[发明专利]一种离子光频标黑体辐射温度评估方法

说明书

本发明公开了一种离子光频标黑体辐射温度评估方法，采用有限元分析软件搭建黑体辐射有限元分析模型；测量离子阱中不同部件材料表面的发射率测量值；计算离子感受到的黑体辐射温度时需要设置发射率测量值，计算离子感受到的黑体辐射温度T_eff j和有效立体角Ω_eff j；测量实际离子阱各部件温度测量值，计算对应的不确定度；计算离子感受到的黑体辐射温度T_eff；计算实际的离子阱的各部件的温度带来的黑体辐射温度不确定度贡献。本发明评估结果精确、方便、易操作等优点。精确地获得离子感受到的黑体辐射温度。

技术领域

本发明属于离子光频标不确定度评估技术领域，具体涉及一种离子光频标黑体辐射温度评估方法。

背景技术

得益于出色的精度及稳定度，基于囚禁原子/离子的光频标技术得到了飞速的发展。当前，最好的光频标系统相对不确定度已经能够达到10^-18级别，这比作为秒定义的Cs微波钟不确定度要高2个量级。对于大多数光频标系统，要想不确定度整体进入10^-18，其中有一项必须要克服的不确定度贡献项是黑体辐射(BBR)频移。黑体辐射频移不确定度主要取决于黑体辐射频移评估系数Δα₀的不确定度及囚禁系统温度精确测量的不确定度。第一项Δα₀的不确定度为钟跃迁两个能级间极化率差的不确定度，主要取决于理论计算或者实验精确测量。第二项为囚禁系统各部件温度的不确定度，受限于温度测量评估的精度。

根据囚禁的粒子是原子还是离子可以将光频标分为原子光晶格频标及离子光频标。这两者之间的显著差别之一是离子光频标中囚禁离子时需要采用射频电场，而这个射频电场给囚禁系统温度的精确评估带来很大麻烦。对于原子光晶格频标，由于不受射频电场的干扰，其囚禁系统的温度可以采用具有高精度的铂电阻等温度传感器接触测量获得。甚至可以采用温度传感器直接评估囚禁原子环境的黑体辐射温度。而对于离子光频标，由于射频电场的存在，对铂电阻等温度传感器有干扰。另外，温度传感器工作时是带电势的，由于离子阱尺寸较小，可能会给离子囚禁带来影响。因此，对于离子光频标，很难利用接触测量的方法对囚禁离子阱装置进行温度评估。在早期的评估中，一般采用红外成像仪等非接触测量的方法对离子阱温度进行评估，但是受限于红外成像仪等测量精度，评估的不确定度较大。而结合有限元分析模拟的方法，可以提高光频标黑体辐射温度的评估精度。据文献报道，采用有限元分析模型相结合的方法时，需要涉及射频加热、固体传热、表面对表面辐射等模块，采用红外成像仪等装置对离子阱模拟系统的关键部件温度进行评估，然后根据结果对有限元分析模型进行调试、校验。接着对有限元分析模型中的关键参数及其不确定度进行分析，利用校验的有限元分析模型，对离子感受的黑体辐射温度及其不确定度进行评估。该方法在评估黑体辐射温度不确定度时需要考虑的因素过多，较为复杂。而且许多因素还带有不确定性，例如材料介电常数、损耗正切、热导率等，与材料加工批次、工艺以及表面质量等相关，无法进行精确评估，给评估带来很大的困难。

对于处在离子阱中心的囚禁离子来说，其感受到的黑体辐射温度可用下式来描述：

其中T_eff为离子感受到的黑体辐射温度，Ω_eff i、T_i为对离子可见的离子阱系统各部件的有效立体角和温度。有效立体角是与各部件表面发射率和几何结构有关的量，其值为正。并且，对离子可见的所有有效立体角总和为4π。通过上式看出，只要得到离子阱系统各部件对离子的有效立体角及温度就可以获得囚禁离子感受到的黑体辐射温度。但是由于离子阱的复杂结构，计算有效立体角是件非常困难的事情，涉及较深的辐射传热知识。而利用有限元模拟软件，则可以很容易得到离子阱各部件的有效立体角。

基于以上分析，可以看出，现有结合有限元分析模型的方法在评估离子光频标黑体辐射温度时存在模型复杂、评估过程繁琐等缺点，同时还存在许多不确定度因素，这都影响黑体辐射温度的精确评估。本发明就是为了解决此问题，提出一种更精确、更方便、更易于评估的离子光频标黑体辐射温度评估方法。

发明内容