基于發射光譜法的氫鐘電離源參數分析探究

井鑫，戴家瑜，劉鐵新，帥濤，陳翔

(1.中國科學院 上海天文臺，上海 200030；2.中國科學院大學 天文與空間科學學院，北京 100049)

0 引言

近年來，我國致力于發展北斗三號衛星導航系統且已全面建成并投入使用，作為北斗系統的“心臟”，原子鐘決定了導航系統的定位、測速和授時精度，北斗三號衛星采用了更高性能的氫原子鐘和銣原子鐘，其中氫原子鐘作為主鐘服務于北斗系統[1-4]。電離源是氫原子鐘的關鍵部件，通過制造氫等離子體實現制備氫原子鐘工作所必須的氫原子，同時也是氫鐘故障分析中的重點研究對象[5]。長期以來，國內外研究人員根據電離泡發光強度判斷其工作狀態，但缺乏理論與實驗依據。

在氫原子鐘電離源工作時，電離泡內的氫氣在線圈產生的電磁場中電離后形成由離子、電子、原子及分子組成的近似電中性的氫等離子體。工作達到穩定后的氫等離子體會發出耀眼的玫瑰紅色光，由氫原子內的電子在Balmer線系躍遷產生，吸收光子能量的電子進入激發態后，激發態氫原子的外層電子由高能級向主量子數n=2的量子態能級躍遷時，多余能量以電磁輻射的形式發射出去，采用光譜儀測量，得到發射光譜譜線。發射光譜法(OES,optical emission spectroscopy)是一種非常成熟的等離子體光譜診斷法，具有穩定性高、時間響應快、準確度高、實驗儀器簡單等優點[6-8]。

制備氫等離子體時，需要控制產生射頻電磁場的電離源線圈電壓、頻率、氫氣流量等參數。通過調節電離源射頻線圈電壓調節電磁場的強弱及其分布，調節鎳提純器電流來控制進入電離泡的氫氣流量，設置電容片兩極板的重合率調節其頻率。……