星載氫原子鐘用多段線圈式C場的仿真及應用

作者：潘志兵,謝勇輝,帥濤,陳鵬飛,裴雨賢,潘曉燕,趙陽,林傳富

摘要：星載氫原子鐘具有頻率穩定度高、頻率漂移率低的優點,在衛星導航定位和頻率計量中得到了廣泛應用。星載氫原子鐘的腔泡系統用于實現氫原子的量子躍遷及其信號采集,原子躍遷信號幅度直接決定了系統的信噪比,進而影響整機性能指標,所以腔泡系統是星載氫原子鐘的核心組件。目前,星載氫原子鐘腔泡系統主要采用直螺線管來產生原子躍遷所需的C場。由于星載氫原子鐘物理部分的結構限制,直螺線管的磁場均勻度有進一步提高的空間。探討使用多段線圈代替直螺線管用于產生C場的可行性。首先對多段線圈產生的磁場進行理論分析計算,同時使用ANSYS電磁場仿真軟件對多段線圈的各項參數進行仿真和優化,包括各段長度、段數、間距以及匝數、內徑和總長度等。然后優選磁場均勻度較好的線圈配置參數,可將C場的非均勻度由直螺線管約10%降低到多段線圈約1%。根據仿真優化結果建立了試驗九段線圈,對比測試了原子躍遷信號增益,同時結合電路部分進行閉環測試,對頻率穩定度指標進行了對比。實驗結果表明,原子躍遷信號可有效提升,阿倫方差在中短穩(1~1000 s)表現更好。此項工作為星載氫原子鐘整機性能指標的進一步提升打下了基礎。

發文機構：中國科學院上海天文臺 中國科學院大學

關鍵詞：星載氫原子鐘腔泡系統C場多段線圈均勻磁場原子躍遷信號增益頻率穩定度Space passive hydrogen maserCavity-bulb assembleC fieldMulti-section coilHomogeneous magnetic fieldAtomic transition signal gainFrequency stability

分類號： TB939[機械工程—測試計量技術及儀器]