被動型星載氫鐘H型氣體電離模型及參數(shù)優(yōu)化

《被動型星載氫鐘H型氣體電離模型及參數(shù)優(yōu)化》由會員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在學(xué)術(shù)論文-天天文庫。

1、中國空間科學(xué)技術(shù)ChineseSpaceScienceandTechnology2013年10月第5期被動型星載氫鐘H型氣體電離模型及參數(shù)優(yōu)化王勇1。2邱實(shí)2李建清1(1東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院，南京210096)(2東南大學(xué)空間科學(xué)與技術(shù)研究院，南京210096)摘要針對被動型星載氫鐘氣體電離裝置低功耗、低電磁干擾的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)了一種基于平面盤繞饋能天線的H型電離系統(tǒng)，并建立該電離方法的數(shù)學(xué)模型。首先，由Maxwell方程出發(fā)，推導(dǎo)出了電離泡中的電場和磁場的分布模型，得到氣體電離機(jī)制；再由電磁場的分布方程推導(dǎo)出氫氣擊穿判據(jù)表達(dá)式，建立了氣體電離條件的數(shù)學(xué)模型

2、；最后，利用電離擊穿條件判據(jù)方程優(yōu)化了電離裝置的設(shè)計(jì)參數(shù)。數(shù)值仿真與測試表明該模型是有效的，采用優(yōu)化的設(shè)計(jì)參數(shù)可以使電離功耗和電磁干擾特性得到改善，且電離直流電源總功率可小于2W。關(guān)鍵詞氣體電離模型電磁場分布電離參數(shù)優(yōu)化被動型星載氫鐘DOI：10．3780／j．issn．1000—758X．2013．05．0091引言被動型氫原子鐘是實(shí)現(xiàn)氫原子鐘小型化的主要途徑，它體積、質(zhì)量相對較小，且相對于其他小型原子鐘具有無可比擬的中、長期穩(wěn)定度，適用于衛(wèi)星定位、導(dǎo)航、空問探測及天文觀測等系統(tǒng)，可以提供超穩(wěn)定度的標(biāo)準(zhǔn)頻率信號[1]。氫氣電離裝置是被動型星載氫原子鐘的重要物理部

3、件，它將經(jīng)過提純器過濾后的純凈的氫氣電離成為氫原子，以便經(jīng)過選態(tài)以后產(chǎn)生高能態(tài)氫原子并注入到儲存泡中，從而產(chǎn)生1．420GHz躍遷微波信號。電離電源的功率不僅影響了小型氫鐘的星載質(zhì)量和體積，還決定了電離電磁能對整個(gè)電子系統(tǒng)的電磁干擾特性(電離振蕩器功率越大，電磁輻射干擾越強(qiáng))[z]。因此，優(yōu)化電離參數(shù)從而降低電離功率是電離裝置重要的設(shè)計(jì)目標(biāo)。現(xiàn)有氫鐘氣體電離系統(tǒng)功耗較大且無理論模型，文獻(xiàn)E21給出了一種采用螺線管式饋能天線的電離裝置，其頻率在80～150MHz之間，功耗5～10W；文獻(xiàn)r-3]給出了一種直流磁場增強(qiáng)型感應(yīng)耦合氫氣電離裝置，功耗2．5W。文獻(xiàn)[-4-

4、1給出了一種針對甲烷氣體電離的射頻感應(yīng)耦合的電離仿真模型，但是針對被動型氫鐘氫氣感應(yīng)耦合電離方式的電離數(shù)學(xué)模型、電磁場分布及電離規(guī)律有待進(jìn)一步詳細(xì)研究。本文采用射頻H型感應(yīng)耦合電離方法，建立氫原子在電離泡中的電離及電磁場分布模型，給出電離擊穿條件及電離規(guī)律，此方法為被動型星載小型氫鐘的氫氣電離過程的功率優(yōu)化提供了理論依據(jù)，使得設(shè)計(jì)的電離裝置功率較傳統(tǒng)設(shè)計(jì)有所降低，電磁干擾特性得到改善。2氫氣電離機(jī)制及電磁場分布模型射頻H型電離方法的氫氣電離過程可以概括為：射頻電流流過耦合天線，在天線周圍先產(chǎn)生交變磁場，由交變磁場再感應(yīng)出交變電場；氫氣中存在的少量自由電子(約103

5、／cm3)在射頻電場的作用下加速而獲得較高的平均動能；高速電子與氫分子發(fā)生非彈性碰撞產(chǎn)生能量轉(zhuǎn)移，氫分子獲得足夠的能量而離解成兩個(gè)氫原子，且放出光子和熱量，通常可觀測到電離泡中呈暗紅色狀態(tài)圈，如式(1)所示收稿日期：20121卜02。收修改稿日期：201302—25!!!i生!!旦生墾窒回型堂堇查i!H：(1∑g+)一H(2s)+H(2s)+脅(1)式中g(shù)+為電離源施加給氫分子的電磁能量；h為普朗克常數(shù)；U為放出光子的譜線頻率。電離系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理如圖1所示，采用圖1(a)所示克拉撥三端振蕩電路；并將電路中的振蕩電感L。作為饋能天線，繞制成圖1(b)中所示平面盤繞線圈

6、，采用圓柱形電離泡，且平面盤繞線圈和圓柱形電離泡的底面同軸心安裝。振蕩電流在天線周圍產(chǎn)生H型輻射場，即磁偶型輻射場，從而將射頻電離振蕩器產(chǎn)生的電磁能量饋入電離泡中的氣體。L．06pHC410pF(a)振蕩電路原理(b)安裝原理圖1電離振蕩電路及射頻H型感應(yīng)耦合電離原理示意Fig．1IonizationcircuitandinductivecouplingionizationprincipleforH—mode設(shè)在平面盤繞天線中通入交變的電流為j=J。exp(--jcot)，工。為電流的振幅，∞為電流源振蕩角頻率。該電流在電離泡中產(chǎn)生的電磁場分布與電離泡中的氣壓、泡

7、尺寸及電離源頻率等均相關(guān)。把電離氣體形成的等離子體作為有限電導(dǎo)率介質(zhì)處理，由Maxwell方程可以得到圓柱形電離泡中的空問電磁場分布規(guī)律為口3VXE一一jc出]V×B一掣E+j∞￡／2El(2)V·B—OV·E一0】式中E，B分別為電離泡中的電場強(qiáng)度和磁感強(qiáng)度；仃，盧，e分別為電離氫氣的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率和介電常數(shù)。由式(2)可以得到電離泡中電場和磁場滿足的Helmhohz方程V2E+∞2產(chǎn)8，E一0I(3)v2B+(U2“￡7B一0式中e7一e—j盯／∞。由于交變電磁場具有空間對稱性，故電離泡中的電場和磁場可表示為E—bexp(一j“)％1?B=B。exp(一j“)

8、e：J式中