基于低温腔的铯喷泉频率基准的黑体辐射频移效应抑制研究

In the framework of current definition of the second, the caesium fountain primary frequency standard has the highest performance of frequency accuracy, and plays an important role in various fields of TAI keeping, navigation and positioning, measurement of fundamental physics constants, and so on. The type-B frequency uncertainty is the key specification of the caesium fountain primary frequency standard, which determines its ultimate limit of frequency resolution, and the uncertainty due to the blackbody radiation (BBR) shift is one of the main factors that limits the type-B frequency uncertainty of the caesium fountain primary frequency standard. The BBR shift is mainly the ac Stark shift of the atomic level induced by the BBR radiation field. The study on suppression of blackbody radiation shift of a caesium fountain primary frequency standard is carried out in this project. A cryogenic cavity with low thermal loss will be designed and set up, followed by development of an active temperature stabilization equipment based on controlling the flow rate of liquid nitrogen, and then the Ramsey cavity and the upper vacuum region is cooled and stabilized to the liquid nitrogen temperature of approximately 80 K. After realization of a stable environment in cryogenic temperature, in order to accurately evaluate the BBR shift and its uncertainty, a group of temperature probes are set up to accurately measure the temperature, and the temperature field distribution is simulated by finite element program. In the end, the uncertainty due to the BBR shift is suppressed to 1E-17, which paves the way for improving the total type-B uncertainty. The research findings of this project could apply to the study of optical frequency standards.

在现行的秒定义框架下，铯喷泉频率基准具有最高的频率准确度指标，并在国际原子时守时、导航定位、基础物理常数测量等诸多领域有着重要应用。B类频率不确定度是铯喷泉频率基准的关键指标，它决定了铯喷泉频率基准的频率分辨率极限，黑体辐射频移引起的不确定度是其中的主要限制因素之一。黑体辐射频移主要是由黑体辐射场引起的原子能级的交流斯塔克频移。本项目拟开展铯喷泉频率基准的黑体辐射频移抑制研究。通过设计与搭建低热耗的低温腔，并开发基于控制液氮流率的主动温控系统，将Ramsey腔和上真空区域冷却并稳定在液氮低温~80 K。在实现稳定的低温环境的基础上，通过安装多组温度探头对腔内外的温度进行精确测量，并利用软件仿真温度场分布，准确评估黑体辐射频移及其频率不确定度，最终将黑体辐射频移的不确定度抑制到1E-17，为进一步地提升铯喷泉频率基准的B类不确定度指标奠定基础。该项目的研究成果可应用于光学频率标准的研究中。

在现行的秒定义框架下，铯喷泉频率基准具有最高的频率准确度指标，并在国际原子时守时、导航定位、基础物理常数测量等诸多领域有着重要应用。B类频率不确定度是铯喷泉频率基准的关键指标，它决定了铯喷泉频率基准的频率分辨率极限，黑体辐射频移引起的不确定度是其中的主要限制因素之一。本项目拟开展基于低温鉴频腔的铯喷泉频率基准的黑体辐射频移抑制研究，最终将黑体辐射频移的不确定度抑制到1E-17，为进一步地提升铯喷泉频率基准的B类不确定度指标奠定基础。在本项目的支持下，完成了低温鉴频腔的核心器件的研制以及功能验证。在本项目以及其他项目的支持下，相继开展了铯喷泉频率基准的各子系统的设计与搭建、系统整机联调、原子的激光冷却、上升和回落TOF信号探测、原子的微波光选态、Ramsey条纹扫描，其中原子温度达到2.6μK，探测原子数达到2.3E5个，中心Ramsey条纹线宽达到0.911(1) Hz，对比度达到90.8%，接近国内外铯喷泉频率基准的先进水平。在此基础上，实现了铯喷泉频率基准的闭环锁定等。与主动型氢原子钟的频率比对显示，铯喷泉频率基准的短期频率稳定度达到2.5E-13/√τ，接近国际铯喷泉频率基准的主流指标。采用多路PT100探头监测和温控仪主动温控的方式，实现了铯喷泉频率基准的黑体辐射频移控制，根据四个探头温度测量结果，其中内环温度数据标准差~1mK，单个探头外环温度数据标准差＜100mK，最大温度差值2.2 K。考虑上真空腔温度梯度和温度时域变化的贡献，以此评估出来的黑体辐射频移量为-1.84(2)E-14。可见目前频移不确定度的评估结果还是偏大，下一步准备将设计的低温鉴频腔应用于铯喷泉频率基准上，对现有系统进行改造升级。以实现铯喷泉频率基准黑体辐射频移及其不确定度的进一步抑制。基于铯喷泉频率基准的研究，发表SCI论文三篇，申请并获批专利一项。同时，协助合作导师培养研究生5名，其中已毕业3名。