汞離子微波鐘技術(shù)研究進(jìn)展

王暖讓易 航薛瀟博張升康

（北京無(wú)線電計(jì)量測(cè)試研究所，計(jì)量與校準(zhǔn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100039）

1 引言

汞離子微波鐘是空間時(shí)頻系統(tǒng)的心臟，其性能指標(biāo)關(guān)乎國(guó)家安全和社會(huì)科學(xué)技術(shù)發(fā)展［1-3］，未來(lái)可廣泛應(yīng)用于下一代北斗衛(wèi)星導(dǎo)航、空間站和深空探測(cè)等重大領(lǐng)域［4-6］。美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）研制的星載汞離子微波鐘日穩(wěn)可達(dá)3E-15／1d，體積17L［7］，較傳統(tǒng)星載原子鐘優(yōu)勢(shì)明顯。歐空局于2014年斥巨資委托Spectratime 公司開展該頻標(biāo)的研制［8］。航天二院二〇三所已開展汞離子微波鐘的研制工作，目前已突破大量關(guān)鍵技術(shù)，完成整鐘閉環(huán)鎖定及指標(biāo)測(cè)試，正在進(jìn)行集成化和小型化研究［9，10］。

2 系統(tǒng)組成及指標(biāo)理論計(jì)算

汞離子微波鐘主要包括四極離子阱、汞光譜燈及其光路控制系統(tǒng)、緩沖氣體離子冷卻系統(tǒng)及40.5 GHz高穩(wěn)微波源等，其原理框圖如圖1 所示。

圖1 汞離子微波鐘原理框圖Fig.1 Sketch map of mercury ion trapped microwave clock

汞離子微波鐘主要技術(shù)特點(diǎn)表現(xiàn)為離子囚禁、緩沖氣體冷卻及汞光譜燈泵浦。其中離子囚禁將離子限制在共振頻率的半波長(zhǎng)范圍內(nèi)，可有效降低多普勒效應(yīng)引起的譜線頻移和增寬；緩沖氣體冷卻可有效降低離子的運(yùn)動(dòng)速度，實(shí)現(xiàn)大數(shù)目離子云的穩(wěn)定囚禁，相對(duì)于激光冷卻結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易集成；汞光譜燈泵浦相對(duì)于激光器泵浦，可以實(shí)現(xiàn)小型化、實(shí)用化且可靠性高。

根據(jù)Lamb-Dicke 理論，二階多普勒效應(yīng)是汞離子微波頻標(biāo)指標(biāo)受限的主要因素，其主要來(lái)源是汞離子在阱中的微運(yùn)動(dòng)，經(jīng)計(jì)算可得二階多普勒頻移如式（1）：

由式（1）、式（2）可見(jiàn)，二階多普勒頻移與離子囚禁數(shù)量成反比，與囚禁離子溫度成正比。汞光譜燈的性能直接影響離子囚禁的數(shù)量與離子裝載的速度，汞光譜燈指標(biāo)越高，囚禁數(shù)量越多，裝載速度越快，多普勒頻移越小，汞離子微波頻標(biāo)的Ramsey線寬越窄，其頻率穩(wěn)定度及準(zhǔn)確度指標(biāo)越高。但由于整個(gè)系統(tǒng)非常復(fù)雜，各個(gè)指標(biāo)相互之間交叉影響，很難定量計(jì)算。

汞離子微波鐘頻率穩(wěn)定度的估算如式（3）所示：

式中：σy（τ）——頻率的阿倫方差；f0——譜線中心頻率；Tc——一次完整的鑒頻周期；SNR——信噪比；Δf——譜線線寬；τ——采樣時(shí)間。

據(jù)此計(jì)算可得到理論頻率穩(wěn)定度如下：8.3 ×10-14／1 s，8.3 ×10-15／100 s，8.3 ×10-16／10 000 s，日穩(wěn)可進(jìn)入E-16 量級(jí)。

3 關(guān)鍵組件設(shè)計(jì)

3.1 汞光譜燈設(shè)計(jì)

汞光譜燈主要包括汞發(fā)光泡、高頻激勵(lì)源和冷端溫控模塊。汞發(fā)光泡是汞光譜燈發(fā)光的核心部分，發(fā)光泡內(nèi)充汞同位素以及起輝氣體——?dú)鍤猓瑲鍤獾暮繉?duì)抽運(yùn)譜線194 nm 譜線的強(qiáng)度影響較大。我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到了原子譜線254 nm 和抽運(yùn)譜線194 nm 發(fā)光強(qiáng)度隨著氬氣氣壓的變化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2 所示。可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)充入氬氣的氣壓為1 Torr時(shí)，抽運(yùn)譜線194 nm 的相對(duì)光強(qiáng)最大。

圖2 輸入功率為15 W，194 nm 和254 nm 譜線強(qiáng)度（相對(duì)值）曲線圖Fig.2 Curve of 194 nm and 254 nm spectral line intensities（relative values）with an input power of 15 W

通過(guò)TEC 制冷方式對(duì)汞光譜燈的冷端進(jìn)行溫度控制，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到抽運(yùn)譜線194 nm 在不同溫度下的發(fā)光強(qiáng)度，可得到抽運(yùn)譜線194 nm 光強(qiáng)最強(qiáng)的溫度，其測(cè)試結(jié)果如圖3 所示。可見(jiàn)當(dāng)冷端溫度為65 ℃時(shí)，抽運(yùn)譜線194 nm 的發(fā)光強(qiáng)度最大，因此選擇此溫度點(diǎn)作為溫控點(diǎn)。

圖3 不同溫度下194 nm 譜線強(qiáng)度曲線圖Fig.3 Curve of 194 nm spectral line intensity at different temperatures

汞光譜燈實(shí)物照片如圖4 所示。外形為邊長(zhǎng)50 mm 的正方體，通過(guò)躍遷信號(hào)測(cè)試的反復(fù)實(shí)驗(yàn)及調(diào)試，抽運(yùn)譜線194 nm 的強(qiáng)度達(dá)到實(shí)驗(yàn)需求，信號(hào)幅度5 萬(wàn)光子數(shù)左右（采樣時(shí)間1 s），優(yōu)于美國(guó)JPL汞離子微波鐘的信號(hào)幅度。

圖4 汞光譜燈實(shí)物圖Fig.4 Picture of mercury lamp

3.2 離子阱設(shè)計(jì)

汞離子微波鐘的離子阱采用四極阱，阱電極為圓柱形，材料選擇鈦，支撐絕緣材料為陶瓷。對(duì)角阱電極各為一組，兩組電極分別加載相位差180°的射頻電壓，形成囚禁馬鞍面，如圖5 所示。四極線型阱在阱內(nèi)部產(chǎn)生的電勢(shì)為：

圖5 離子阱電勢(shì)圖Fig.5 Electric potential of the ion trap

經(jīng)計(jì)算得到離子阱尺寸如下：阱電極的半徑re＝4 mm，阱中心到阱電極表面的距離r0＝10 mm，阱的長(zhǎng)度為50 mm，射頻驅(qū)動(dòng)電壓頻率為1 MHz。

根據(jù)此尺寸進(jìn)行仿真，電場(chǎng)仿真結(jié)果如圖6 所示。離子阱實(shí)物如圖7 所示。

圖6 四極線型離子阱的電場(chǎng)仿真結(jié)果圖Fig.6 Simulation results of the ion trap

圖7 離子阱實(shí)物圖Fig.7 Picture of the ion trap

4 整鐘閉環(huán)實(shí)驗(yàn)研究

汞離子微波鐘的閉環(huán)鎖定示意圖如圖8 所示。閉環(huán)鎖定過(guò)程如下：由40.5 GHz 低相噪頻綜通過(guò)喇叭向離子阱中心發(fā)射40.5 GHz 的微波信號(hào)，與處于譜線低能級(jí)的離子相互作用，完成離子數(shù)的反轉(zhuǎn)，通過(guò)熒光探測(cè)系統(tǒng)得到不同微波頻率下的光子數(shù)。微波頻率在Ramsey 中心波譜半高寬位置所對(duì)應(yīng)的兩個(gè)頻率間進(jìn)行跳頻，通過(guò)Ramsey 中心波譜半高寬位置的光子數(shù)差進(jìn)行鑒頻。通過(guò)物理系統(tǒng)鑒頻后，將得到的誤差信號(hào)輸入到控制模塊中，通過(guò)運(yùn)算，得到誤差電壓輸出到高穩(wěn)晶振（如BVA8607-BE），調(diào)整高穩(wěn)晶振的輸出頻率，將其鎖定在物理系統(tǒng)的躍遷譜線上，從而得到中、長(zhǎng)期穩(wěn)定度俱佳的汞離子微波頻標(biāo)。同時(shí)高穩(wěn)晶振可輸出一路10 MHz 的微波信號(hào)用以測(cè)量其頻率穩(wěn)定度、頻率準(zhǔn)確度等性能指標(biāo)。

圖8 閉環(huán)鎖定原理示意圖Fig.8 Schematic diagram of closed loop locking

按照總體框圖完成系統(tǒng)組裝，首先進(jìn)行汞離子躍遷信號(hào)探測(cè)。各參數(shù)設(shè)置如下：汞光譜燈電壓12 V，電流1.5 A；囚禁射頻場(chǎng)頻率1.1 MHz，電壓峰峰值為2 000 V；汞爐子電壓為0.6 V，電流為9.5 A；電子槍燈絲電流1.45 A，陽(yáng)極板電壓為200 V。

找到躍遷信號(hào)后，即可進(jìn)行躍遷譜線探測(cè)，在一定范圍內(nèi)，通過(guò)掃描微波頻率即可得到汞離子的躍遷譜線。如圖9 所示，直接掃頻線寬1 Hz 左右。

圖9 躍遷譜線示意圖Fig.9 Schematic diagram of the clock microwave resonance signal

閉環(huán)鎖定后，調(diào)整伺服控制環(huán)路參數(shù)，進(jìn)行測(cè)試，頻率穩(wěn)定度指標(biāo)如圖10 所示。

圖10 頻率穩(wěn)定度測(cè)試曲線圖Fig.10 Curve of frequency stability of the clock

5 結(jié)束語(yǔ)

介紹了汞離子微波鐘的系統(tǒng)組成，并分析了其理論指標(biāo)，通過(guò)汞光譜燈和離子阱等關(guān)鍵組件的設(shè)計(jì)，完成汞離子微波鐘實(shí)驗(yàn)樣機(jī)初步設(shè)計(jì)，并利用光-微波雙共振實(shí)驗(yàn)得到躍遷信號(hào)，利用閉環(huán)鎖定回路實(shí)現(xiàn)整機(jī)鎖定，完成頻率穩(wěn)定度指標(biāo)測(cè)試，根據(jù)測(cè)試曲線可得頻率穩(wěn)定度為5E-13／。汞離子微波鐘是新型微波鐘，較傳統(tǒng)微波鐘具有明顯優(yōu)勢(shì)，但是研制難度很大。難點(diǎn)一為抽運(yùn)頻率處于深紫外波段，國(guó)內(nèi)外深紫外光源技術(shù)不成熟；難點(diǎn)二為研制過(guò)程中缺乏中間檢測(cè)手段，難以評(píng)估各關(guān)鍵組件性能指標(biāo)。汞離子微波鐘初步完成閉環(huán)鎖定，指標(biāo)提高空間較大，尤其長(zhǎng)穩(wěn)指標(biāo)仍需要持續(xù)優(yōu)化。后續(xù)在提升指標(biāo)的同時(shí)，進(jìn)行集成化、小型化設(shè)計(jì)，盡快實(shí)現(xiàn)該鐘的工程化、實(shí)用化。