星載氫原子鐘用多段線圈式C場的仿真及應用*

潘志兵，謝勇輝，帥 濤，陳鵬飛，裴雨賢，潘曉燕，趙 陽，林傳富

(1. 中國科學院上海天文臺，上海 200030；2. 中國科學院大學，北京 100049)

星載氫原子鐘利用基態氫原子的超精細能級躍遷信號進行計時，具有頻率穩定度高、頻率漂移率低等優點。目前,其長期頻率穩定度可達3E-15/天，頻率漂移率小于5E-15/天，并已在衛星導航定位系統如北斗系統和伽利略系統中得到了廣泛應用[1-2]。

星載氫原子鐘的發展方向是進一步壓縮其重量和體積，并提高性能指標。頻率穩定度理論計算公式[3-4]為

(1)

其中，α為氫原子鐘的振蕩參數，定義為

(2)

其中，QC為腔泡系統的Q值；η′為腔泡系統的微波填充因子，(1)式和(2)式中其他參數的意義詳見文[3]。由(1)式和(2)式可知，星載氫原子鐘的穩定度指標由腔泡系統的Q值、微波填充因子和原子馳豫時間等決定。為了保證星載氫原子鐘的穩定度指標，要求腔泡系統具有盡可能高的Q值、微波填充因子和原子壽命。因此，腔泡系統的性能直接決定了整機性能指標，是星載氫原子鐘的核心組件。

星載氫原子鐘儲存泡內的氫原子在軸向靜磁場(C場)的作用下，由微波腔內的微波場激勵氫原子自(F=1，mF=0)態躍遷至(F=0，mF=0)態。腔泡系統的微波填充因子η′反映了微波場與原子體系和軸向靜磁場(C場)的耦合情況。C場的作用是將各量子態去簡并，為原子躍遷提供量子化軸。如果C場在儲存泡區域內的分布與微波場不一致，則處于該非均勻靜磁場作用下的氫原子在儲存泡內發生共振躍遷時，有部分原子的躍遷頻率偏離期望的原子躍遷中心頻率，從而降低了(0-0)躍遷的峰值強度[5-6]，進而影響躍遷譜線的增益和信噪比?！?br>