准直器结构对高性能铯原子钟束流强度影响的研究

Beam intensity of cesium atom emanated from collimator directly affected performance of cesium atom clock. Construction, shape and dimension of collimator determined beam intensity and angular distribution. This project will analyse the process of cesium atom emanated from collimator, establish perfect theoretical model and simulative calculation method of gas beam state analysis after collimator based on experiment result, advance modified design decision of collimator. The investigation will enhance beam intensity of cesium atom, improve signal to noise ratio and short term stability of cesium atom clock, then promote development of ground and space high performance cesium atom clock.

铯束管内铯原子逸出准直器后的束流强度，对铯原子钟的性能指标有直接影响，准直器的结构和形状、几何尺寸决定了铯原子束的束流强度和角分布。本申请项目从理论上分析铯原子逸出准直器的发射过程，并根据试验测试结果建立和完善气体束流逸出准直器后状态分析的理论模型和模拟计算方法，以此为基础提出准直器的改进设计方案，以提高铯原子束流强度，改善铯束管的信噪比和铯原子钟短期稳定度性能指标，推动地面和空间高性能铯原子钟的发展。

小型磁选态铯原子钟是一级时间频率计量标准，具有长期稳定性好、可靠性高和环境适应性强的特点，是守时授时和全球卫星导航的关键时频设备，在地面和星载方面得到广泛应用。铯束管是铯原子钟的核心组件，铯束管内铯原子逸出准直器后的束流强度，对铯原子钟的性能指标有直接影响。铯炉是铯束管内喷出铯原子束的装置，铯炉准直器的结构和形状、几何尺寸决定了铯原子束的束流强度和角分布，优化准直器设计可以有效的提高铯原子钟性能指标。..本申请项目首先从理论上分析铯原子逸出准直器的发射过程，在常用的铯炉温度范围内，由于铯原子的平均自由程和准直器的几何尺寸相当，须综合考虑铯原子和准直器壁间的反射以及铯原子之间的碰撞，作出以下假设：准直器内的粘滞流区域的分子数密度与到准直器末端的距离成正比；铯原子和准直器壁发生碰撞后的反射符合余弦定律。处理原子间碰撞后，得到了铯原子逸出准直器后束流强度最大值和半峰值角度的表达式，指导了多孔准直器的设计。为验证理论分析结果，项目采用蒙特卡洛方法对准直器内铯原子运动状态进行模拟计算，选用了粒子输运过程模拟程序，对单孔准直器和不同结构多孔准直器铯原子束进行模拟，结论是准直器的铯炉温度在一定范围内，理论分析和模拟计算结果较为符合；多孔准直器的三角形结构是提高束流强度和准直性较好的方案。..项目设计并组建了铯原子束流强度测试系统，采用了检测器至铯炉的距离和夹角都可改变的方案，可以精确控制检测器至准直器出口的距离和倾角，从而提高铯源发射束流强度分析精度；检测器至铯炉采用波纹管连接解决了密封和真空度问题，防止杂散铯蒸汽对测试系统的污染，提高测试系统的安全性。..项目在铯原子束流强度测试系统上进行了准直器参数的优化和测试实验，实验结果和理论分析值的差异在20%以内，根据测试结果，优化了三角形结构多孔准直器的参数，在加工条件允许的条件下增加准直器波浪片层数，可以有效的提高束流准直性。经优化后的准直器装配到铯束管和整机后，经测试得到了满意的长期稳定度指标。项目研究的结果除了可以改进准直器的设计，还可以为其它种类气体在长直管内的输运过程研究提供理论分析和试验数据支持。