囚禁汞离子微波频标缓冲气体冷却实验研究

囚禁汞（Hg+）离子微波频标用光谱灯的194nm光对离子进行光抽运，取代了昂贵又复杂的深紫外激光器系统，使其可小型化星载，在国际上受到高度重视。但没有激光冷却，离子运动所造成的多谱勒频移则严重影响整机的长期稳定度。为此采用缓冲气体冷却。本申请拟在前期完成的汞离子微波频标原理样机初步闭环锁定的基础上提高整机性能指标，开展离子产生、贮存条件的优化和缓冲气体冷却实验，降低由离子运动所引起的频率漂移，系统的研究不同的缓冲气体（如氖、氦、氩、氮气等）对囚禁汞离子的冷却效果，探索一种最有效的缓冲气体冷却被囚禁的汞离子。将二级多普勒频移和缓冲气体与离子的碰撞对不稳定度的贡献降低到最小，将钟跃迁谱线线宽由现在的3Hz压缩到1Hz。研制高纯度缓冲气体提纯部件以进一步提高注入系统内的气体纯度。

囚禁汞离子微波频标的关键技术之一是用缓冲气体冷却离子，以降低离子的动能。其优点是简单易行，无需庞大的深紫外激光器系统。但缓冲气体分子也和汞离子发生碰撞，使得钟频率产生碰撞频移。而钟跃迁频率对缓冲气体压强变化的敏感性也是限制汞离子微波频标长期稳定度的一个主要因素之一。因此，缓冲气体的种类和压强的选择关系到囚禁离子数目（钟跃迁信号的信噪比）和谱线的碰撞频移（汞离子微波钟的准确度）。.通常使用氦气作为缓冲气体来冷却汞离子。但理论研究表明，氖气是一种更有效的冷却缓冲气体。为实验证明氖气和氦气哪种气体更适合在汞离子微波频标中做缓冲气体，我们开展了汞离子钟缓冲气体冷却效果（氖气、氦气等）实验研究。.实验测量了汞离子钟跃迁谱线随氖气和氦气压强的变化分别为(df/dPNe)(1/f)=1.8×10-8/Torr， (df/dPHe)(1/f)=9.1×10-8/Torr。当以氖气为缓冲气体时，钟跃迁荧光谱线的线宽要比相同压强下的氦气线宽要窄。这些实验结果证明了汞离子钟跃迁对氖气压强变化相比于对氦气压强变化较不敏感，并且氖气具有更好的冷却效率。因此，在汞离子微波频标中，氖气比氦气更适合做缓冲气体。实验得到了最优氖气压强为～1.0×10-5 Torr。.光、微波双共振测量40.5GHz中跃迁谱线线宽小于1Hz图2，再通过Ramsey分离振荡场的实验技术进一步压缩40.5GHz钟跃迁谱线线宽，实现了钟跃迁谱线中心峰的宽度最小大约30 mHz图3。. 实现了课题申请书中各项研究目标，如线宽压缩到30mHz已大大超过预期目标，完成了课题总体研究任务。. 项目执行期间完成SCI论文2篇、EI论文1篇、申请发明专利1项、授权发明专利1项、国内核心期刊论文1篇，2人1次出席国际学术会议、9人两次出席国内学术会议，毕业硕士研究生5人（4人系转博）、在读博士研究生4人、在读硕士研究生2人。