被動(dòng)型氫原子鐘若干關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、被動(dòng)型氫原子鐘體積、質(zhì)量相對(duì)較小但具有很高的穩(wěn)定度，被廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星定位、導(dǎo)航、空間探測(cè)及科學(xué)實(shí)驗(yàn)等領(lǐng)域。被動(dòng)型氫原子鐘的研制是一項(xiàng)極為復(fù)雜的科學(xué)工程，對(duì)基礎(chǔ)理論、部件設(shè)計(jì)和加工制作方法要求都極高，許多問(wèn)題尚需解決。本文針對(duì)被動(dòng)型氨原子鐘的系統(tǒng)理論、物理部件的設(shè)計(jì)優(yōu)化及單頻調(diào)制頻率控制理論和方法等關(guān)鍵問(wèn)題采用科學(xué)推導(dǎo)、數(shù)值計(jì)算與仿真等方法并結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)、調(diào)試進(jìn)行了深入研究，以實(shí)現(xiàn)被動(dòng)型氫原子鐘系統(tǒng)的小型化及參數(shù)優(yōu)化。
　　首先，從

2、量子力學(xué)基礎(chǔ)理論出發(fā)，介紹了被動(dòng)型氫原子鐘的實(shí)現(xiàn)機(jī)理及系統(tǒng)描述方程，并從描述方程的實(shí)現(xiàn)條件出發(fā)，將被動(dòng)型氫原子鐘系統(tǒng)分為束光學(xué)系統(tǒng)、磁場(chǎng)耦合系統(tǒng)、頻率控制系統(tǒng)以及相關(guān)輔助系統(tǒng)等部分，對(duì)三個(gè)主要的構(gòu)成子系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分別進(jìn)行了研究。
　　其次，針對(duì)束光學(xué)系統(tǒng)，對(duì)氫氣提純及流量控制系統(tǒng)，建立了基于真空度測(cè)量的流量檢測(cè)模型，基于熱導(dǎo)法采用高靈敏度微型熱電阻設(shè)計(jì)了流量檢測(cè)和數(shù)字控制系統(tǒng);推導(dǎo)了射頻感應(yīng)耦合電離的電磁場(chǎng)分布模型，得出了電離擊穿

3、規(guī)律，進(jìn)而設(shè)計(jì)了氫氣電離裝置，并改進(jìn)其工藝，降低了電離功率，改善了電磁干擾特性及長(zhǎng)期工作可靠性;對(duì)磁選態(tài)器采用有限元法仿真出磁隙的磁場(chǎng)分布和梯度狀況，并且為了提高聚焦系統(tǒng)的原子收集效率，基于原子的出射速度及角度分布函數(shù)建立了更貼近實(shí)際情況的原子在聚焦系統(tǒng)中的運(yùn)動(dòng)及泡口分布模型，以此優(yōu)化聚焦系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)。
　　再次，針對(duì)磁場(chǎng)耦合系統(tǒng)，在圓柱腔電磁場(chǎng)理論的基礎(chǔ)上采用有限元法得到TE01模式磁控管腔內(nèi)部磁場(chǎng)分布，并將經(jīng)驗(yàn)公式和有限元計(jì)

4、算相結(jié)合設(shè)計(jì)了其參數(shù)，控制加工工藝，并測(cè)試了腔的性能;采用解析式法和級(jí)數(shù)法相結(jié)合的數(shù)值算法精確計(jì)算得到塞曼磁場(chǎng)（C場(chǎng)、靜磁場(chǎng)）線圈內(nèi)部磁場(chǎng)分布，提出一種對(duì)補(bǔ)償線圈長(zhǎng)度、繞線密度和磁場(chǎng)筒半徑進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法和優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，以此得到一組優(yōu)化的C場(chǎng)磁筒加工參數(shù)，并采用一條不同直徑的漆包線端接而形成的繞線繞制線圈，使得磁筒結(jié)構(gòu)緊湊、均勻度高，僅需要一個(gè)恒流電源供電即可產(chǎn)生超均勻C場(chǎng);采用有限元法設(shè)計(jì)了三層磁屏蔽桶，并計(jì)算出其內(nèi)部剩磁分布和開(kāi)孔

5、的漏磁影響，給出消磁方法和測(cè)試結(jié)果。
　　然后，針對(duì)基于單頻調(diào)制的頻率控制方法，在系統(tǒng)描述方程的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出原子振蕩系綜的復(fù)增益模型及諧振腔選頻作用的洛倫茲擬合曲線，以此建立了快速相位調(diào)制誤差探測(cè)信號(hào)與鑒頻器的作用模型及檢波信號(hào)輸出模型、以及基于同步檢波和周期積分的誤差信號(hào)檢測(cè)與分離模型，給出了數(shù)學(xué)模型的詳細(xì)推導(dǎo)過(guò)程和仿真實(shí)例，仿真結(jié)果表明，該誤差檢測(cè)模型和方法能夠較好地實(shí)現(xiàn)兩個(gè)頻率誤差信號(hào)的檢測(cè)和解耦，且有足夠的檢測(cè)靈敏度;并在

6、小頻率偏差范圍內(nèi)將控制系統(tǒng)等效為線性系統(tǒng)，構(gòu)建相互獨(dú)立的雙閉環(huán)線性調(diào)節(jié)系統(tǒng)的理論模型，給出控制系統(tǒng)仿真實(shí)例;在理論分析的基礎(chǔ)上，采用基于FPGA的數(shù)字系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)單頻誤差檢測(cè)和頻率控制，給出了采用方波調(diào)制的數(shù)字誤差檢測(cè)和控制器的設(shè)計(jì)，測(cè)試驗(yàn)證了單頻調(diào)制誤差檢測(cè)及閉環(huán)控制效果。
　　最后，對(duì)本文的研究工作進(jìn)行了總結(jié)，給出下一步研究展望。
　　本文的研究工作和結(jié)果對(duì)被動(dòng)型氫原子鐘的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義，為被動(dòng)型氫原子鐘的研究工