主动型氢原子钟的研究进展

基于氢原子微波激射器(氢脉泽)的主动型氢原子钟(氢钟)拥有极好的中短期频率稳定度,而原子储存泡是氢脉泽的关键技术。位于微波谐振腔内的原子储存泡中的氢原子系综与电磁场相互作用。简述了氢原子系综与电磁场相互作用的动力学过程、氢脉泽和主动型氢原子钟的相位噪声,还介绍了原子储存、原子与原子的自旋交换碰撞、原子与泡壁的碰撞和磁场不均匀弛豫等主要弛豫过程。并概述了在腔频的自动调谐方法、双选态系统方面的发展和电离源、真空系统等技术方面的改进。最后,讨论了氢钟的发展前景。     

星载氢原子钟用多段线圈式C场的仿真及应用

星载氢原子钟具有频率稳定度高、频率漂移率低的优点,在卫星导航定位和频率计量中得到了广泛应用。星载氢原子钟的腔泡系统用于实现氢原子的量子跃迁及其信号采集,原子跃迁信号幅度直接决定了系统的信噪比,进而影响整机性能指标,所以腔泡系统是星载氢原子钟的核心组件。目前,星载氢原子钟腔泡系统主要采用直螺线管来产生原子跃迁所需的C场。由于星载氢原子钟物理部分的结构限制,直螺线管的磁场均匀度有进一步提高的空间。探讨使用多段线圈代替直螺线管用于产生C场的可行性。首先对多段线圈产生的磁场进行理论分析计算,同时使用ANSYS电磁场仿真软件对多段线圈的各项参数进行仿真和优化,包括各段长度、段数、间距以及匝数、内径和总长度等。然后优选磁场均匀度较好的线圈配置参数,可将C场的非均匀度由直螺线管约10%降低到多段线圈约1%。根据仿真优化结果建立了试验九段线圈,对比测试了原子跃迁信号增益,同时结合电路部分进行闭环测试,对频率稳定度指标进行了对比。实验结果表明,原子跃迁信号可有效提升,阿伦方差在中短稳(1～1 000 s)表现更好。此项工作为星载氢原子钟整机性能指标的进一步提升打下了基础。     

氢原子钟蓝宝石谐振腔的设计和实验表现

为了设计主动型氢原子钟蓝宝石谐振腔的结构尺寸,对根据TE011模式下蓝宝石谐振腔的麦克斯韦尔方程组推出的超越方程进行了求解,利用电磁场有限元分析软件对蓝宝石腔进行了仿真分析。通过计算S参数,确认了所设计的氢原子钟蓝宝石谐振腔实现氢脉泽自激振荡的现实性。利用SOHM-4型氢钟机架作为实验床,在离子泵电流1.1 mA时,得到了强度为-102.93 dbm的脉泽振荡信号。此信号强度与标准的主动型氢原子钟在相同的离子泵电流下的信号强度相仿。     

减少氢脉泽谐振腔结构温度系数的一种方法

本文主要讨论为减少氢脉泽谐振腔结构温度系数的一种方法.经过简单的理论分析及测定了贮存泡的温度系数后,使我们可以选择不同的谐振腔材料膨胀系数和根据腔的几何尺寸.并配以适当高度的补偿材料的方法来减少整个谐振腔。泡结构的温度系数。实验表明所获得的温度系数与理论计算结果符合较好.整个腔、泡结构的温度系数由原来的459Hz/℃减少到了68Hz/℃,而且腔、泡结构十分简单,这就为提高氢脉泽的长期频率稳定度创造了良好的条件.     

氢原子钟辅助电子学系统电路设计改进

氢原子钟辅助电子学系统已稳定工作多年,但是与目前的先进技术相比,原来的设计理念已显陈旧,同时暴露出外围电路庞杂、故障点比较多、问题查找困难等诸多问题;运用ARM+FPGA模式对电路进行了改进,其中运用12 bit高精度模数转换芯片实现参数采样,数字化设计改进氢原子钟智能温度控制系统,采用直接数字式频率合成器(Direct Digital Synthesizer,DDS)技术设计产生综合器频率信号,简化设计实现氢原子钟的通信功能;从测试结果来看,提高了参数的采样精度,数字化的智能温控模式实现了温度的自动化智能调整,直接式频率合成器技术简化了设计电路,基于i Coupler磁隔离技术的隔离型RS-232接口收发器设计提高了接口的稳定性;从整体设计来看,大大简化了设计电路,提高了系统性能及可靠性。     

S141电离氢区─分子云复合体的红外发射研究

本文使用ＩＲＡＳ巡天数据的最新版本ＩＲＡＳ巡天图（ＩＳＳＡ），经过进一步处理，得到了Ｓ１４１分子云复合体红外发射的强度、温度及尘埃的分布图。分析结果表明，分子云复合体（在１５角秒的统计范围内）的红外发射总光度为１．７１×１０３Ｌ⊙，热而小的尘埃微粒的平均色温是１７８．５Ｋ，冷而大的尘埃平均色温为２６．８Ｋ。分子云复合体中有三个明显的密集发射区，在东北边缘另有一相对弱的密度发射区。分析表明，Ｓ１４０电离氢区—分子云复合体中很可能有低质量呈正在形成。电离氢区Ｓ１４１的激发星很可能是位于其边缘的红外点源２２２６８＋６１２２的光学对应体。     

主动型氢原子钟性能监测及评估方法研究

主动型氢原子钟是时间尺度建立和保持的主要频率源,具有短期稳定度高及相位噪声低等特性,目前在国际原子时TAI (International Atomic Time)及各地方时间尺度中的作用日益重要.首先结合主动型氢原子钟内部状态参数,分析状态参数与氢原子钟比对数据的相关性,提出了氢原子钟性能监测方法.其次,针对氢原子钟性能特点,在衡量氢原子钟性能最主要的两方面,即频率稳定度及"可预测性"方面,给出了氢原子钟性能评估方法,并利用该方法对目前国际通用的两种主动型氢原子钟(CH1-75型及MHM-2010型)进行性能评估.原子钟状态参数与比对数据联合分析结果表明,状态参数监测可以有效预报钟性能的变化.原子钟频率稳定度及"可预测性"评估结果表明,中、长期稳定度越高的原子钟"可预测性"也越好. BIPM (Bureau International des Poids et Measures)权重验证结果表明,基于BIPM公布数据以及基于2次模型两种预报方法计算出来的钟"可预测性"均与BIPM公布的权重相吻合,可以作为钟"可预测性"的定量评估方法.     

激光光斑特性测量方法研究

在卫星激光测距系统中,激光光斑特性的好坏关系到测距成功与否,而经望远镜出射后的真实激光光斑特性尤为重要。为了准确掌握经望远镜出射后的激光光斑特性,提出了一种精准测量激光光斑特性的方法。首先将激光照射在一定距离的漫反射屏上,利用CCD相机采集激光光斑的漫反射图像,同时利用安装在漫反射屏上的能量计实时记录光斑相应区域的激光能量,然后结合激光光斑的CCD图像以及光斑相应区域的能量分布,分析计算激光光斑的特性参数。详细给出了激光光斑的测量原理、实验方案以及数据处理方法,并通过实测数据精确计算出经望远镜出射后的激光光斑半径、发散角、平均能量密度分布等参数。实验结果表明,本测量方法具有测量精度高、响应速度快、操作简单、易于控制等优点,在激光光斑测量方面具有重要的应用前景。     

FAST故障促动器快速拆换机构设计与研究

针对射电望远镜FAST促动器存在长期承受重载拉力、洼地使用、潮湿多雨、数量大、分布广、设计寿命长等维护不利条件,基于接口便于安装、加载安全可靠、拉杆地面调节、拆换销轴爬梯的设计要点,提出了一种故障促动器快速拆换机构方案,并对关键技术进行研究:包括上连杆开口非封闭C型结构强度、刚度及轻量化有限元分析,抗剪键组件运动控制计算。以上工作为后续快速拆换机构物理样机研制提供了设计方案、分析思路及计算方法,也对解决同类重型加载装置的拆换具有借鉴意义。     

S252电离氢区-分子云复合体的弥散红外发射

使用IRAS天空流量图,在校正了黄道光发射后,得到了S252复合体的弥散红外发射的强度、温度及尘埃的分布。结果表明,这个复合体的弥散红外发射的总光度为1.8×10~5L_⊙,其中2/3来源于早型星加热,其余的来源于星际辐射场。在电离氢区内,尘埃是严重减损的,复合体有着复杂的结构,这种结构可以用诞生于分子云边缘的早型星HD42088的星风或电离辐射与母云的相互作用来解释。     

类星体SDSS J2220+0109中特殊吸收线系统的发现与研究

斯隆数字巡天光谱数据中发现,类星体SDSS J2220+0109光谱中同时出现如下极为罕见的吸收线:氢巴尔末线Hα和Hβ,亚稳态He I* λλ3889、3189tt,CaⅡH、K,以及来自FeⅡ*能级的波数分别为7 955 cm~(-1)、13 474 cm~(-1)和13 673 cm~(-1)的众多吸收线.上述吸收线具有相似的速度结构,线宽达1 500 km·s~(-1),相对于发射线表现出蓝移.研究结果表明,这些吸收线很可能来自部分电离区,密度n_E≈10~6cm~(-3),柱密度N_(H I)≈10~(21) cm~(-2),Lyα共振散射对氢原子的激发起重要作用.SDSS J2220+0109斯隆r星等为16.56 mag,是探索活动星系核中特殊吸收线起源的理想实验室.将来的紫外光谱观测可以更加准确决定吸收气体的密度、柱密度、电离参数等物理性质;光学光谱监测有助于限定吸收线的产生机制.此外还发现,SDSS J2220+0109中的FeⅡ发射线显著区别于典型的窄线赛弗特Ⅰ型星系ⅠZw 1,很可能来自低密度气体,进一步研究有助于理解类星体中FeⅡ发射线的起源.     

S140电离氢区─分子云复合体的红外发射研究

本文使用ＩＲＡＳ巡天数据的最新版本ＩＲＡＳ巡天图（ＩＳＳＡ—ｃｏａｄｄｅｄ），经过进一步处理，得到了Ｓ１４０分子云复合体红外发射的强度、温度及尘埃的分布图。分析结果表明，分子云复合体（在３５角秒范围内）的红外发射总光度为２．９×１０４Ｌ⊙，Ｓ１４０区在各波段的分布里各向同性，红外连续发射在１２μｍ和１００μｍ有着较大的延伸，热而小的尘埃微粒的平均色温是１８４Ｋ，冷而大的尘埃平均色温为２９Ｋ。另外，在Ｓ１４０电离氢区—分子云复合体的核心部分（尤其是西部边缘和东部红外点源星团附近区域）有大量恒星正处于形成之中。     

两个大环状日珥群H_α单色光与光谱的同时观测

利用南京大学太阳塔,我们观测到1982年12月20日和1983年2月9日出现在日面西边缘的两个大环状日珥群。由同时获得的H_α单色光照相资料H_α、CallH·K线光谱资料测出了环内物质的视向速度分布,该分布与假定物质沿环无粘滞的自由下落推算出的视向速度分布相一致。利用H_α和K线的半宽求出了环内物质的运动温度及湍动速度,温度分布比较均匀,湍动速度随日面高度而增加。利用K线和H线线心强度之比,推算了环内物质的密度,得到氢原子密度为1.3—2.6×10~(10)cm~(-3),另外,还通过估算环珥群的总能量来讨论了环珥群与耀斑的关系。     

中红外波段星系电离特性研究

中红外高电离发射线[OⅣ](25.9μm)的产生机制尚不明确。利用简单的光致电离模型,Hao等人(2009)初步分析发现,当星暴星系模型给出的[NeⅢ]/[NeⅡ]值与观测相当时,其给出的[OⅣ]/[SⅢ]值却比观测值低约4个量级。[OⅣ]/[SⅢ],[SⅣ]/[SⅢ],[NeⅢ]/[NeⅡ]等中红外发射谱线比值及其变化趋势,以及其与ITERA package中提供的各类更新的光致电离模型的比较,是进一步探索星暴星系中[OⅣ]发射来源的一种有效途径。观测数据与电离模型计算结果的比较表明,Hao等人(2009)中提出的中红外发射线诊断图[OⅣ]/[SⅢ]对[SⅣ]/[SⅢ]中的分支结构能分别较好地与AGN与星暴星系光致电离模型相吻合。这些星暴星系模型所产生的[OⅣ]发射的强度与电离光谱中大于4 Ryd段的相对光子流量呈紧密正相关,单独考虑Wolfe-Rayet星的辐射对电离光谱的贡献足以解释星暴星系中的[OⅣ]发射线;而对于[OⅣ]/[SⅢ]对[NeⅢ]/[NeⅡ]诊断图,模型仍很难解释观测结果,特别是星暴星系分支:当由模型计算出的[OⅣ]/[SⅢ]值与观测相当时,其给出的[NeⅢ]/[NeⅡ]值相比于观测仍明显偏高。如果考虑上述发射线均来自具有单一密度与电离参数的发射区,那么[NeⅢ]/[NeⅡ]值与电离光谱21.6～41.0 eV段的斜率密切相关。     

小型主动型氢原子钟的核心——蓝宝石谐振腔的仿真研究

该文对小型主动型氢原子钟的核心——蓝宝石谐振腔进行了研究,利用采用有限元数值分析方法的软件HFSS V10(High Frequency Simulation Software)对日本NICT(National Institute of Informa-tionand Communication Technology)和上海天文台研制的两种不同的蓝宝石谐振腔进行仿真分析。对HFSS软件中TE011振动模式的识别进行了讨论,并得出了识别TE011模的简便方法。对上述两种腔的腔频随外金属腔及填充蓝宝石几何尺寸和温度的变化进行了计算。比较了两种腔的有载Q值,对判断蓝宝石谐振腔是否符合脉泽自激振荡条件的腔的填充因子η′和S参数进行了分析计算。     

部分遮蔽类星体SDSS J151653.22+190048.2的紫外波段中等宽度发射线起源

类星体SDSS J151653.22+190048.2 (简称J1516+1900)在紫外-光学-近红外波段展现出奇特的光谱性质:其光学Hα、Hβ和近红外的Paα、Paβ等发射线的半高全宽(full width at half maximum intensity, FWHM)均超过5000 km/s,等值宽度接近类星体平均值;而紫外波段光谱的常见发射线Lyβ、OVI、Lyα、NV、Si IV和CIV等,由FWHM1700 km/s的中等宽度成分主导.这种现象很可能是由于紫外发射线的宽线成分经尘埃消光,强度严重削弱,从而使得中等宽度成分凸显出来;在光学和近红外波段,尘埃消光减弱,发射线由宽线成分主导,潜在的中等宽度成分不容易被看到.根据中等宽度成分的线宽和J1516+1900中央超大质量黑洞的质量MBH5.75×108M⊙,在维里化假设下,估计中等宽度发射区到中央黑洞的距离约为1.6 pc.另一方面,利用J1516+1900丰富的观测谱线,结合光致电离模型计算,可以限定J1516+1900的中等宽度发射线区气体密度1012cm-3、电离参数10-0.65.据此估计该发射线区到中心黑洞距离0.016 pc,只有维里化距离的1%.这一矛盾结果预示着中等宽度发射区可能具有较为复杂的物理结构,未来需要观测更多类似J1516+1900的部分遮蔽类星体并进行系统的分类和研究.     

基于插值方法的天线背架结构热分析

大型射电望远镜的天线背架具有结构复杂和节点多等特点,若能够较为精确地重构天线背架的温度场,将对背架热变形等分析有很大帮助。通过在天线结构上安装一定数目的传感器,测量指定位置的温度值,利用距离反比加权插值方法与这些离散的温度值来重构天线背架的温度场,并对不同姿态下的温度场进行分析。而距离反比加权插值效果与距离计算方式、距离方次以及搜索半径相关,以交叉验证的方式对距离反比加权插值方法进行了优化,使精度优于0.5℃。另外,通过插值方法可得出任意时刻的背架温度场,并对不同状态下的背架温度场进行分析,得出影响温度场分布的因素,以及不同方向温差对天线造成的焦距误差与指向误差。     

天线面板重力变形的主动控制量计算方法研究

提出了理想反射面及2参数、5参数和6参数最佳吻合抛物面方法,计算大型卡氏天线结构重力变形后主反射面板的调整量和对应的副反射面调整量,同时分析馈源偏焦对天线电性能的影响.以上海天文台天马65 m望远镜(TM65m)为研究对象,综合对比分析促动器调整量、6杆并联机构调整量、主反射面精度及偏焦后天线指向变化等,认为针对实际结构而言,经过调整修正后,6参数最佳吻合抛物面方法可以作为高精度天线理想的计算面板变形主动控制量方法,计算结果为天线的主动控制提供初调数据.     

新疆天文台25m南山射电望远镜日照温度场研究

中国科学院新疆天文台25 m南山射电望远镜(25 m NSRT)受日照导致天线结构温度不均匀,其指向精度和效率均有一定程度的损失.为研究25 m NSRT日照下的热力学特性,构建了晴空下射电望远镜热环境参数和热力学有限元模型,考虑了射电望远镜背架、面板等结构件对光线的反射和遮挡作用,通过比较25 m NSRT典型观测工况下各构件的平均温度、均方根温差、单位温差特征距离等特性参数,发现各部件热容量的差异是天线部件间存在大尺度温差现象的主要原因;分析了各类俯仰角和太阳照射角下天线背架结构的温度分布特征,表明日照区域的背架结构温度呈近似线性分布,平均梯度可达0.25℃·m^-1.     

TM65m天天线悬挂式俯仰驱动结构健健康监测

介绍了天线悬挂式俯仰驱动的结构形式、特点及受力情况。建立了结构健康监测系统,包括结构测量系统、电流监测系统、温度监测系统和声音识别系统,并对俯仰驱动结构进行了全面的健康分析,由测量的齿轮的径跳和端跳、电机的电流、轴承的温度及识别的声音等参数,参照评估标准,认为结构目前处于健康状态。