多極阱中汞離子數密度分布對二階多普勒頻移的影響

楊軍，朱宏偉，劉志棟

(1.蘭州空間技術物理研究所,蘭州 730000;2.真空技術與物理重點實驗室，蘭州 730000)

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基于射頻囚禁阱的離子微波鐘在體積、穩定度、漂移率和可靠性等方面具有明顯優勢，已成為量子精密測量技術領域的一個研究熱點。星載汞離子微波鐘可具備氣泡型銣原子鐘的體積、主動型氫原子鐘和磁選態銫原子鐘的性能，以其優良性能和高可靠性，有望用于深空探測和下一代全球導航定位系統[1-2]。

目前，國內外有多家單位正在開展汞離子微波鐘的相關研究工作，相較而言，美國JPL(Jet Propulsion Laboratory)噴氣推進實驗室[3-9]在汞離子微波鐘的研制方面處于國際領先水平。2019年JPL實驗室首次在國際上將汞離子微波鐘發射到了太空，并開展了為期1年的深空原了鐘(DSAC)任務演示驗證實驗，驗證其單向導航的可操作性和有效性，經在軌數據分析表明：汞離子鐘的在軌頻率穩定度為(3～5)×10-15/1 d，頻率漂移率為3.0(0.7)×10-16/1 d[9]。該汞離子鐘在物理設計上采用四極阱與十六極阱相串聯而成的兩級分區式離子阱結構，實現了穩定囚禁汞離子和抑制二階多普勒頻移的目的。其中，四極阱用于離子制備和熒光探測等，十六極阱用于離子儲存和微波作用，通過控制阱區間的電壓可實現離子在兩區間的穿梭運動。

關于這種設計的技術優勢，JPL實驗室[10]利用多極阱中離子數密度沿徑向分布的物理模型，通過分析四極阱和十二極阱中離子云分布對二階多普勒頻移大小的影響而得出。該模型對于研究線型離子阱中離子云的規律，設計和優化用于離子鐘的高性能離子阱有重要作用，國內中國科學院武漢物理與數學研究所[11]基于該模型開展了有關汞離子微波鐘的研究工作。……