何克亮，張為群，林傳富

小型化氫脈澤原子儲(chǔ)存時(shí)間設(shè)計(jì)

何克亮1,2，張為群1*，林傳富1

1. 中國(guó)科學(xué)院 上海天文臺(tái)，上海 200030；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

氫微波激射器（氫脈澤）采用原子儲(chǔ)存泡對(duì)氫原子進(jìn)行囚禁，在低損耗諧振腔內(nèi)形成穩(wěn)定的自持振蕩．本文采用具備低腔頻溫度系數(shù)的介質(zhì)加載諧振腔替換傳統(tǒng)的腔-泡結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了氫脈澤的小型化；并分析了這種小型化方案對(duì)頻率穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度的影響．原子儲(chǔ)存時(shí)間設(shè)計(jì)值為0.4 s，閉環(huán)后的頻率穩(wěn)定度為5.6×10-15/(1 000 s)，與儲(chǔ)存時(shí)間設(shè)計(jì)結(jié)果相吻合．

氫脈澤；原子儲(chǔ)存時(shí)間；弛豫時(shí)間；頻率穩(wěn)定度

引 言

氫微波激射器（氫脈澤）[1]能夠產(chǎn)生頻率穩(wěn)定且連續(xù)的相干微波信號(hào)，是主動(dòng)型氫原子鐘（氫鐘）的物理部分．氫脈澤設(shè)計(jì)理論已較成熟，近二十年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)其研究的方向主要集中在如何提高技術(shù)水平[2-7]和實(shí)現(xiàn)小型化．國(guó)外主動(dòng)型氫鐘的穩(wěn)定度已可優(yōu)于5×10-16/d，而國(guó)內(nèi)相應(yīng)指標(biāo)與國(guó)外相差1~3倍，在可靠性方面也與國(guó)外有一定差距．氫鐘被廣泛應(yīng)用于導(dǎo)航、守時(shí)、甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量和相對(duì)論理論的驗(yàn)證中[8-11]．將氫鐘小型化會(huì)使其應(yīng)用更加便捷，特別是在空間應(yīng)用中．

腔-泡結(jié)構(gòu)是氫脈澤的核心．原子儲(chǔ)存泡位于諧振腔內(nèi)部，儲(chǔ)存泡中的氫原子與諧振腔TE011模的軸向磁場(chǎng)相互作用，形成穩(wěn)定的自持振蕩．腔-泡體積是決定氫脈澤體積的主要因素之一，利用介質(zhì)加載諧振腔可使腔-泡結(jié)構(gòu)小型化，再配上相應(yīng)的磁屏蔽和溫控等外圍結(jié)構(gòu)，即可得到小型化氫脈澤．但當(dāng)原子儲(chǔ)存泡變小時(shí)，若不根據(jù)儲(chǔ)存泡的體積重新設(shè)計(jì)原子儲(chǔ)存時(shí)間和選擇合適的原子束流，儲(chǔ)存泡內(nèi)的自旋交換碰撞弛豫會(huì)因氫原子密度增大而大幅變大，從而惡化氫鐘指標(biāo)，因而原子儲(chǔ)存時(shí)間的設(shè)計(jì)是氫脈澤小型化的一個(gè)重要問(wèn)題．小型化主動(dòng)型氫鐘的指標(biāo)因小型化的程度而有所差別．Zivanov等[12-14]研制出僅重35 kg的采用藍(lán)寶石介質(zhì)腔的氫脈澤，原子儲(chǔ)存泡體積為1.7 L，穩(wěn)定度可達(dá)1×10-15/d．國(guó)內(nèi)的楊仁福等[15,16]等也研制了采用藍(lán)寶石介質(zhì)腔的氫鐘，原子儲(chǔ)存泡體積為0.7 L，穩(wěn)定度達(dá)3×10-15/d．但對(duì)氫脈澤小型化引起的問(wèn)題的全面分析或評(píng)估還未見(jiàn)到相關(guān)報(bào)道．

本文對(duì)采用介質(zhì)加載諧振腔的小型化氫脈澤的原子儲(chǔ)存時(shí)間進(jìn)行了設(shè)計(jì)，對(duì)其準(zhǔn)確度、穩(wěn)定度和漂移率指標(biāo)進(jìn)行了分析或評(píng)估，并測(cè)量了其中期穩(wěn)定度．

1 原子儲(chǔ)存時(shí)間設(shè)計(jì)的理論依據(jù)

1.1 原子儲(chǔ)存時(shí)間對(duì)氫脈澤頻率穩(wěn)定度的影響

從氫原子系綜宏觀磁矩（密度矩陣方法計(jì)算）對(duì)諧振腔電磁場(chǎng)模式微擾的角度，可以建立氫脈澤的半經(jīng)典理論，定量計(jì)算氫脈澤的振蕩功率和振蕩頻率．氫鐘中長(zhǎng)期穩(wěn)定度主要受限于諧振腔內(nèi)熱輻射引起的白頻率噪聲和頻率漂移，對(duì)于熱噪聲決定的頻率穩(wěn)定度的定量分析，需要綜合考慮原子的各種弛豫對(duì)脈澤功率和譜線線寬的影響．當(dāng)采用介質(zhì)加載諧振腔縮小諧振腔的體積時(shí)，原子儲(chǔ)存泡的體積自然也變?。捎谠觾?chǔ)存時(shí)間和氫原子束流會(huì)影響泡壁碰撞和自旋交換碰撞的弛豫時(shí)間，進(jìn)而影響譜線品質(zhì)因子、脈澤功率和頻率穩(wěn)定度，因而對(duì)于小型化氫脈澤需要充分考慮這些效應(yīng)．圖1給出原子儲(chǔ)存泡小型化后，腔內(nèi)熱輻射白頻率噪聲決定的頻率穩(wěn)定度隨原子儲(chǔ)存時(shí)間和氫原子束流的變化，在計(jì)算過(guò)程中，先后依次計(jì)算了各項(xiàng)弛豫時(shí)間、脈澤功率和頻率穩(wěn)定度，相關(guān)計(jì)算公式可參閱文獻(xiàn)[17]．從圖1中可以看出，原子儲(chǔ)存時(shí)間對(duì)頻率穩(wěn)定度的影響很大，對(duì)于這種小型化氫脈澤，為使中期頻率穩(wěn)定度最優(yōu)，最優(yōu)原子儲(chǔ)存時(shí)間需設(shè)計(jì)在0.4 s左右，而傳統(tǒng)氫脈澤的最優(yōu)原子儲(chǔ)存時(shí)間設(shè)計(jì)值約為1 s．在選擇較優(yōu)原子儲(chǔ)存時(shí)間和原子束流的基礎(chǔ)上，小型化和傳統(tǒng)氫脈澤的氫原子自旋交換碰撞和泡壁碰撞弛豫時(shí)間的典型值對(duì)比如表1所示．

圖1 小型化氫脈澤1 000 s頻率穩(wěn)定度與原子儲(chǔ)存時(shí)間的關(guān)系．藍(lán)寶石儲(chǔ)存泡體積為0.7 L．不同的線型表示不同的原子束流

表1 氫脈澤中氫原子的主要弛豫時(shí)間評(píng)估值（313 K）. 小型化和傳統(tǒng)氫脈澤的原子束流分別為7×1012/s和4×1012/s

隨著儲(chǔ)存泡體積的減小，在原子束流相同的情況下，氫脈澤熱噪聲決定的極限頻率穩(wěn)定度也會(huì)相應(yīng)地變差．當(dāng)氫原子束流較小時(shí)（例如，2×1012/s~3×1012/s），氫脈澤的小型化會(huì)使頻率穩(wěn)定度有較明顯的惡化（相同平均時(shí)間的頻率穩(wěn)定度系數(shù)增大1倍多）；但隨著原子束流的增大，這種惡化程度越來(lái)越?。纾槍?duì)三種腔-泡尺寸不一樣的氫脈澤，當(dāng)原子儲(chǔ)存泡體積分別為2.1 L、1.7 L和0.7 L時(shí)，原子儲(chǔ)存時(shí)間分別為1.0 s、0.8 s和0.4 s．當(dāng)有效氫原子束流設(shè)定為5×1012/s時(shí)，白頻率熱噪聲決定的頻率穩(wěn)定度如圖2所示．可以看出，氫脈澤小型化后頻率穩(wěn)定度沒(méi)有明顯惡化．這是因?yàn)楫?dāng)氫原子束流較小時(shí)，相較于傳統(tǒng)氫脈澤，小型化氫脈澤的譜線品質(zhì)因子（l）和振蕩功率都較小，穩(wěn)定度自然發(fā)生明顯惡化；但當(dāng)原子束流較大時(shí)，相較于傳統(tǒng)氫脈澤，盡管小型化氫脈澤的l仍然較小，但振蕩功率會(huì)大于傳統(tǒng)氫脈澤，小型化后頻率穩(wěn)定度就不會(huì)發(fā)生明顯惡化（圖3）．但介質(zhì)加載諧振腔（儲(chǔ)存泡0.7 L）氫脈澤的l降低至8×108左右，約是傳統(tǒng)氫脈澤（標(biāo)準(zhǔn)諧振腔-儲(chǔ)存泡2.1 L）l值（約15×108）的1/2，使得腔頻對(duì)振蕩頻率的牽引因子增大了約1倍，從而使得振蕩頻率更易受腔頻波動(dòng)的影響．

圖2 白頻率熱噪聲決定的頻率穩(wěn)定度．原子束流為5×1012/s

圖3 氫脈澤功率和譜線品質(zhì)因子與氫原子束流的關(guān)系．儲(chǔ)存泡體積為2.1、1.7和0.7 L時(shí)，對(duì)應(yīng)的原子儲(chǔ)存時(shí)間分別為1.0、0.8和0.4 s

1.2 小型化對(duì)氫脈澤準(zhǔn)確度和漂移率的影響

采用這種小型化的方案，會(huì)增大泡壁碰撞頻移（壁移）和頻率漂移率．儲(chǔ)存泡內(nèi)原子密度的增加，導(dǎo)致壁移和自旋交換碰撞頻移增大．但壁移不確定度由測(cè)量不確定度決定，采用同樣測(cè)量壁移的方法，并不會(huì)增大頻移不確定度，不影響準(zhǔn)確度．經(jīng)過(guò)自旋交換調(diào)節(jié)，氫脈澤的振蕩頻率為[17,18]:

2 介質(zhì)加載諧振腔原子儲(chǔ)存時(shí)間的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

在小型化氫脈澤中，我們?cè)O(shè)計(jì)了低腔頻-溫度系數(shù)的介質(zhì)加載腔[19]．將藍(lán)寶石晶體（晶型為型的Al2O3晶體）放置在內(nèi)壁鍍銀的金屬腔體中，藍(lán)寶石晶體是中空的，將其內(nèi)壁涂敷特氟龍分散液，并燒結(jié)成特氟龍膜而作為原子儲(chǔ)存泡，外壁與金屬腔體間也有一定的間隙以安裝耦合環(huán)．為了方便調(diào)節(jié)腔頻，在40 ℃時(shí)，腔頻-溫度系數(shù)為-12.5 kHz/K的介質(zhì)加載諧振腔被采用．

原子通過(guò)準(zhǔn)直器泄流的過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程[18,20]，準(zhǔn)直器的長(zhǎng)度與截面半徑之比（/）是一個(gè)很重要的量．當(dāng)準(zhǔn)直器的長(zhǎng)度遠(yuǎn)小于其截面半徑時(shí)，原子與準(zhǔn)直器的內(nèi)壁碰撞后將不能返回儲(chǔ)存泡；而當(dāng)準(zhǔn)直器的長(zhǎng)度與其截面相當(dāng)時(shí)，原子與準(zhǔn)直器的內(nèi)壁碰撞后將可能返回儲(chǔ)存泡．根據(jù)氫脈澤的物理原理，設(shè)計(jì)好原子儲(chǔ)存時(shí)間后，就可以根據(jù)小孔泄流的理論，設(shè)計(jì)準(zhǔn)直器的長(zhǎng)度和截面半徑來(lái)實(shí)現(xiàn)原子儲(chǔ)存時(shí)間[18]．在初期的自激振蕩實(shí)驗(yàn)中，沒(méi)有仔細(xì)考慮原子儲(chǔ)存時(shí)間的設(shè)計(jì)，泡口直徑設(shè)計(jì)為7.0 mm，與泡口相連的準(zhǔn)直器長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為28 mm時(shí)，原子儲(chǔ)存時(shí)間約為0.11 s．為了實(shí)現(xiàn)0.4 s的原子儲(chǔ)存時(shí)間，將泡口直徑設(shè)計(jì)為5.8 mm，準(zhǔn)直器長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為66 mm，介質(zhì)加載諧振腔和儲(chǔ)存泡的等比例結(jié)構(gòu)圖如圖4所示．

圖4 介質(zhì)加載諧振腔和儲(chǔ)存泡結(jié)構(gòu)

通過(guò)觀測(cè)氫原子束流很小情況下的Rabi振蕩現(xiàn)象，可以間接驗(yàn)證原子儲(chǔ)存時(shí)間的設(shè)計(jì)．Rabi振蕩和自由感應(yīng)衰變的測(cè)量方法如圖5所示．其中，原子束流要低于自激振蕩的閾值束流，使氫脈澤不能維持自激振蕩，且微波探尋信號(hào)和氫原子束流都需要時(shí)序控制．通過(guò)單片機(jī)來(lái)控制繼電器，實(shí)現(xiàn)對(duì)電離源通斷的時(shí)序控制，以時(shí)序控制有無(wú)原子束流進(jìn)入儲(chǔ)存泡．在網(wǎng)絡(luò)分析儀（加10 MHz外參考）輸出端串聯(lián)兩個(gè)數(shù)字衰減器（衰減器芯片型號(hào)為HMC273MS10G），通過(guò)另一片單片機(jī)來(lái)控制數(shù)字衰減器的衰減值，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)分析儀輸出的連續(xù)微波信號(hào)的時(shí)序衰減，即控制微波探尋信號(hào)的時(shí)序通斷，控制方法與文獻(xiàn)[21]中的方法類(lèi)似．

圖5 Rabi振蕩和自由感應(yīng)衰變測(cè)量方法框圖

圖6 Rabi章動(dòng)和自由感應(yīng)衰變．(a)激勵(lì)功率為-67 dBm；(b)激勵(lì)功率為-72 dBm；(c)激勵(lì)功率為-77 dBm；(d)激勵(lì)功率為-70 dBm．脈寬為50 ms

3 中短期頻率穩(wěn)定度結(jié)果和討論

將本文設(shè)計(jì)的介質(zhì)加載諧振腔替換SOHM-4傳統(tǒng)型氫脈澤的諧振腔，構(gòu)成新型氫脈澤的驗(yàn)證平臺(tái)．測(cè)量得到原子儲(chǔ)存時(shí)間為0.11 s和0.4 s時(shí)，氫脈澤起振的原子閾值束流分別約為0.30 mA（離子泵電流）和0.14 mA，原子譜線l值分別約為4×108和8×108．分別將兩種儲(chǔ)存時(shí)間的氫脈澤和接收機(jī)閉環(huán)鎖定，將其輸出的5 MHz信號(hào)與VCH-1003A 型氫鐘的5 MHz信號(hào)通過(guò)TSC-5120A相位噪聲分析儀進(jìn)行比對(duì)，比對(duì)的相位差原始數(shù)據(jù)經(jīng)遠(yuǎn)程傳遞至計(jì)算機(jī)，用stable32畫(huà)出頻率穩(wěn)定度．當(dāng)原子儲(chǔ)存時(shí)間為0.11 s時(shí)，100 s和1 000 s的頻率穩(wěn)定度分別為3.5×10-14和1.5×10-14；當(dāng)原子儲(chǔ)存時(shí)間為0.40 s時(shí)，100 s和1 000 s的頻率穩(wěn)定度分別為1.5×10-14和5.6×10-15．兩種情況下的頻率穩(wěn)定度比較如圖7所示．比對(duì)在溫度波動(dòng)大于±1 ℃的房間內(nèi)完成，受環(huán)境溫度波動(dòng)的影響較大，且實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的力學(xué)結(jié)構(gòu)也不穩(wěn)定，因而兩種情況的頻率比對(duì)分別只進(jìn)行了5.5 h和14 h，未進(jìn)行更長(zhǎng)時(shí)間的頻率比對(duì)．按照小型化氫脈澤原子儲(chǔ)存時(shí)間設(shè)計(jì)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)計(jì)劃，還需測(cè)量原子儲(chǔ)存時(shí)間為0.2 s、0.3 s和0.5 s時(shí)的中短期頻率穩(wěn)定度表現(xiàn)，但考慮到已獲得較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，且反復(fù)打開(kāi)真空更改原子儲(chǔ)存時(shí)間會(huì)對(duì)儲(chǔ)存泡壁帶來(lái)不利影響，就未進(jìn)一步更改原子儲(chǔ)存時(shí)間和分別進(jìn)行閉環(huán)鎖定實(shí)驗(yàn)．

圖7 采用介質(zhì)加載諧振腔（儲(chǔ)存泡體積 0.7 L）的氫脈澤頻率穩(wěn)定度

盡管頻率比對(duì)的時(shí)間不夠長(zhǎng)，但已足以評(píng)估平均時(shí)間1~1 000 s的頻率穩(wěn)定度，且100 s和1 000 s的頻率穩(wěn)定度指標(biāo)充分體現(xiàn)了物理部分的性能．可以看出，原子儲(chǔ)存時(shí)間由0.11 s變?yōu)?.40 s時(shí)，氫脈澤的100 s和1 000 s頻率穩(wěn)定度改善了2倍多，這個(gè)比例與圖1的理論分析是基本相符的，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了小型化氫脈澤原子儲(chǔ)存時(shí)間設(shè)計(jì)的合理性．兩種情況下測(cè)量得到的100 s和1 000 s穩(wěn)定度與圖1所示的理論值相差2~3倍，1~10 s的短期穩(wěn)定度也較差，我們認(rèn)為這是由電子學(xué)系統(tǒng)噪聲較大引起的．

圖8 腔頻自動(dòng)調(diào)諧探尋信號(hào)頻譜對(duì)脈澤譜線的影響．曲線1和曲線2分別為小型化氫脈澤和傳統(tǒng)氫脈澤的脈澤譜線；梳狀譜3表示腔頻自動(dòng)調(diào)諧探尋信號(hào)的頻譜

圖9 5 MHz輸出信號(hào)相位噪聲．儲(chǔ)存時(shí)間為0.4 s

4 結(jié)論

本文基于對(duì)小型化氫脈澤的仿真計(jì)算和分析，實(shí)現(xiàn)了對(duì)小型化氫脈澤原子儲(chǔ)存時(shí)間的設(shè)計(jì)，在實(shí)驗(yàn)上將介質(zhì)加載諧振腔儲(chǔ)存泡（體積0.7L）的原子儲(chǔ)存時(shí)間調(diào)控至約0.4 s，閉環(huán)后頻率穩(wěn)定度達(dá)5.6×10-15/(1 000 s)，且頻率穩(wěn)定度指標(biāo)可通過(guò)改變腔頻探尋的調(diào)制方式和改進(jìn)電子學(xué)得到進(jìn)一步提升．因此，在進(jìn)行氫脈澤小型化設(shè)計(jì)時(shí)，需要綜合考慮原子多項(xiàng)弛豫時(shí)間的變化，通過(guò)設(shè)計(jì)原子儲(chǔ)存時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)多項(xiàng)弛豫時(shí)間的調(diào)整．總體來(lái)說(shuō)，采用介質(zhì)加載諧振腔取代傳統(tǒng)氫脈澤的腔-泡結(jié)構(gòu)，可以有效地縮小主動(dòng)型氫原子鐘的體積和重量，但是頻率穩(wěn)定度會(huì)略低于傳統(tǒng)主動(dòng)型氫鐘，并且腔頻波動(dòng)對(duì)振蕩頻率的牽引變大，同時(shí)頻率漂移率也會(huì)相應(yīng)增大．

[1] KLEPPNER D, GOLDENBERG H M, RAMSEY N F. Theory of the hydrogen maser[J]. Phys Rev, 1962, 126: 603-608.

[2] PETERS H E. Hydrogen masers using cavity frequency-switching servos: Present system design and possible improvements[J]. Metrologia, 2006, 43: 353-360.

[3] DEMIDOV N, VORONTSOV V, BELYAEV A, et al. Studies of a short and long-term stability of an hydrogen maser with stand alone cavity auto tuning[C]. Gothenburg: Proceedings of 26th European Frequency and Time Forum Meeting. USA: IEEE, 2012: 488-493.

[4] ALEYNIKOV M S, BLINOV I Y. Parameters of double selection of atoms in a hydrogen maser and the use of its signal in a fountain-type frequency standard[J]. Meas Tech+, 2015, 58(8): 892-897.

[5] ALEYNIKOV M S. A study of atomic magnetic transitions during operation of an H-maser double-state selection system[J]. Meas Tech+, 2016, 59(3): 235-238.

[6] BOYKO A I, ALEYNIKOV M S. An active hydrogen maser with enhanced short-term stabilit[J]. Meas Tech+, 2014, 56(10): 1140-1145.

[7] ALEYNIKOV M S. Magnetic state selection impact on double resonance effect in H-maser[C]. New Orleans: 2016 IEEE International Frequency Control Symposium (IFCS), 2016.

[8] LAURENT P, MASSONNET D, CACCIAPUOTI L, et al. The ACES/PHARAO space mission[J]. CR Phys, 2015, 16(5): 540-552.

[9] LITVINOV D A, RUDENKO V N, ALAKOZ A V, et al. Probing the gravitational redshift with an earth-orbiting satellite[J]. Phys Lett A, 2018, 382(33): 2192-2198.

[10] ASHBY N, HEAVNER T P, JEFFERTS S R, et al. Testing local position invariance with four cesium fountain primary frequency standards and four NIST hydrogen masers[J]. Phys Rev Lett, 2007, 98(7): 070802.

[11] TURYSHEV S G, NAN YU, TOTH V T. General relativistic observables for the ACES experiment[J]. Phys Rev D, 2016, 93: 045027.

[12] JORNOD A , GOUJON D, GRITTI D, et al. The 35kg space active hydrogen maser (shm-35) for ACES[C]. Tampa: Proceedings of the 2003 IEEE International Frequency Control Symposium and Pda exhibition Jointly with 17th European Frequency and Time Forum, 2003: 82-85.

[13] ZIVANOV S, SCHWEDA H, GOUJON D, et al. Physics package of the 35kg space active hydrogen maser for the ACES space mission of ESA[C]. Geneva: Proceedings of the IEEE International Frequency Control Symposium Jointly with the 21st European Frequency and Time Forum, 2007: 637-641.

[14] SCHWEDA H, ZIVANOV S, PERRUCHOUD G, et al. Performance demonstration of the onboard active hydrogen maser for the ACES space mission of ESA[C]. Geneva: Proceedings of the IEEE International Frequency Control Symposium Jointly with the 21st European Frequency and Time Forum, 2007: 1116-1121.

[15] YANG R F, ZHOU T Z, CHEN H B, et al. A new method to reduce frequency-temperature coefficient of sapphire loaded cavities for compact hydrogen masers[J]. IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control, 2010, 57(3): 583-586.

[16] YANG R F, ZHOU T Z, WANG N R, et al . Designs of a miniaturized sapphire loaded cavity for space-borne hydrogen masers[J]. IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control, 2010, 57(3): 587-591.

[17] VANIER J, AUDOIN C. The quantum physics of atomic frequency standards[M]. Philadelphia: IOP Publishing Ltd, 1989: 452-457, 1012-1015.

[18] CRAMPTON S B, WANG H T M. Duration of hydrogen atom spin exchange collisions[J]. Phys Rev A, 1975, 12: 1305-1312.

[19] HE K L, ZHANG W Q. Study on miniaturized hydrogen maser with dielectric loaded resonance cavity[J]. Chinese Journal of Scientific Instrument , 2016, 37(5): 1164-1171.

何克亮, 張為群. 介質(zhì)加載諧振腔的小型化氫脈澤的研究[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào), 2016, 37(5): 1164-1171.

[20] 王義遒, 王慶吉, 傅濟(jì)時(shí), 等. 量子頻標(biāo)原理[M]. 北京: 北京大學(xué)出版社, 1986: 424, 452-453

[21] CHEN P F, XIE Y H, LIN C F. Induction of hydrogen ramsey interference with pulsed microwave[J]. Chinese J Magn Reson, 2013, 30(3): 361-370.

陳鵬飛, 謝勇輝, 林傳富. 脈沖微波激發(fā)氫原子Ramsey干涉研究[J]. 波譜學(xué)雜志, 2013, 30(3): 361-370.

Design of the Atomic Storage Time of a Miniaturized Hydrogen Maser

1,2，1*，1

1. Shanghai Astronomical Observatory, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200030, China; 2.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

A hydrogen maser confines hydrogen atoms in the storage bulb and produces self-sustained oscillation in a low-loss resonance cavity. In this work, a miniaturized hydrogen maser was designed and fabricated utilizing a dielectric loaded cavity having a low frequency-temperature coefficient. The frequency stability and accuracy of the hydrogen maser were analyzed. The experimentally measured atomic storage time of the hydrogen maser was 0.4 s, and the frequency stability 5.6×10-15/(1 000 s), agreeing with the design.

hydrogen maser, atomic storage time, relaxation time, frequency stability

O455+.1；TM935.11

A

10.11938/cjmr20192712

2019-02-02;

2019-05-30

* Tel: 13585738245, E-mail: wqzhang@shao.ac.cn.