[发明专利]一种二极型磁选态单束铯束管束光学结构的建立方法

说明书

技术领域

本发明涉及量子频标技术领域，尤其涉及一种二极型磁选态单束铯束管束光学结构的建立方法。

背景技术

铯原子钟是一种利用铯原子的两个子能级之间的跃迁信号来鉴频的原子频率标准设备。对磁选态单束铯原子钟来说，提高其物理部分即铯束管的束流强度是各种改进的主要目标，通过提高束流强度可以提高铯束管信噪比和铯原子钟稳定度指标。

1969年至1974年，瑞士Perter Kartaschoff提出在原子选态时使用聚焦磁场，提出并改进了铯束管用聚焦选态磁铁新结构，可以收集更多铯原子，提高铯束管的束流强度(专利US359800和US3824394)。1990年，Bernardo Jaduszliwer通过数值模拟，证明聚焦铯束管束光学结构能把束流强度提高一个数量级(Atom trajectories in compact cesium-beam clocks.IEEE transactions on ultrasonic ferroelectrics and frequency control,37(2),1990:121-126.)

国内研究主要集中在内部各部件不变前提下优化其在铯束管内的布局方面，即优化铯束管束光学结构，提高束流强度。1983年，北京大学刘琳等建立了复杂的二极型铯束管束光学模型，其束光学部件包括准直器、A磁铁、A磁铁狭缝、B磁铁、B磁铁狭缝和离化丝6部分，提出以铯束管优值(与束流强度呈正比关系)为目标，采用最大陡度法找出使其为极大值的14个束光学参量(刘琳等，小型铯束管最佳束光学参量的计算方案，北京大学学报，1983，6：27-38)。该方法优点是计算模型较详细，缺点是参数多，采用最大陡度法优化不连续统计问题，获得优化束光学结构难度大。

2008年，陈江等在“一种对铯束频标中束光学参量进行优化的方法”(专利公开号:CN101458319)中提出采用Monte Carlo方法对准直器发射的铯原子速度及其方向进行抽样，再采用磁场梯度和有效磁矩的实际值来求解铯原子运动微分方程，提高了原子运动轨迹计算的精度。在此基础上，根据原子通过率确定准直器偏角、准直器对准A磁场入口的坐标，根据通过A磁场的铯原子的位置分布确定出B磁场的位置，因此每一个参数都通过对应的最大束流强度统计计算获得，但是各阶段最优结果的组合不一定是全局最优。另外，由于铯原子的通过率很低，该方法又采用了Monte Carlo抽样，为了获得足够大且准确的束流强度结果需要进行大量铯原子的模拟，单次计算量大。2011年，朱宏伟等在“磁选态单束铯束管束光学参数的模拟计算和设计”中以铯原子通过率、未跃迁比例和倍增器首极电流的变化趋势作为判据，确定了磁铁位置、磁铁磁场强度和准直器夹角。该计算方法即采用上述Monte Carlo方法，大量计算仅优化出3个参数，不适于束光学的工程设计应用。

综上所述，现有铯束管束光学结构建立技术比较复杂，实现的工作量大，不适于工程设计计算。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种二极型磁选态单束铯束管束光学结构的建立方法，该方法实现过程简单，计算量小，且得到的束光学结构输出的束流强度大。

为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：

一种二极型磁选态单束铯束管束光学结构的建立方法，所述束光学结构包括准直器、A磁铁、微波腔、B磁铁和离化丝，铯原子束流从准直器发出，经过A磁铁、微波腔和B磁铁，最后被离化丝收集；不考虑A磁铁和B磁铁的狭缝以及铯炉加热温度，建立所述束光学模型，具体步骤如下：

步骤1、确定所述束光学结构的输入条件，具体为：

1)、确定束光学结构中各部件在X轴方向距离，即准直器、A磁铁、微波腔、B磁铁和离化丝中相邻两者之间的距离：X_s、X_m、X_b和X_c；其中，以A磁铁的开孔的法线方向为X轴Y轴方向为从A磁铁的凸极头指向凹极头的方向，且Y轴在A磁铁的端面内；

2)、选定束光学模型中铯原子速度V_s；

3)、束光学模型中各部件物性参数和结构参数，包括准直器的偏角α_s，准直器的宽度W_s，A磁铁和B磁铁的二线场半长a、宽度b和磁铁长度L_x以及磁场强度H₀，微波腔的束孔宽度W_m和长度L_m，离化丝的宽度W_c；