答辩博士：刘善敏
指导教师：汪炜 教授
论文题目：氢原子激射器有效原子制备机理与试验研究
答辩委员会：
主席：康 敏 教授 南京农业大学
委员：徐 峰 教授 南京理工大学
沈鸿烈 教授 南京航空航天大学
傅玉灿 教授 南京航空航天大学
左敦稳 教授 南京航空航天大学
田宗军 教授 南京航空航天大学
汪 炜 教授 南京航空航天大学
秘书：陆俊华 副教授 南京航空航天大学
时间： 2021年12月12日14:00
地点： 南航明故宫校区17号楼401会议室
学位论文简介：
目前，氢原子激射器面临的主要物理问题：基态氢原子超精细结构二能级跃迁信号频率稳频、跃迁振荡信号信噪比提升和跃迁谱线线宽压缩。本文基于第一性原理，从有效原子制备与转化效率提升、有效氢原子的辐射振荡寿命延迟和有效氢原子跃迁振荡辐射的物理环境维持等三方面，系统地研究探讨了相干有效氢原子自激振荡状态的可变物理参数影响。本文的主要研究工作：
（1）分析了氢等离子体产生的物理过程，建立了多物理场数值计算与仿真模型，设计研制了ECR氢等离子体电离源，实现了ECR电离源在氢原子激射器上的试验测试验证。
（2）综合考虑了氢原子的多种弛豫效应，设计研制了基于原子储存泡的氢原子囚禁操控装置，实现了原子储存时间的连续可调优化设计，使氢原子激射器的频率稳定度指标最优。
（3）开展了基于铝合金金属微波谐振腔温度场的仿真分析，设计优化了更加合理布局的精密温控系统方案，优化提高了氢原子激射器的频率稳定度。
本文的主要创新点：
（1）提出了一种磁增强ECR等离子体源制备中性基态氢原子束源的方法。研究探讨了氢等离子体产生过程的物理机理，粒子相互碰撞过程、粒子与内壁碰撞过程等全过程放电图像分析。通过仿真分析、成分探测分析、发光光谱分析以及氢原子激射器测试平台测试验证，建立了氢等离子体中氢原子成分占比的评价体系。定性地分析了氢等离子体中的中性原子成分占比、转化效率与输入功率、氢气流量、电磁环境等相关性，定量地测试验证了相关参数指标。通过对ICP、磁增强ICP和磁增强ECR等三种方式制备的氢原子束流进行原子跃迁信号功率分峰测量并拟合出原子束流与输出信号增益的曲线，得出氢原子束流强度与输出频率稳定度的相关特性。通过创新设计ECR氢等离子体源制备方式，大幅提高氢等离子体制备中性原子转化效率。在同等状态条件下，氢原子跃迁振荡信号功率提升3~10dBm。
（2）提出了一种连续可调真空阀装置的优化设计原子储存时间的方法，建立和分析了氢原子激射器原子囚禁操控、储存时间物理模型。实现了氢原子囚禁操控存储时间连续可调设计，设计优化了储存时间常数及测量方法，验证分析了储存时间和频率稳定度之间的耦合关系。依据氢原子激射器半经典理论，优化设计了真空可伐调节装置。综合考虑了几何尺寸和各种弛豫效应，对氢原子囚禁存储时间进行了理论模型分析和合理优化设计。将原子储存时间设计优化在0.8~1s之间，使得氢原子激射器频率稳定度可达。
（3）通过分析温度对氢原子激射器输出频率稳定度指标的影响机理，理论分析和仿真验证了多层屏蔽层的恒温控制的温度稳定性和温度梯度分布。建立了氢原子激射器频率温度效应的理论模型，推导了氢原子激射器温度控制系统的建模对象结构和温度稳定性要求。提出了一种精密恒温控制系统设计方法，优化验证了氢原子激射器跃迁频率与温度、磁场等物理效应特性。通过多种温度控制、温度补偿的方法稳定腔频，获得优秀的长期频率稳定度。优化设计的实验验证表明，温度稳定性由±0.005K提高到±0.001K以内，频率偏差由 优化到。
