一种用于离子微波频标的离子阱射频势实时监测反馈系统

摘要

本发明涉及一种用于离子微波频标的离子阱射频势实时监测反馈系统及方法，具体涉及一种实时监测反馈方法尤其涉及一种用于离子阱射频势的精密、实时、非破坏性监测反馈方法。本发明中离子阱射频势的实时非破坏性监测系统，相较于等效电容的方案，具有实时性的特点。相较于其他实时监测的方案，隔离级的设计增强了非破坏性；检测电路得到射频幅度信息，反馈至基于FPGA的射频生成系统，对射频幅度进行实时调整，大幅提升射频信号的幅度稳定性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于离子微波频标的离子阱射频势实时监测反馈系统，具体涉及一种实时监测反馈方法尤其涉及一种用于离子阱射频势的精密、实时、非破坏性监测反馈系统。

背景技术

原子时间频率标准(简称原子频标或原子钟)是最精确的频率和时间标准装置，广泛应用于定位、导航、通信、军事等多个领域。它以所用工作物质(如铷原子、铯原子、汞离子等)特定能级跃迁辐射的电磁波频率为参考频率，对实用频率源进行频率或相位锁定，从而得到与原子参考标准同样准确度和稳定度的标准频率信号。

传统原子钟(铷钟、铯钟)中，原子的运动效应引起的跃迁谱线一阶多普勒频移及增宽效应，成为限制稳定度和准确度的重要因素之一。离子微波频标是一种新型原子钟，由于离子动态束缚在特定的真空环境中，运动尺度远低于钟跃迁波长，可以消除一阶多普勒效应，延迟量子态相干时间至数十秒量级。射频驱动电路产生两路幅度相同、相位相反的射频信号匹配至离子阱容性负载中，为离子的稳定囚禁与外态精密调控提供最基本的赝势场。射频势场的精度及长期稳定性是制约离子精密操控的核心因素之一，目前主要受限于射频生成、放大电路温度变化响应特性，寄生、感生容抗等环境耦合效应。因此，建立射频势场的实时监测与伺服反馈系统，对实现射频幅度、频率、相位等电学特性的实时非破坏性检测评估与稳定控制至关重要。

目前，离子阱射频势的信号监测，一般是利用电容分压将高压信号转化成低压信号，从而监测电学参量(射频幅度、频率、相位相对抖动)，这存在以下问题：(1)由于电容的制作精度，对射频相对幅度差的测量不准确。(2)电容分压后，直接进行射频参量的测量时，测量仪器或器件(如示波器表笔)的引入，会导致离子阱射频势的改变，致使测量结果不可靠。

现有实现离子阱的射频加载和射频势检测。但是，存在以下问题：

(1)离子阱射频驱动没有幅度反馈控制系统。

(2)离子阱射频势检测方案，电容分压方式未考虑电容的制作精度问题，无法精密测量相对幅度差。

(3)离子阱射频势检测方案，外接测量仪器或器件(如示波器表笔)的引入，会导致离子阱射频势的改变，致使测量结果不可靠。

发明内容

本发明解决的技术问题：克服现有技术的不足，提出一种用于离子微波频标的离子阱射频势实时监测反馈系统，一方面解决目前离子微波频标中动态势场受监测电路寄生电感、电容效应影响，难以实时高精度测量幅度、相位、谐杂波等问题；另一方面解决目前离子微波频标中囚禁离子射频幅度稳定度较差问题。

本发明采用的技术方案：

一种用于离子微波频标的离子阱射频势实时监测反馈系统，该实时监测反馈系统用于实时监测离子阱的射频信号，该射频信号是通过射频驱动电路提供；该实时监测反馈系统包括一个双刀双掷开关、两个隔离级、两个检波器、两个射随器、两个计数器、两个频谱仪、两个幅度数据采集器、两个π形匹配网络和一个伺服反馈电路；两组分压电容对分别为第一组分压电容对和第二组压电容对；两个隔离级分别为第一隔离级和第二隔离级，两个检波器分别为第一检波器和第二检波器，两个射随器分别为第一射随器和第二射随器，两个计数器分别为第一计数器和第二计数器，两个频谱仪分别为第一频谱仪和第二频谱仪，两个幅度数据采集器分别为第一幅度数据采集器和第二幅度数据采集器，两个π形匹配网络分别为第一π形匹配网络和第二π形匹配网络；

双刀双掷开关的两个输入端接入到射频驱动电路的最后一级的两个输出端上(双刀双掷开关的其中一个输入端接入到射频驱动电路的最后一级的一个输出端上，双刀双掷开关的另一个输入端接入到射频驱动电路的最后一级的另一个输出端上)，双刀双掷的其中两个输出端与第一组分压电容对、离子阱的一组相对极杆形电极连接，双刀双掷的另外两个输出端与第二组分压电容对、离子阱的另一组相对极杆形电极连接；第一组分压电容对的两个电容之间电位为V

第一组分压电容对的两个电容之间接入至第一隔离级，降低了后级测试系统对离子阱射频势的影响，保障监测系统的非破坏性；

第一隔离级输出的信号分为三路，分别为第一路、第二路和第三路；

第一隔离级输出的第一路信号接入到第一计数器中，测量频率的稳定性；

第一隔离级输出的第二路信号进入第一射随器和第一π形匹配网络后，连接至第一频谱仪中，监测杂波功率与信号功率比，监测波形完好性；

第一隔离级输出的第三路信号进入第一检波器后，转化为直流信号，连接至第一幅度数据采集器中，第一幅度数据采集器将采集到的射频幅度信息反馈至射频驱动电路的中，使用伺服反馈电路对离子阱射频幅度进行反馈控制；

经过设计和优化后，直流信号的电压值与离子阱射频势具有线性相关性，相关系数(Correlation coefficient，COD)是R

第二组分压电容对的两个电容之间接入至第二隔离级，降低了后级测试系统对离子阱射频势的影响，保障监测系统的非破坏性；

第二隔离级输出的信号分为三路，分别为第一路、第二路和第三路；

第二隔离级输出的第一路信号接入到第二计数器中，测量频率的稳定性；

第二隔离级输出的第二路信号进入第二射随器和第二π形匹配网络后，连接至第二频谱仪中，监测杂波功率与信号功率比，监测波形完好性；

第二隔离级输出的第三路信号进入第二检波器后，转化为直流信号，连接至第二幅度数据采集器中，第二幅度数据采集器将采集到的射频幅度信息反馈至射频驱动电路的中，使用伺服反馈电路对离子阱射频幅度进行反馈控制；

将V

射频驱动电路将射频信号加载到离子阱上，此时离子阱加载两路幅度一致、相位相反的高压射频信号，如果离子阱加载的两路射频信号的相对幅度差较大，会导致离子阱射频势平面的不对称和囚禁过程中势能鞍点的移动，产生加热效应，使离子能量升高，所以，离子囚禁要求势能鞍点与几何中心重合，即射频幅度一致且稳定，本方案可实现相对幅度差的精密测量。

实现电容分压、测试端信号获得的部分装置示意图，包括双刀双掷开关、分压电容对构成。双刀双掷开关和分压电容将高压射频信号转成便于测量的低压射频信号。电容容值C

由于电容的制作精度，无法保证电容容值的完全相等，即分压比的不一致。双刀双掷开关的引入可有效回避这个分压比不一致的问题，将开关打至不同的档位，得到的分压公式如下：

将上式联立得到相对幅度差η：

离子阱射频势的相对幅度差，即V

为实现上述目的，本发明的技术方案由双刀双掷开关、分压电容对、隔离级、检波器、射随器和匹配电路及伺服反馈电路构成；

基于FPGA的射频生成系统提供可调频率和幅度的正弦波，经功率放大器进行功率放大后，升压线圈与离子阱谐振匹配，将离子阱射频幅值提升至双路1000V(单路幅值500V)；实时监测电路对离子阱射频势进行实时非破坏性的监测，可监测的参数有：相对幅度差、频率稳定性、波形完好性、相对相位差，检波器输出直流信号反馈至基于FPGA的射频生成系统，提升离子阱射频势的幅度稳定性。

与现有方法相比，本方法具有以下优点：

(1)此方案中的离子阱射频势的实时非破坏性监测系统，相较于等效电容的方案，具有实时性的特点。相较于其他实时监测的方案，隔离级的设计增强了非破坏性；检测电路得到射频幅度信息，反馈至基于FPGA的射频生成系统，对射频幅度进行实时调整，大幅提升射频信号的幅度稳定性。

(2)此方案的相对幅度差测量部分中，双刀双掷开关与两组电容对的分压设计，可避免电容制作精度对相对幅度差测量的影响，大幅提升相对幅度差的测量精度。

附图说明

图1为实现射频势实时监测反馈控制的装置示意图；

图2为实现电容分压、测试端信号获得的部分装置示意图；

图3为射频信号的幅度稳定度(标准差)。

具体实施方式

一种用于离子微波频标的离子阱射频势实时监测反馈系统，该实时监测反馈系统用于实时监测离子阱的射频信号，该射频信号是通过射频驱动电路提供；该实时监测反馈系统包括一个双刀双掷开关、两个隔离级、两个检波器、两个射随器、两个计数器、两个频谱仪、两个幅度数据采集器、两个π形匹配网络和一个伺服反馈电路；两组分压电容对分别为第一组分压电容对和第二组压电容对；两个隔离级分别为第一隔离级和第二隔离级，两个检波器分别为第一检波器和第二检波器，两个射随器分别为第一射随器和第二射随器，两个计数器分别为第一计数器和第二计数器，两个频谱仪分别为第一频谱仪和第二频谱仪，两个幅度数据采集器分别为第一幅度数据采集器和第二幅度数据采集器，两个π形匹配网络分别为第一π形匹配网络和第二π形匹配网络；

双刀双掷开关的两个输入端分别接入到射频驱动电路的最后一级的两个输出端上(双刀双掷开关的其中一个输入端接入到射频驱动电路的最后一级的一个输出端上，双刀双掷开关的另一个输入端接入到射频驱动电路的最后一级的另一个输出端上)，双刀双掷的其中两个输出端与第一组分压电容对、离子阱的一组相对极杆形电极连接，双刀双掷的另外两个输出端与第二组分压电容对、离子阱的另一组相对极杆形电极连接；第一组分压电容对的两个电容之间电位为V

第一组分压电容对的两个电容之间接入至第一隔离级，降低了后级测试系统对离子阱射频势的影响，保障监测系统的非破坏性；

第一隔离级输出的信号分为三路，分别为第一路、第二路和第三路；

第一隔离级输出的第一路信号接入到第一计数器中，测量频率的稳定性；

第一隔离级输出的第二路信号进入第一射随器和第一π形匹配网络后，连接至第一频谱仪中，监测杂波功率与信号功率比，监测波形完好性；

第一隔离级输出的第三路信号进入第一检波器后，转化为直流信号，连接至第一幅度数据采集器中，第一幅度数据采集器将采集到的射频幅度信息反馈至射频驱动电路中，使用伺服反馈电路对离子阱射频幅度进行反馈控制；

经过设计和优化后，直流信号的电压值与离子阱射频势具有线性相关性，相关系数(Correlation coefficient，COD)是R

第二组分压电容对的两个电容之间接入至第二隔离级，降低了后级测试系统对离子阱射频势的影响，保障监测系统的非破坏性；

第二隔离级输出的信号分为三路，分别为第一路、第二路和第三路；

第二隔离级输出的第一路信号接入到第二计数器中，测量频率的稳定性；

第二隔离级输出的第二路信号进入第二射随器和第二π形匹配网络后，连接至第二频谱仪中，监测杂波功率与信号功率比，监测波形完好性；

第二隔离级输出的第三路信号进入第二检波器后，转化为直流信号，连接至第二幅度数据采集器中，第二幅度数据采集器将采集到的射频幅度信息反馈至射频驱动电路的中，使用伺服反馈电路对离子阱射频幅度进行反馈控制；

将V

射频驱动电路将射频信号加载到离子阱上，此时离子阱加载两路幅度一致、相位相反的高压射频信号，如果离子阱加载的两路射频信号的相对幅度差较大，会导致离子阱射频势平面的不对称和囚禁过程中势能鞍点的移动，产生加热效应，使离子能量升高，所以，离子囚禁要求势能鞍点与几何中心重合，即射频幅度一致且稳定，本方案可实现相对幅度差的精密测量。

实现电容分压、测试端信号获得的部分装置示意图，包括双刀双掷开关、分压电容对构成。双刀双掷开关和分压电容将高压射频信号转成便于测量的低压射频信号。电容容值C

由于电容的制作精度，无法保证电容容值的完全相等，即分压比的不一致。双刀双掷开关的引入可有效回避这个分压比不一致的问题，将开关打至不同的档位，得到的分压公式如下：

将上式联立得到相对幅度差η：

离子阱射频势的相对幅度差，即V

为实现上述目的，本发明的技术方案由双刀双掷开关、分压电容对、隔离级、检波器、射随器和匹配电路及伺服反馈电路构成；

基于FPGA的射频生成系统提供可调频率和幅度的正弦波，经功率放大器进行功率放大后，升压线圈与离子阱谐振匹配，将离子阱射频幅值提升至双路1000V(单路幅值500V)；实时监测电路对离子阱射频势进行实时非破坏性的监测，可监测的参数有：相对幅度差、频率稳定性、波形完好性、相对相位差，检波器输出直流信号反馈至基于FPGA的射频生成系统，提升离子阱射频势的幅度稳定性。

实施例

为实现上述目的，本发明的技术方案由双刀双掷开关、分压电容对、隔离级、检波器、射随器和匹配电路及伺服反馈电路构成。

第一步，实时监测与反馈

参照图1，实现射频势实时监测反馈控制的装置示意图，包含双刀双掷开关、分压电容对、隔离级、射随器、50Ω阻抗匹配网络、检波器构成。

基于FPGA的射频生成系统提供可调频率和幅度的正弦波，经功率放大器进行功率放大后，升压线圈与离子阱谐振匹配，将射频幅值提升至双路1000V(单路幅值500V)；实时监测电路对离子阱射频势进行实时非破坏性的监测，可监测的参数有：相对幅度差、频率稳定性、波形完好性、相对相位差，检波器输出直流信号反馈至基于FPGA的射频生成系统，提升离子阱射频势的幅度稳定性。

第二步，分压设计及相对幅度差的测量；

射频驱动电路将射频信号加载到离子阱上，此时离子阱加载两路幅度一致、相位相反的高压射频信号。如果，离子阱加载的两路射频信号的相对幅度差较大，会导致离子阱射频势平面的不对称和囚禁过程中势能鞍点的移动，产生加热效应，使离子能量升高。所以，离子囚禁要求势能鞍点与几何中心重合，即射频幅度一致且稳定。本方案可实现相对幅度差的精密测量。

参照图2，实现电容分压、测试端信号获得的部分装置示意图，包括双刀双掷开关、分压电容对构成。双刀双掷开关和分压电容将高压射频信号转成便于测量的低压射频信号。电容容值C

由于电容的制作精度，无法保证电容容值的完全相等，即分压比的不一致。双刀双掷开关的引入可有效回避这个分压比不一致的问题，将开关打至不同的档位，得到的分压公式如下：

将上式联立得到相对幅度差η：

离子阱射频势的相对幅度差，即V

第三步，非破坏性监测(频率稳定性、波形完好性、相对相位差的测量)

测试端1，测试端2的信号经过隔离器，降低了后级测试系统对离子阱射频势的影响，保障监测系统的非破坏性。

经隔离级后的一部分信号接入到计数器中，测量频率的稳定性。将两路射频信号同时接入至计数器中，可得到相位相对差，调节升压线圈的次级线圈，优化相位相对差。

经隔离级后的一部分信号进入射随器和π形匹配网络后，输出阻抗为50Ω。连接至频谱仪中，监测杂波功率与信号功率比，监测波形完好性，监测波形是否出现畸变。

第四步，幅度稳定性的提升；

信号通过隔离级后，一部分信号输入到检波器，转化为直流信号。经过设计和优化后，直流信号的电压值与离子阱射频势具有线性相关性，相关系数(Correlationcoefficient，COD)是R

检测电路得到射频幅度信息反馈至基于FPGA的射频生成系统中，对射频幅值进行实时调整，提升离子阱射频势的幅度稳定性。如图3所示，幅度稳定度可达到10