一种氢原子钟原子弛豫时间测量系统

1.本发明涉及原子频标领域，更具体地涉及一种氢原子钟原子弛豫时间测量系统。


背景技术：

2.氢原子钟拥有优秀的频率稳定度指标，可以作为高稳频率源锁定于喷泉钟或光钟参与科学实验；而其天稳定度和频率漂移率达到e-16量级，亦可独立运行作为高精度时间基准应用于守时、导航、甚长基线干涉测量等工程领域。
3.氢原子钟的原子弛豫时间是原子系统经过选态去除基态超精细能级(f＝0,mf＝0)态原子后，部分氢原子从(f＝1,mf＝0)态跃迁至(f＝0,mf＝0)态直至原子系统达到平衡状态所需的时间，该参数反映了原子的寿命并直接影响氢原子钟的稳定度指标。原子弛豫时间可以通过原子自由感应衰减现象进行测量，在切断原子束流的同时或者相隔一小段时间后，通过耦合环向微波腔内注入短脉冲的微波探测信号，使储存泡内的氢原子发生受激辐射，关闭探测信号后原子将辐射同相位的微波信号，其强度随着原子的弛豫而减小，即自由感应衰减现象。
4.现有技术是基于原子自由感应衰减现象，通过搭载模拟电路，控制信号发生器、数字衰减器，混频器，滤波器，检波电路，数字采集卡等采集到自由感应衰减信号来实现弛豫的测量。具体方法是：信号发生器产生1.42ghz微波信号，电离源与微波探寻信号的时序控制通过单片机来实现，将一个数字继电器继电器串联接入电离源供电电路中，通过控制电离源的开关以控制原子束流的通断，同时将数字衰减器接入信号发生器输出端，通过单片机控制生成的脉冲时序控制。当数字衰减器关闭时，微波脉冲有效的激励原子系统；当数字衰减器打开时，入腔微波信号低于-120dbm，对原子系统无影响，等效于关闭探寻信号。探寻信号进入氢原子钟物理部分，储存泡内的氢原子发生受激辐射，关闭探测信号后原子将辐射同相位的微波信号，混频器将氢原子共振跃迁释放的1420.405mhz的微波信号与1400mhz混频，生成20.405mhz的中频信号，经过晶体滤波器，采用ad8307对数放大检波器进行中频检波，通过数字采集卡采集生成的电压信号，表征为ad8307输出电压值。在数据处理阶段将此电压值按照对数格式转化为功率值。再通过数值运算转换为归一化磁感应振幅b(t)。再通过拟合得到原子弛豫时间。
5.现有的测量系统中，首先上变频需采用数字衰减器生成脉冲时序控制，其次采集到的信号并不能直接测量，需要经过混频生成20.405751mhz中频信号，而且经过混频后的信号存在倍频，需要经过晶体滤波器滤波；经过滤波器后的信号并不能直接测量，需要经过检波电路，氢原子钟电离源会产生频率为100mhz左右的干扰信号，需要在测量时对检波电路和晶体滤波器做好屏蔽，信号经过检波电路后输出的是电压值，电压值经过数字采集卡将采集到的电压信号保存在计算机中，后续数据处理时需要计算转按照对数格式将电压值转化为功率值；从而导致现有测量系统的电路多、结构复杂。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种氢原子钟原子弛豫时间测量系统，以解决现有氢原子钟弛豫测量系统中杂散信号的干扰，同时简化结构并使测量结构更加可靠。
7.本发明提供一种氢原子钟原子弛豫时间测量系统，包括：
8.控制模块、ttl信号产生模块、微波信号产生模块和微波信号接收模块，所述控制模块分别与所述ttl信号产生模块、微波信号产生模块和微波信号接收模块电连接或通信连接，所述ttl信号产生模块通过一数字继电器与氢原子钟的电离源电连接，所述微波信号产生模块和微波信号接收模块分别与氢原子钟的微波谐振腔电连接。
9.进一步地，所述控制模块包括ttl信号控制单元、微波信号控制单元和功率谱采集单元，所述ttl信号控制单元与所述ttl信号产生模块电连接或通信连接，所述微波信号控制单元与所述微波信号产生模块电连接或通信连接，所述功率谱采集单元与所述微波信号接收模块电连接或通信连接。
10.进一步地，所述控制模块还包括人机交互单元。
11.进一步地，所述控制模块为上位机。
12.进一步地，所述上位机上安装有labview控制程序。
13.进一步地，所述ttl信号产生模块为ni pixe-6341板卡。
14.进一步地，所述微波信号产生模块和微波信号接收模块为ni pixe-5645r板卡。
15.进一步地，所述ni pixe-6341板卡和ni pixe-5645r板卡均放置于一pxi机箱内，板卡通过所述pxi机箱与所述上位机进行通讯。
16.进一步地，所述ttl信号产生模块设置为产生ttl电平信号，所述微波信号产生模块设置为产生脉冲微波探寻信号；所述电离源在原子达到平衡态后关闭，同时所述微波信号产生模块产生脉冲功率为-60dbm且持续时间为0.8s的脉冲微波探寻信号。
17.本发明的氢原子钟弛豫时间测量方法，通过控制模块控制ttl信号产生模块和微波信号产生模块，无需通过混频器、滤波器和检波电路即可实现电离源和脉冲微波探寻信号的时序控制，因此不会受到电离源的信号干扰，测量更简单精确；同时直接采集氢原子钟辐射的微波信号的功率值，减少了计算过程；可根据需要灵活设置采集频率范围和采集到的预期功率，可适用于不同的氢原子钟。
附图说明
18.图1为根据本发明实施例的氢原子钟原子弛豫时间测量系统的结构示意图；
19.图2为根据本发明实施例的脉冲微波探寻信号作用示意图。
具体实施方式
20.下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。
21.如图1所示，本发明提供一种氢原子钟弛豫测量系统，包括控制模块1、ttl信号产生模块2、微波信号产生模块3和微波信号接收模块4，其中，控制模块1分别与ttl信号产生模块2、微波信号产生模块3和微波信号接收模块4电连接或通信连接，ttl信号产生模块2通过一数字继电器5与氢原子钟6的电离源61电连接，微波信号产生模块3和微波信号接收模块4分别与氢原子钟6的微波谐振腔62电连接。ttl信号产生模块2用于产生ttl电平信号，即
0v和5v的方波信号，当输出电压为0v时，数字继电器5关闭，电离源61开启，当输出电压为5v时，数字继电器5开启，电离源61关闭；微波信号产生模块3用于产生脉冲微波探寻信号，以使微波谐振腔62中的氢原子发生受激辐射，当脉冲微波探寻信号关闭后，氢原子将辐射同相位的微波信号(即原子自由感应衰减信号)；微波信号接收模块4用于接收氢原子辐射的微波信号，并将其传输至控制模块1；控制模块1设置为控制ttl信号产生模块2产生ttl电平信号的频率，从而实现电离源61的时序控制；同时控制微波信号产生模块3产生脉冲微波探寻信号的频率、脉冲功率、模式和持续时间；控制模块1还设置为接收微波信号模块4传输的氢原子辐射的微波信号，并采集其指定范围内的功率谱。
22.具体地，控制模块1包括ttl信号控制单元11、微波信号控制单元12和功率谱采集单元13，其中，ttl信号控制单元11与ttl信号产生模块2电连接或通信连接，用于控制ttl信号产生模块2按预设时序产生ttl电平信号，微波信号控制单元12与微波信号产生模块3电连接或通信连接，用于控制微波信号产生模块3按预设时序产生脉冲微波探寻信号，功率谱采集单元13与微波信号接收模块4电连接或通信连接，用于采集氢原子辐射的微波信号的功率谱，采集到功率谱后，控制模块1根据现有算法即可计算得到氢原子的弛豫时间。
23.控制模块1上还可设置人机交互单元(图中未示出)，以实现人机交互，例如，根据需要设置脉冲微波探寻信号的时序、功率和ttl电平信号的频率等参数。
24.在本实施例中，控制模块1为上位机，其上安装有labview控制程序，通过labview控制程序中的功能模块来实现对ttl信号产生模块2和微波信号产生模块3的控制和氢原子辐射的微波信号的功率谱的采集。ttl信号产生模块2可以采用ni pixe-6341板卡，微波信号产生模块3和微波信号接收模块4可以采用ni pixe-5645r板卡，它们均放置在一pxi机箱内，板卡通过所述pxi机箱与所述上位机进行通讯。
25.微波信号产生模块3的工作流程如下：首先通过labview软件中的nirfsg初始化vi，vi是labview中的一个程序，可以实现一个函数或某项功能，nirfsg是labview自带的vi集合，其通过不同的vi来控制ni pixe-5645r板卡即微波信号产生模块3。具体的，通过一个vi配置输出的脉冲微波探寻信号的频率、功率和模式，再通过信号发生vi启动信号生成，设置信号持续时间，信号由ni pixe-5645r板卡rf out端sma头输出，通过氢原子钟物理部分输入耦合环到达微波谐振腔62，通过labview控制脉冲微波探寻信号的时序，并可根据需要更改脉冲微波探寻信号的持续时间。同时，通过labview多功能daq设备创建电压输出通道，设置输出电压的大小和频率，从而控制ttl信号产生模块2生成0v和5v的ttl电平信号。
26.氢原子被激发后，使微波谐振腔62中储存泡内的氢原子发生受激辐射，关闭探测信号后氢原子将辐射同相位的微波信号，其强度随着原子的弛豫而减小，即自由感应衰减现象。该微波信号通过氢原子钟微波腔内微波耦合输出环导出，通过sma线与ni pixe-5645r板卡(即微波信号接收模块4)rf in输入端相接，通过labview调用不同的功率谱采集vi采集指定范围内的功率谱。氢原子自由感应衰减信号频率为1420.405751mhz，因此设置微波信号接收模块4的采集范围为1420.403mhz-1420.405mhz，该频率范围可以根据需要灵活调整。ttl电平信号的频率可根据实验采集设定进行灵活调整，一般不大于0.25hz，即0v持续时间不少于2s，总周期不少于4s。脉冲微波探寻信号的频率为氢原子跃迁的频率，取1420.405751mhz；通过labview调用nirfsa功率谱读取vi，实现虚拟频谱仪的功能，实时显示当前数据的功率谱。通过labview调用nirfsa功率谱读取vi来读取氢原子在设置微波信
号接收模块4的采集范围为1420.403mhz-1420.405mhz内的信号功率，通过对得到功率谱波形寻峰得到氢原子自由感应衰减信号频率处的功率值，同时通过labview获取读取功率值时的本体时间并通过labview编程将功率值和对应时间其保存为csv格式。
27.在本实施例中，ttl信号控制单元11、微波信号控制单元12和功率谱采集单元13等均通过labview中的各种vi来实现，在其他实施例中，也可以将各vi导出为独立可执行程序，并与其他所需组件打包生成安装程序，这样在任意上位机上安装程序后即可运行，实现ttl电平信号和脉冲微波探寻信号的控制和功率谱的采集。
28.本发明的氢原子钟弛豫时间的计算原理如下：
29.先将氢原子束流关闭，经过τ’时间，脉冲微波探寻信号注入微波腔，其频率等于钟跃迁频率，功率远大于原子跃迁振荡功率，腔内的微波磁感应的归一化振幅b
rf
由注入微波功率决定。关闭微波脉冲后，腔内的归一化磁感应振幅将逐渐衰减，衰减过程如下式所示：
[0030][0031]
其中b(t)为腔中归一化磁感应振幅，α是表征原子束开启时脉泽振荡阈值的参数，τ’为关闭原子束流与注入脉冲微波探寻信号间的时间间隔，τ为注入脉冲的持续时间，t1为原子纵向弛豫时间，与能级粒子数变化相联系；t2为原子横向弛豫时间，与原子磁矩的衰减有关。
[0032]
当脉冲微波探寻信号注入结束后，腔内的微波磁感应的归一化振幅b(0)为：
[0033][0034]
如图2所示，改变脉冲与氢原子束关闭的间隔时间τ’，氢原子自由感应衰减信号的初始振幅将随着τ’变化，其时间常数为t1，t1与t2近似相等，因此取τ’＝0，对t2进行测量则可以得到氢原子钟原子弛豫时间。
[0035]
当微波脉冲为2kπ π/2脉冲时，b
rf
τ＝2kπ π/2，此时原子的跃迁几率最大，代入式(1)可得：
[0036][0037]
设微波脉冲的宽度τ为0.8s，相应的微波腔内的微波功率p为：
[0038][0039]
其中ω0为氢原子(0-0)跃迁频率，vb为储存泡体积，qc为微波腔q值，η＇为微波腔内微波填充因子μb为波尔磁子；h为约化普朗克常数；μ0为真空磁导率；均为已知参数。当b为80.62rad/s时，对应的腔内微波功率为p＝4.99993
×
10-11
w或-73dbm。通过实验测量，微波输入谐振腔时有-13dbm左右的能量损耗，因此微波脉冲功率应为-60dbm左右。
[0040]
经过计算可得，当注入脉冲微波探寻信号的持续时间为0.8s时，输入脉冲功率约为-60dbm，此时原子跃迁几率最大。
[0041]
因此，在原子达到平衡态后，关闭原子束流同时注入脉冲功率为-60dbm且持续时间为0.8s的微波脉冲探寻信号，可以得到原子自由感应衰减信号，通过对信号的功率谱进
行采集，然后对采集到的功率值进行数值运算按照公式(4)转换为腔内的归一化磁感应振幅b(t)，按照式(3)进行拟合，即可得到原子弛豫时间，拟合可在originpro软件中进行，其方法为本领域公知常识，此处不再赘述。
[0042]
本发明测量系统的具体操作步骤如下：
[0043]
s1：将硬件ni pixe-5645r的rf out端与氢原子钟输入微波耦合环相连，使微波脉冲信号能进入氢原子钟微波谐振腔。将硬件ni pixe-5645r的rf in端与氢原子钟输出微波耦合环相连，使原子自由感应衰减信号能通过输出耦合环进入labview信号采集系统；
[0044]
s2：通过labview综合控制模块在关闭电离源的同时，输入频率为1420.405751mhz，功率为-60dbm，时长为0.8s脉冲信号，rbw(resolution bandwidth)设置为50hz，该输入信号强度和信号持续的时间以及rbw可以根据不同氢原子钟的状态进行更改，目的是构建b
rf
τ＝2kπ π/2脉冲，此时原子的跃迁几率最大；
[0045]
s3：通过labview综合控制程序，接收氢原子钟物理部分通过耦合环输出的信号，设置采样频率并实时显示当前检测的数据的功率谱，通过虚拟频谱仪绘制相应的动态曲线，通过labview时钟记录采集每一个数据点的时间并保存数据文件；
[0046]
s4：在相同的条件下重复测量(在本实施例中，重复测量50次)，通过python对采集到的功率数据进行整合(主要是对重复测量的多个文件整合成一个文件，并且将采集到的功率值经过计算转换为归一化磁感应振幅)，通过对信号进行数值运算换为归一化磁感应强度b(t)，并按照公式(3)进行拟合，得到原子弛豫时间t2。
[0047]
本发明实施例的氢原子钟弛豫时间测量方法，通过控制模块1控制ttl信号产生模块2和微波信号产生模块3，无需通过混频器、滤波器和检波电路即可实现电离源61和脉冲微波探寻信号的时序控制，因此不会受到电离源的信号干扰，测量更简单精确；同时直接采集氢原子钟辐射的微波信号的功率值，减少了计算过程；可根据需要灵活设置采集频率范围和采集到的预期功率，可适用于不同的氢原子钟。
[0048]
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。