本发明属于原子钟技术领域，具体涉及一种用于守时系统的小型冷原子钟装置及方法。
背景技术：
时间在国民生产中起着重要的作用，国际协调时utc的产生和保持要求守时型原子钟具有低漂移率、高稳定度和长期运行能力。利用激光冷却技术，将粒子的温度冷却到接近绝对零度，允许更精确的测量参考频率，得到更稳定、更准确的时间频率信号。小型冷原子钟的漂移率比主动氢钟漂移率大约小一个量级，且具有可搬运、能长期运行的特点，在守时系统中具有一定应用价值。
1997年，欧洲空间局宣布，开始实施空间冷原子铯钟项目pharao(p.laurentetal.,“theaces/pharaospacemission,”comptesrendusphys.,vol.16,no.5,pp.540–552,2015)。该项目拟利用空间微重力环境获得更长的相干时间，从而获得更精确的频率信号，以满足精密物理测量、广义相对论验证等应用的需求。2016年，由中国科学院上海光机所研制的空间冷原子铷钟，成功实现在轨运行(l.liuetal.,“in-orbitoperationofanatomicclockbasedonlaser-cooled87rbatoms,”nat.commun.,vol.9,2760,2018)。上述冷原子钟有以下不足：1.原子钟工作周期长(＞1s)，这使得本地振荡器的相位噪声成为限制原子钟短期稳定度的主要因素；2.上述冷原子钟系统尺寸大，物理系统长度超过1米。3.未采用二维磁光阱产生慢速原子束，原子装载速率低。4.针对空间微重力环境设计，需要借助光学方法抛射原子，增加了光学系统及工作时序的复杂程度。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题在于克服上述现有技术的不足,提供一种高稳定度、低漂移率的小型冷原子钟装置及方法。
解决上述技术问题采用的技术方案是：在原子炉的原子束出射方向设置有二维磁光阱，二维磁光阱出射的原子束通过准直装置进入三维磁光阱，磁控管微波腔放置于三维磁光阱内部，冷原子制备完成后，原子团借助重力作用进入磁控管微波腔，三维磁光阱与环形微波腔之间设置有光学快门，原子团通过磁控管微波腔后，打开光学快门，原子通过光学快门后进入环形微波腔，通过环形微波腔的原子进入布居数探测装置，布居数探测装置与离子泵相连接，离子泵维持整个系统的真空环境。
本发明的原子炉、二维磁光阱、准直装置、三维磁光阱水平放置且中心轴位于同一水平面内，磁控管微波腔、光学快门、环形微波腔、布居数探测装置竖直放置且中心轴位于同一竖直面内。
本发明的磁控管微波腔垂直放置于三维磁光阱的内部，位于三维磁光阱的中心下方20mm处。
本发明的准直装置为中心加工有通孔的圆柱形结构，通孔的直径为0.5～1.5mm。
本发明的环形微波腔由原子通道、矩形波导、原子激励区、截止波导四个区域构成，原子通道设置于环形微波腔内中部，原子通道为中空矩形结构，长度l2为137mm，宽度w3为8mm；矩形波导位于原子通道前后两侧，矩形波导长度l2为137mm，宽度w2为26mm；原子激励区位于原子通道左右两侧，原子激励区宽度w1为62mm、长度l1为29.7mm；原子激励区远离原子通道端均设置有截止波导，截止波导为中空矩形结构，截止波导的长度l3为30mm、宽度w3为8mm，整个环形腔体的内高度为8mm。
本发明的一种用于守时系统的小型冷原子钟装置的实现方法，由以下步骤组成：
s1、加热原子炉产生铷原子束；
s2、铷原子束进入二维磁光阱和三维磁光阱进行冷却；其中，二维磁光阱的工作条件为磁场强度5g/cm，激光失谐频率为-15mhz，抽运光强为10mw/cm2，回泵光强为1mw/cm2，推射光强为500μw/cm2，三维磁光阱的工作条件为磁场强度5g/cm，激光失谐频率为-15mhz，冷却光强为10mw/cm2，回泵光强为1mw/cm2，光束直径8～20mm；
s3、三维磁光阱工作180～500ms后，关闭磁场，增大激光失谐频率至-80mhz、减小冷却光强至1mw/cm2，进行偏振梯度冷却，之后关闭冷却激光并打开光学快门，冷原子团在重力作用下飞行经过磁控管微波腔；
s4、待冷原子团经过光学快门后，关闭光学快门，重启冷却激光，进行下一周期的原子冷却；
s5、磁控管微波腔内冷原子团在选态腔和推斥光作用下实现选态；其中，作为选态腔的磁控管微波腔的谐振频率为6.83468ghz，原子团经过磁控管微波腔时，使用激光推斥处于基态|f＝1，fm＝0＞的铷原子，使得继续下落的铷原子均处于|f＝1，fm＝0＞；
s6、经过选态后的原子继续下落，依次经过环形微波腔的原子激励区、原子通道、原子激励区后进入布居数探测装置；
s7、在布居数探测装置中探测铷原子基态f＝1和f＝2的原子数之比得到钟信号。
本发明相比于现有技术具有以下优点：
1、本发明采用磁控管微波腔作为选态腔，并将其放置于三维磁光阱内部，有助于实现系统的小型化。
2、采用光学快门，将冷原子装载区和原子激励区分开，允许同时进行冷原子装载和微波激励，缩短了原子钟工作周期，从而降低了原子钟对本地振荡器相位噪声的要求。
3、无需使用光学方法抛射原子，原子受重力作用下落，简化了光学系统和工作时序。
附图说明
图1是本发明一个实施例的结构示意图。
图2是图1中环形微波腔7的结构示意图。
图3是图1中环形微波腔7的电场分布示意图。
图4是图1工作时序示意图。
图中：1、原子炉；2、二维磁光阱；3、准直装置；4、三维磁光阱；5、磁控管微波腔；6、光学快门；7、环形微波腔；8、布居数探测装置；9、离子泵；7-1、截止波导；7-2、原子激励区；7-3、矩形波导；7-4、原子通道。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。
实施例1
在图1中，本发明涉及的一种用于守时系统的小型冷原子钟装置,在原子炉1的原子束出射方向设置有二维磁光阱2，原子炉1通过加热产生铷原子束，铷原子束通过扩散进入二维磁光阱2，二维磁光阱2出射的原子束通过准直装置3准直后进入三维磁光阱4，本实施例的准直装置3为中心加工有通孔的圆柱形结构，通孔的直径为1mm。原子炉1、二维磁光阱2、准直装置3、三维磁光阱4水平放置且中心轴位于同一水平面内。
磁控管微波腔5垂直放置于三维磁光阱4内部，位于三维磁光阱4的中心下方20mm处。冷原子制备完成后，原子团借助重力作用进入磁控管微波腔5，本实施例中的磁控管微波腔5与专利号为：zl2017113893696，发明名称为“一种低温度敏感性的脉冲激光抽运铷钟物理系统”中涉及的磁控管微波腔的结构相同，支撑筒内径为25mm、外径为33mm、高度为26mm，支撑筒内壁上通过脊柱将4个极片均布设置，相邻极片之间的间隙为1.6mm，极片为与支撑筒同心的弧形板，极片内径为20mm，厚度为1mm。磁控管微波腔5靠近环形微波腔7的一端设置有截止波导，截止波导长5mm，内径为10mm。
在图2、3中，三维磁光阱4与环形微波腔5之间设置有光学快门6，原子团通过磁控管微波腔5后,打开光学快门6，原子通过光学快门6后进入环形微波腔7，本实施例的环形微波腔7由原子通道7-4、矩形波导7-3、原子激励区7-2、截止波导7-1四个区域构成，原子通道7-4设置于环形微波腔7内中部，原子通道7-4为中空矩形结构，长度l2为137mm，宽度w3为8mm；矩形波导7-3位于原子通道7-4前后两侧，矩形波导7-3长度l2为137mm，宽度w2为26mm；原子激励区7-2位于原子通道7-4左右两侧，原子激励区7-2宽度w1为62mm、长度l1为29.7mm；原子激励区7-2远离原子通道7-4端均设置有截止波导7-1，截止波导7-1为中空矩形结构，截止波导7-1的长度l3为30mm、宽度w3为8mm。整个环形腔体的内高度为8mm。环形微波腔7的原子激励区7-2的谐振模式为te201模式，使得原子通道7-4区域内的磁场平行于量子化轴。矩形波导7-3的谐振模式为te103模式，以保证微波腔具有较小的长度。
通过环形微波腔7的原子进入布居数探测装置8，磁控管微波腔5、光学快门6、环形微波腔7、布居数探测装置8竖直放置且中心轴位于同一竖直面内。布居数探测装置8与离子泵9相连接，离子泵9维持整个系统的真空环境，真空度优于1×10-7pa。系统中所有部件均通过真空法兰连接，微波信号通过sma接口馈入，光学信号通过光学窗口馈入，系统外面依次设置有三层坡莫合金材料制成的磁屏蔽筒。
在图4中，本装置采用了小型的二维磁光阱2和三维磁光阱4，经过冷却的原子，受重力作用下落，依次完成原子选态、激励和探测。采用磁控管微波腔作为选态腔，采用环形微波腔作为激励腔，通过探测原子布居数获得误差信号，该原子钟按设定时序周期性地重复原子冷却—选态—激励—探测过程，且原子冷却过程与激励过程并行实施。
本发明涉及的一种用于守时系统的小型冷原子钟装置的实现方法，由以下步骤组成：
s1、加热原子炉1产生铷原子束；
s2、铷原子束进入二维磁光阱2和三维磁光阱4进行冷却；其中，二维磁光阱2的工作条件为磁场强度5g/cm，激光失谐频率为-15mhz，抽运光强为10mw/cm2，回泵光强为1mw/cm2，推射光强为500μw/cm2。三维磁光阱4的工作条件为磁场强度5g/cm，激光失谐频率为-15mhz，冷却光强为10mw/cm2，回泵光强为1mw/cm2，光束直径10mm；
s3、三维磁光阱4工作340ms后，关闭磁场，增大激光失谐频率至-80mhz、减小冷却光强至1mw/cm2，进行偏振梯度冷却，之后关闭冷却激光并打开光学快门6，冷原子团受重力作用下落经过磁控管微波腔5；
s4、待冷原子团经过光学快门6后，关闭光学快门6，重启冷却激光，进行下一周期的原子冷却；
s5、磁控管微波腔5内冷原子团在选态腔和推斥光作用下实现选态；其中，作为选态腔的磁控管微波腔5的谐振频率为6.83468ghz，原子团经过磁控管微波腔5时，使用激光推斥处于基态|f＝1，fm≠0＞的铷原子，使得继续下落的铷原子均处于|f＝1，fm＝0＞；
s6、经过选态后的原子继续下落，依次经过环形微波腔的原子激励区7-2、原子通道7-4、原子激励区7-2后进入布居数探测装置8；
s7、在布居数探测装置8中探测铷原子基态f＝1和f＝2的原子数之比得到钟信号。
实施例2
上述实施例1中，本实施例的准直装置3为中心加工有通孔的圆柱形结构，通孔的直径为0.5mm。
其余各零部件以及零部件的连接关系与实施例1完全相同。实现方法与实施例1完全相同。
实施例3
上述实施例1中，本实施例的准直装置3为中心加工有通孔的圆柱形结构，通孔的直径为1.5mm。
其余各零部件以及零部件的连接关系与实施例1完全相同。实现方法与实施例1完全相同。
实施例4
上述实施例1中，本实施例的实现方法中
步骤s2中光束直径为8mm；
步骤s3中三维磁光阱4工作180ms后，关闭磁场。
其余各零部件以及零部件的连接关系与实施例1完全相同。实现方法与实施例1完全相同。
实施例5
上述实施例1中，本实施例的实现方法中
步骤s2中光束直径为20mm；
步骤s3中三维磁光阱4工作500ms后，关闭磁场。
其余各零部件以及零部件的连接关系与实施例1完全相同。实现方法与实施例1完全相同。
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