磁选态单束铯束管束光学参数的模拟计算和设计

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1、2011年10月第31卷第5期宇航计测技术JournalofAstronauticMetrologyandMeasurementOct．，2011V01．31，No．5文章编号：1000—7202(2011)05—0044一06中图分类号：TN202文献标识码：A磁选态单束铯束管束光学参数的模拟计算和设计朱宏伟张涤新陈江王骥(兰州空间技术物理研究所，兰州730000)摘要为提高铯束管跃迁信号强度，在束光学参数设计中，用蒙特卡罗方法模拟计算铯原子通过率和未跃迁比例。通过改变模拟计算中的束光学参数，分析铯原子通过率、未跃迁比例和倍增器首

2、极电流的变化趋势，得到了主要束光学参数的合理取值范围。在铯束管实际装配和试验中使用束光学参数设计结果，有效地增加了倍增器首极电流。关键词磁选态单束铯束管蒙特卡罗方法束光学参数SimulativeCalculationandDesignofOpticalBeamParametersinMagneticStateSelectionCesiumSingleBeamTubeZHUHong·-weiZHANGDi··xinCHENJiangWANGJi(LanzhouInstituteofSpaceTechnologyPhysics，Lanz

3、hou730000)AbstractWecalculatedpasscoeffieientandnon‘transitionproportionofcesiumatomwithMonteCarlomethodtoenhancetransitionsignalmagnitudeinopticalbeamparametersdesignofcesiumbeamtube．Wechangedmajoropticalbeamparametersinsimulativecalculationtoanalyzevarietytrendofce—s

4、iumatompassc．，oefficientandnon—transitionproportion，andcurrentoffirstdynodeinmultiplier，thenproperrangeofopticalbeamparameterswasattained．Weadoptedtheproperrangeinassemblyandex—perimentofcesiumbeamtube，SOthecurrentoffirstdynodeinmultiplierwasenhancedeffectively．Keyword

5、sMagneticstateselectioncesiumsinglebeamtubeMontecarlomethodOpticalbeamparameters、1引言铯柬管是铯原子钟的最核心部分，根据原子选态的方法和原子束数量的不同，铯束管有多种设计方案，其中选用磁选态单束铯束管是一种较为成熟的设计方案，原理示意图如图1所示，从铯炉准直器喷射出的铯原子束，包含F=3态和F=4态这2个超精细能级，经过选态磁铁A，选出F=3态铯原子进入微波谐振腔发生跃迁，使用F=3(m，=0)子能级和F=4(m，=0)子能级之间的盯跃迁频率进行鉴频。

6、跃迁到F=4态的铯原子在选态磁铁B中偏转，最终到达检测器。整个过程中铯原子束分布不仅与准直器、选态磁铁A、选态磁铁B、微波腔、检测器的几何尺寸和倾角有关，还与铯炉温度、选态磁铁A、选态磁铁B的磁场梯度有关。以上参数统称为束光学参数。柬光学设计就是确定这些参数值的过程。束光学设计是磁选态单束铯束管的核心研究内容之一，目标是选择恰当的参数，增加检测器处的铯原子束流强度，尽量提高铯原子利用率，步骤如下：第5期磁选态单束铯束管束光学参数的模拟计算和设计·45·Z；_苎Q_；l-墨!-ii一曼!-；‘区域1‘区域2。区域3区域4区域5图1铯原

7、子束轨迹和束光学参数示意图1)建立计算模型，根据束光学参数计算得到单个铯原子的运动轨迹；2)采用计算机模拟的方法，考虑准直器出口处铯原子束的速率分布、角分布，对铯原子束打到检测器的通过率、铯原子束能级态的分离情况等问题进行定量分析和研究；3)选择适当的束光学参数，提高铯束管束流强度和铯原子利用率。由于束流强度和利用率一般不会同时达到最佳值，选择束光学参数时需要综合考虑。2计算模型2．1铯原子打出准直器后的束流强度铯炉内的铯蒸气处于饱和状态，铯蒸气中铯原子的密度n("@／cm3)与温度r(K)有以下的近似关系式⋯lgn=30．36—4

8、075／T一2．4519T(1)式中：温度7'的取值范围为(280—1000)K。铯原子钟所用的束源是体积I，不大的铯炉，铯原子从铯炉壁的小孔中溢出时，若孔足够小、孔壁厚度可忽略、铯原子逸出时不与孔壁碰撞，可视为薄壁小孔模型，经小孔从