 动能。g9H速度减到满足 条件后，用 放电灯的 194.2nm 谱g19HDickeLamb20线进行光抽运， 谱灯发出的波长为 194.2nm 的谱线将囚禁于阱中处于20基态中 （ F=1）态的 离子抽运到 态，处于 态的汞离子一定有21Sg19H21P21汞离
20、子以一定概率经过自发辐射分别回到 （ F=0，F=1）两个基态，经过 1 S秒左右时间的抽运，处于基态 （F=1）的离子数减少，离子几乎全部集中到21（ F=0）态。21S当 （F=1）态离子数被抽空后，谱灯不能再将离子抽运到 态，在外21P加 40.5GHz 微波场作用下，离子发生共振吸收，处于 （F=0）态离子跃迁到21S（ F=1）态，使处于 （F=1）态离子数增加，并重新吸收 194.2nm 的光21S21S跃迁到 态，再进行光抽运。PMercury ion microwave energy levels and 9 mercury ion frequency standard block diagram
