星载氢原子钟用多段线圈式C场的仿真及应用

作者：潘志兵,谢勇辉,帅涛,陈鹏飞,裴雨贤,潘晓燕,赵阳,林传富

摘要：星载氢原子钟具有频率稳定度高、频率漂移率低的优点,在卫星导航定位和频率计量中得到了广泛应用。星载氢原子钟的腔泡系统用于实现氢原子的量子跃迁及其信号采集,原子跃迁信号幅度直接决定了系统的信噪比,进而影响整机性能指标,所以腔泡系统是星载氢原子钟的核心组件。目前,星载氢原子钟腔泡系统主要采用直螺线管来产生原子跃迁所需的C场。由于星载氢原子钟物理部分的结构限制,直螺线管的磁场均匀度有进一步提高的空间。探讨使用多段线圈代替直螺线管用于产生C场的可行性。首先对多段线圈产生的磁场进行理论分析计算,同时使用ANSYS电磁场仿真软件对多段线圈的各项参数进行仿真和优化,包括各段长度、段数、间距以及匝数、内径和总长度等。然后优选磁场均匀度较好的线圈配置参数,可将C场的非均匀度由直螺线管约10%降低到多段线圈约1%。根据仿真优化结果建立了试验九段线圈,对比测试了原子跃迁信号增益,同时结合电路部分进行闭环测试,对频率稳定度指标进行了对比。实验结果表明,原子跃迁信号可有效提升,阿伦方差在中短稳(1~1000 s)表现更好。此项工作为星载氢原子钟整机性能指标的进一步提升打下了基础。

发文机构：中国科学院上海天文台 中国科学院大学

关键词：星载氢原子钟腔泡系统C场多段线圈均匀磁场原子跃迁信号增益频率稳定度Space passive hydrogen maserCavity-bulb assembleC fieldMulti-section coilHomogeneous magnetic fieldAtomic transition signal gainFrequency stability

分类号： TB939[机械工程—测试计量技术及仪器]