汞离子微波钟技术研究进展

汞离子微波钟利用四极线型阱实现离子囚禁，通过汞光谱灯完成汞离子态的制备，易于集成和小型化；通过离子阱和汞光谱灯及其光路等关键组件优化设计，使汞光谱灯发出的抽运光与离子阱囚禁的离子充分作用，完成态的制备；40.5 GHz微波通过喇叭发射至离子阱中心，完成离子数反转；利用弱荧光信号探测系统完成汞离子超精细能级跃迁谱线的探测，实测跃迁谱线线宽约1 Hz;通过伺服控制环路完成汞离子微波钟的闭环锁定，经实验测试，频率稳定度可达■。     

四极－十六极分区式线型阱中汞离子囚禁仿真研究

利用SIMION软件建立了四极-十六极分区式线型离子阱系统模型，在此基础上仿真模拟了汞离子在四极阱和十六极阱中被囚禁时的第一稳定区，并分析了离子在不同阱中的运动特性。研究了汞离子云在分区式阱中的囚禁体积和速度分布，以及在不同囚禁区域之间的穿梭过程。模拟得出了稳态情况下分区式阱中不同囚禁区域的粒子数密度分布，验证了分区式离子阱中离子云被连续囚禁、穿梭时粒子数衰减和补偿。同时，根据以上数据分析讨论了汞离子囚禁时的多普勒效应，估算了基于此分区式离子阱的汞离子微波钟的性能水平。     

分区式线型阱设计及其离子囚禁性能分析

基于分区式线型阱的汞离子微波钟已在国际上首次实现了空间在轨飞行验证，为今后深空探测技术领域实现单向导航奠定了基础。设计了一种基于“四极阱+十二极阱”的分区式线型离子阱，主要采用离子数密度分布模型，数值分析了轴向和径向的势阱结构特征，研究了该离子阱的离子囚禁性能，给出了囚禁离子的设计参数，估算了该离子阱应用于汞离子微波钟的二阶多普勒频移大小。论证了四极阱中实现光抽运与荧光探测，十二极阱中实现离子与微波相互作用及自由演化稳定存储功能的可行性。该项工作对于高性能离子囚禁钟和质谱仪的设计具有一定借鉴意义。     

汞离子微波频标汞光谱灯设计

汞离子微波频标由于其体积小、指标高的优势，未来将在卫星导航、深空探测和守时中得到广泛应用。汞离子微波频标的优势在于利用汞灯进行抽运，可实现小型化。而汞灯的指标会限制汞离子微波频标的物理极限，因此汞灯的设计尤其重要，通过大量的实验完成了汞灯的设计。测试指标如下，功率稳定度大约2.5%，测试时间为3天；194nm与253nm谱线能量比约1/45，通过滤光泡可改善为1/3。     

汞离子微波频标汞光谱灯设计

汞离子微波频标由于其体积小、指标高的优势,未来将在卫星导航、深空探测和守时中得到广泛应用。汞离子微波频标的优势在于利用汞灯进行抽运,可实现小型化。而汞灯的指标会限制汞离子微波频标的物理极限,因此汞灯的设计尤其重要,通过大量的实验完成了汞灯的设计。测试指标如下,功率稳定度大约2.5%,测试时间为3天; 194nm与253nm谱线能量比约1/45,通过滤光泡可改善为1/3。     

~(201)Hg~+离子贮存式频率标准

本文讨论利用在潘宁离子收集器中贮存~201Hg~+离子实现微波频率(和时间)标准以及光频标性能的潜力与存在的问题。有许多讨论一般都适用于离子贮存式频标。激光致冷、光抽运、以及微波或光时钟跃迁的光检测,可利用在194.2nm6P~2P_(1/2)←6~2S_(1/2)跃迁的窄带幅射,而有选择地将基态超精细能级与适当的微波幅射加以混频来完成。特别适用于采用潘宁(冷阴极)离子收集器的一阶独立场微波时钟跃迁是在1.534T 磁场的25.9GHz(F,M_F)=(2,1)←→(1,1)超精细跃迁。在563nm(毫微米)的双量子无多普勒5d~96S~(22)D_(5/2)←→5d~(10)6S~2S_(1/2)迁可能是光频标所要选用的。两种频标的绝对准确度具有达到好于1×10~(-15)而频率稳定度低于10~(-16)的潜力。     

一种用于CPT原子频标的高性能解调电路

介绍了同步积分器和相敏检波器级联的解调电路及该电路在相干布居囚禁（CPT）原子频标中的应用。通过理论计算和先进设计系统软件进行的仿真表明,该解调电路具有很高的Q值和很好的抑制噪声能力,是一种可应用于CPT原子频标的解调电路。对电路的测试结果证实,该电路能够从光检测信号中解调出高性能的用于激光频率稳频的多普勒吸收谱线的微分曲线和用于微波频率稳频的CPT谱线的微分曲线。     

基于各向异性分布的非相干散射雷达谱仿真

基于离子在加热条件下呈现各向异性分布的假设,建立离子声波激发条件下非平衡态的三维离子速度分布函数模型,给出任意视线方向上非相干散射谱的计算方法,分析幅度修正因子、离子声速粒子组分、雷达波束方向与磁场方向夹角及温度各向异性对功率谱的影响.研究结果可以解释离子线谱超过一个量级的幅度增强现象和上行离子线强于下行离子线的不对称现象,对加热强扰动电离层条件下的等离子体参数反演具有重要意义.      

高纬极区电离层中离子声波谱线增强的解释

大量的实验研究表明, 在顶部极光区电离层, 利用EISCAT非相干散射雷达和Millstone Hill雷达可以观测到不对称、增强的离子声波谱线. 考虑到低能H+离子束沉降到背景电离层, 以及电离层顶部O+离子的外流事件, 采用含有场向热流项的双麦克斯韦分布描述H+离子束的分布函数, 进而基于离子－离子双流不稳定性理论来解释增强的离子声波谱线. 场向热流的引入可以减小离子声波谱线的不对称现象, 这样得到的结果更符合实际.      

高稳定微波源

介绍了一种用于离子阱研究的高稳微波源的电路结构，讨论了环路参数的选择以及在电路上采取的措施，对系统的噪声性能进行了分析并给出了测试结果。     

M5型微波离子推力器10000h寿命试验

微波离子电推力器具有体积小、无热阴极、启动时间快、工作寿命长等优点,非常适用于空间推进领域。为了验证上海航天控制技术研究所研制的一款百瓦级电推力器M5型微波离子推力器的寿命,进行了10000h的寿命和10000次重复启动考核实验,在实验过程中,测试推力器工作性能参数和启动性能,通过对测试数据的分析来判断推力器的工作状态。实验表明M5型微波离子推力器连续累计工作10000h后,性能指标满足设计要求,累计重复启动10000次后启动性能未出现明显下降。证明M5型微波离子推力器寿命超过10000h,重复启动次数大于10000次。     

氢原子钟电离谱线对振荡信号的影响

通过实验分析了氢钟电离光谱组成,并通过实验分析了谱线对氢原子钟振荡信号幅度的影响。实验结果表明,当电离泡光强达到极大值时,氢原子流量控制在该极大值对应流量的3倍附近,可以保证氢原子振荡信号的幅度在极大值附近保持较小的变化。使主动型氢原子钟的振荡信号幅度能够保持在最大值附近。根据分析结果对氢原子流量进行了优化。     

K波段微波高光谱辐射计的晴空定标方法

K波段微波高光谱辐射计应用于大气探测方向,能够减少地表至对流层内的大气廓线误差和提高廓线的垂直分辨率.针对平均辐射温度在宽大气频谱和不同天空仰角下存在浮动的问题,结合所统计的北京地区往年廓线数据和晴空条件下的Liebe大气吸收模型（1993）,提出了一种微波高光谱下改进的晴空定标方法.相比于传统的晴空定标方法,该方法利用先验的气象数据对定标过程进行优化计算,有利于提高平均辐射温度的预测精度.误差分析结果表明当K波段微波高光谱辐射计采用改进的晴空定标方法时,能够有效减少平均辐射温度对其定标误差的影响.      

一种小型化铷光谱灯的设计

光谱灯的小型化是谱灯抽运被动型铷原子频标小型化的关键之一。分别对光谱灯的机械结构、热结构、电磁结构和电路结构进行了分析、仿真和优化,并改进设计了一种小型化的铷光谱灯,经过测试取得了比较理想的结果,其主要性能指标如下：体积〈14mL,灯温〈115℃,激励电流〈80mA,光漂移〈1·10^-4／d,光温度系数〈1·10^-3／℃。此小型化的铷光应谱灯已应用于小型化铷原子频标中。     

9胆固醇类离子液体作为空间油润滑轴承抗磨添加剂的性能研究#br#

本文合成了一种新型胆固醇类磷酸酯离子液体(记作［Col］［DBP］)，通过一系列结构及理化性能表征，发现该离子液体具有良好热稳定性，在合成烃类油(MAC)中具有优良的油溶性.然后利用真空球 盘摩擦试验机对比考察了［Col］［DBP］与另外两种油溶性离子液体(［P88816］［DOSS］与［P8888］［DEHP］)作为MAC添加剂对钢/PI、钢/PA两种摩擦副的润滑抗磨性能，结果表明：对于钢/PI摩擦副，三种油溶性离子液体均表现出显著的抗磨性能，其中［Col］［DBP］离子液体的抗磨性能最优，［P8888］［DEHP］离子液体的减摩效果最好；对于钢/PA摩擦副，三种油溶性离子液体作为MAC添加剂，均未起到显著的润滑抗磨作用.利用OM和SEM对磨损表面进行分析表征，发现三种离子液体均能明显改善MAC润滑条件下摩擦副的犁沟效应，获得较为光滑平整的磨损表面.     

热离子质谱分析仪的研制及定标

热离子质谱分析是空间等离子体探测的核心技术之一.热离子质谱分析仪采用了半球形静电分析器结合基于碳膜的飞行时间系统方案，是目前应用最广泛、最成熟的空间热离子质谱分析技术.热离子质谱分析仪解决了三项关键技术，即5mV高分辨扫描高压，10~20nm超薄碳膜处理以及30kV超高加速电压.分析仪原理样机在瑞士伯尔尼大学完成了定标试验，实现指标参数如下:能量范围为0.499eV~29.94keV，能量分辨率为10.5%；能够实现离子成分H+，He+，O+的分辨；视场范围为360°×8.4°，角度分辨率为22.5°×8.4°.基于热离子质谱分析仪的研制基础，可以进一步开发出更高质谱分辨、更大探测视场以及小型化的等离子体探测载荷.      

主动光频标的研究进展

传统被动光钟激光锁频系统的频率稳定度最终受限于由布朗运动导致的腔长热噪声，是目前光频标发展面临的主要技术瓶颈之一。主动式新型光频标利用光学谐振腔的弱反馈在原子跃迁能级间形成多原子相干受激辐射，该受激辐射输出信号可直接作为钟跃迁信号使用，相比于被动光钟，主动光中原理上可实现更窄的量子极限线宽，并具有腔牵引抑制优势。分别介绍了国内外在主动光频标研究现状，主要介绍北京大学在该研究方向取得的理论及实验研究进展。为了实现窄线宽连续型主动光频标，提出双波长好坏腔方案减小剩余腔牵引效应对四能级主动光钟的影响，其中Nd:YAG 1 064nm好腔激光和铯原子1 470nm坏腔激光共腔输出，分别工作在好、坏腔区域，好腔激光通过Pound-Drever-Hall(PDH)稳频技术锁定主动光钟谐振腔的腔长，由于坏腔激光相比于好腔激光具有腔牵引抑制优势，因此坏腔激光线宽有望在腔长锁定之后的好腔激光的基础上进一步压窄。目前两套双波长系统的1 470nm钟激光拍频线宽受限于两个谐振腔腔长的相对抖动，为了抑制共模噪声对钟激光拍频信号的影响，并验证采用PDH稳频技术实现腔长锁定的可行性，本文利用相位锁定技术同步两套双波长好坏腔系统的谐振腔腔长，从而消除腔长共模噪声对钟激光拍频线宽的影响，进而分析除剩余腔牵引效应以外的其他因素对1 470nm主动光频标的影响。     

行星大气1~3000GHz微波-亚毫米波辐射模拟

为模拟行星大气在微波elax-elax亚毫米波波段的辐射传输特性,利用逐线积分方法计算行星大气中各气体成分在1~3000GHz的吸收系数.基于HITRAN数据库中各气体分子的跃迁频率及线强等参数,有效模拟了各气体分子在此频段内的吸收特征,并与常用的微波elax-elax亚毫米波大气辐射传输模式进行对比.分析地球大气的组成及特性,利用辐射传输方程模拟临边探测方式下不同频段的大气辐射亮温.研究结果可为后续地球乃至行星大气成分探测模拟、频带选择以及大气成分廓线反演提供模型及理论依据.      

黄河站和Tromso站亚暴期间热层风场观测结果

中高层大气风场探测对研究大气物理过程具有极为重要的意义，尤其是在极地地区，风场对大气结构的影响更为剧烈.针对亚暴期间中国北极黄河站和日本Tromso站上空OI557.7nm气辉层（低热层）中性风场，利用全天空法布里-珀罗干涉仪（all-sky Fabry-Perot Interferometer，all-sky FPI）探测气辉谱线的多普勒频移，反演气辉层的大气风场信息.结果表明，低热层风场平均水平在100m·s-1左右，热层风场在极地地区更为剧烈，纬度相对较低的Tromso站探测到的风速整体小于同期黄河站上空的风速.结合离子风数据，分析离子拖拽和焦耳加热对中性风的影响过程，发现极光亚暴不仅对低热层风场有增强作用，也有明显的抑制效果，但整体风向都垂直于极光弧变化.      

国内外频率标准发展现状

时间频率在国家经济建设、科学研究、国家安全具有十分重要的意义。本文介绍了国内外高稳晶振、铷原子频率标准、守时型氢原子频率标准和铯原子频率标准、微型相干布局囚禁原子钟、低温蓝宝石微波源和超稳激光微波源以及铯原子喷泉钟的国内外发展情况、技术指标等。铷原子频率标准打破国外垄断，为北斗导航系统提供高精度的时间基准，守时型氢原子频率标准和铯原子频率标准已实现工程化，但日频率稳定度和日频率漂移率指标有待进一步提高，铯喷泉基准方面已接近国际先进水平，新型原子频标发展方兴未艾。