汞离子微波钟技术研究进展

王暖让易 航薛潇博张升康

（北京无线电计量测试研究所，计量与校准技术重点实验室，北京 100039）

1 引言

汞离子微波钟是空间时频系统的心脏，其性能指标关乎国家安全和社会科学技术发展［1-3］，未来可广泛应用于下一代北斗卫星导航、空间站和深空探测等重大领域［4-6］。美国喷气推进实验室（JPL）研制的星载汞离子微波钟日稳可达3E-15／1d，体积17L［7］，较传统星载原子钟优势明显。欧空局于2014年斥巨资委托Spectratime 公司开展该频标的研制［8］。航天二院二〇三所已开展汞离子微波钟的研制工作，目前已突破大量关键技术，完成整钟闭环锁定及指标测试，正在进行集成化和小型化研究［9，10］。

2 系统组成及指标理论计算

汞离子微波钟主要包括四极离子阱、汞光谱灯及其光路控制系统、缓冲气体离子冷却系统及40.5 GHz高稳微波源等，其原理框图如图1 所示。

图1 汞离子微波钟原理框图Fig.1 Sketch map of mercury ion trapped microwave clock

汞离子微波钟主要技术特点表现为离子囚禁、缓冲气体冷却及汞光谱灯泵浦。其中离子囚禁将离子限制在共振频率的半波长范围内，可有效降低多普勒效应引起的谱线频移和增宽；缓冲气体冷却可有效降低离子的运动速度，实现大数目离子云的稳定囚禁，相对于激光冷却结构简单、易集成；汞光谱灯泵浦相对于激光器泵浦，可以实现小型化、实用化且可靠性高。

根据Lamb-Dicke 理论，二阶多普勒效应是汞离子微波频标指标受限的主要因素，其主要来源是汞离子在阱中的微运动，经计算可得二阶多普勒频移如式（1）：

由式（1）、式（2）可见，二阶多普勒频移与离子囚禁数量成反比，与囚禁离子温度成正比。汞光谱灯的性能直接影响离子囚禁的数量与离子装载的速度，汞光谱灯指标越高，囚禁数量越多，装载速度越快，多普勒频移越小，汞离子微波频标的Ramsey线宽越窄，其频率稳定度及准确度指标越高。但由于整个系统非常复杂，各个指标相互之间交叉影响，很难定量计算。

汞离子微波钟频率稳定度的估算如式（3）所示：

式中：σy（τ）——频率的阿伦方差；f0——谱线中心频率；Tc——一次完整的鉴频周期；SNR——信噪比；Δf——谱线线宽；τ——采样时间。

据此计算可得到理论频率稳定度如下：8.3 ×10-14／1 s，8.3 ×10-15／100 s，8.3 ×10-16／10 000 s，日稳可进入E-16 量级。

3 关键组件设计

3.1 汞光谱灯设计

汞光谱灯主要包括汞发光泡、高频激励源和冷端温控模块。汞发光泡是汞光谱灯发光的核心部分，发光泡内充汞同位素以及起辉气体——氩气，氩气的含量对抽运谱线194 nm 谱线的强度影响较大。我们通过实验得到了原子谱线254 nm 和抽运谱线194 nm 发光强度随着氩气气压的变化，实验结果如图2 所示。可以发现，当充入氩气的气压为1 Torr时，抽运谱线194 nm 的相对光强最大。

图2 输入功率为15 W，194 nm 和254 nm 谱线强度（相对值）曲线图Fig.2 Curve of 194 nm and 254 nm spectral line intensities（relative values）with an input power of 15 W

通过TEC 制冷方式对汞光谱灯的冷端进行温度控制，通过实验得到抽运谱线194 nm 在不同温度下的发光强度，可得到抽运谱线194 nm 光强最强的温度，其测试结果如图3 所示。可见当冷端温度为65 ℃时，抽运谱线194 nm 的发光强度最大，因此选择此温度点作为温控点。

图3 不同温度下194 nm 谱线强度曲线图Fig.3 Curve of 194 nm spectral line intensity at different temperatures

汞光谱灯实物照片如图4 所示。外形为边长50 mm 的正方体，通过跃迁信号测试的反复实验及调试，抽运谱线194 nm 的强度达到实验需求，信号幅度5 万光子数左右（采样时间1 s），优于美国JPL汞离子微波钟的信号幅度。

图4 汞光谱灯实物图Fig.4 Picture of mercury lamp

3.2 离子阱设计

汞离子微波钟的离子阱采用四极阱，阱电极为圆柱形，材料选择钛，支撑绝缘材料为陶瓷。对角阱电极各为一组，两组电极分别加载相位差180°的射频电压，形成囚禁马鞍面，如图5 所示。四极线型阱在阱内部产生的电势为：

图5 离子阱电势图Fig.5 Electric potential of the ion trap

经计算得到离子阱尺寸如下：阱电极的半径re＝4 mm，阱中心到阱电极表面的距离r0＝10 mm，阱的长度为50 mm，射频驱动电压频率为1 MHz。

根据此尺寸进行仿真，电场仿真结果如图6 所示。离子阱实物如图7 所示。

图6 四极线型离子阱的电场仿真结果图Fig.6 Simulation results of the ion trap

图7 离子阱实物图Fig.7 Picture of the ion trap

4 整钟闭环实验研究

汞离子微波钟的闭环锁定示意图如图8 所示。闭环锁定过程如下：由40.5 GHz 低相噪频综通过喇叭向离子阱中心发射40.5 GHz 的微波信号，与处于谱线低能级的离子相互作用，完成离子数的反转，通过荧光探测系统得到不同微波频率下的光子数。微波频率在Ramsey 中心波谱半高宽位置所对应的两个频率间进行跳频，通过Ramsey 中心波谱半高宽位置的光子数差进行鉴频。通过物理系统鉴频后，将得到的误差信号输入到控制模块中，通过运算，得到误差电压输出到高稳晶振（如BVA8607-BE），调整高稳晶振的输出频率，将其锁定在物理系统的跃迁谱线上，从而得到中、长期稳定度俱佳的汞离子微波频标。同时高稳晶振可输出一路10 MHz 的微波信号用以测量其频率稳定度、频率准确度等性能指标。

图8 闭环锁定原理示意图Fig.8 Schematic diagram of closed loop locking

按照总体框图完成系统组装，首先进行汞离子跃迁信号探测。各参数设置如下：汞光谱灯电压12 V，电流1.5 A；囚禁射频场频率1.1 MHz，电压峰峰值为2 000 V；汞炉子电压为0.6 V，电流为9.5 A；电子枪灯丝电流1.45 A，阳极板电压为200 V。

找到跃迁信号后，即可进行跃迁谱线探测，在一定范围内，通过扫描微波频率即可得到汞离子的跃迁谱线。如图9 所示，直接扫频线宽1 Hz 左右。

图9 跃迁谱线示意图Fig.9 Schematic diagram of the clock microwave resonance signal

闭环锁定后，调整伺服控制环路参数，进行测试，频率稳定度指标如图10 所示。

图10 频率稳定度测试曲线图Fig.10 Curve of frequency stability of the clock

5 结束语

介绍了汞离子微波钟的系统组成，并分析了其理论指标，通过汞光谱灯和离子阱等关键组件的设计，完成汞离子微波钟实验样机初步设计，并利用光-微波双共振实验得到跃迁信号，利用闭环锁定回路实现整机锁定，完成频率稳定度指标测试，根据测试曲线可得频率稳定度为5E-13／。汞离子微波钟是新型微波钟，较传统微波钟具有明显优势，但是研制难度很大。难点一为抽运频率处于深紫外波段，国内外深紫外光源技术不成熟；难点二为研制过程中缺乏中间检测手段，难以评估各关键组件性能指标。汞离子微波钟初步完成闭环锁定，指标提高空间较大，尤其长稳指标仍需要持续优化。后续在提升指标的同时，进行集成化、小型化设计，尽快实现该钟的工程化、实用化。