在汞离子（199Hg+）微波频标中,通过四极线型离子阱囚禁汞离子（199Hg+）获得超精细跃迁光谱。 汞离子的囚禁与频标稳定度紧密相关。在满足Mathieu方程稳定性条件的情况下,研 究了该频标径向囚禁势对阱中囚禁汞离子(199Hg+)数的影响。经扫频,其影响表现在荧光强度、谱线宽度和中心频率三个方面的变化上。 随着径向囚禁势的增加,荧光的强度增大,谱线宽变窄,中心频率向左偏移。由此,设计了小型化射频源,以确保离子的稳定囚禁。 经测试,小型化射频源幅度的标准差稳定度为0.51 V。其体积仅0.1 L, 功耗约 3.5 W,能满足小型化汞离子微波频标制备要求。

利用Zemax软件为线形离子阱囚禁199Hg+实验设计了一套光学系统, 该系统包括两部分, 即光学激发系统和荧光收集系统。光学激发系统由202Hg无极谱灯和激发透镜组组成。激发透镜组将202Hg无极谱灯的直径为15 mm的圆形面光源整形成23 mm×4 mm的矩形光去激发199Hg+能级跃迁, 从而使其辐射出荧光, 再利用荧光收集系统去收集该荧光。荧光收集系统由收集透镜组、滤波片和光电倍增管组成。设计结果表明: 该收集透镜组可以很好地将荧光发光面成像在直径为23 mm的光电倍增管上, 具有较高的荧光收集效率, 约3%。经物理系统实验, 结果表明, 该光学系统满足实验要求且具有较高的信噪比, 其值约为20。这为高性能线形199Hg+微波频标的工程应用提供了基础。

缓冲气体冷却是将离子阱中的离子云冷却的最有效和实用的方法，缓冲气体的种类和数量是汞离子微波频标实验的关键技术。通过在马修方程中 引入阻力项的方法，研究了线型离子阱中氦气、氖气、氩气对囚禁的汞离子的冷却效果，结果表明在氩气中汞离子运动的衰减时间最短。研究了 为使钟跃迁(40.5 GHz)的频率移动最小，所需氦气的压强为10-5 Torr，氖气的压强为2.4×10－5 Torr。考虑到缓冲气体对汞离子的冷却 效率和对气体压强的敏感性，氖气要比氦气、氩气更适合作缓冲气体。

囚禁汞离子的光微波双共振实验是开展汞离子微波频标的实验基础。 二级Zeeman效应是影响频率稳定度和 磁场效应的重要因素之一。利用光学微波双共振方法测量了囚禁199Hg+离子基态Zeeman分裂。通过减小微波扫描的 频率范围,得到钟跃迁频率和谱线线宽。采用磁屏蔽材料(坡莫合金)对离子阱囚禁区域的磁场进行屏蔽。 使得囚禁汞离子的钟跃迁谱线的线宽减小到1.5 Hz。相对于无磁场屏蔽时,钟跃迁频率减小13.5 Hz, 并利用二级Zeeman效应估算出磁屏蔽后离子囚禁区域磁场大小为0.1高斯。

在Paul阱中产生并选择囚禁了单一的Ar2+离子,得到低能Ar2+与Ar的电荷转移速率系数为5.84(0.677)×10-10 cm3·s-1及其零氩气压强下的离子衰减速率为0.46 s-1,为下一步进行多电荷离子的亚稳态寿命研究提供了有价值的实验参考数据.

利用氯的渗透性质，向超高真空系统中充入高纯度氯缓冲气体，可以降低离子阱中囚禁离子的运动速度，减小二级多普勒频移，增加离子的存储时间，提高线型离子阱微波频标的稳定度。实验上得到了氯气渗透的实验参数、特性以及对系统真空度的影响、实现了用温度调节精确的控制充入氯气的分压强。

结合离子阱选择囚禁技术和垂直交叉的离子束碰撞冷却方法,在射频阱中用激光溅射纯金属靶产生并选择囚禁了难熔元素钪与钛的低能多电荷离子Scn+(n=1～3)和Tin+(n=1～4).在本底气压为5.6×10-7 Pa下,测得Sc3+与Ti3+离子的衰减速率分别为1.98 s-1与0.58 s-1.

用饱和吸收光谱法对二极管激光器进行稳频,使激光器的有效线宽小于1 MHz, 并利用声光调制器使激光的频移量得到控制, 满足了激光冷却与囚禁原子对激光频率稳定性和频移量的要求, 实现了Rb原子的激光囚禁。

用饱和吸收光谱法对二极管激光器进行了稳频，使得激光器的等效线宽小于1～MHz，并利用声光调制器使激光的频移量得到控制，能满足激光冷却与囚禁原子对激光频率稳定性和频移量的要求，实现了Rb原子的激光囚禁。

用3.39μm和0.63μm同时振荡的双波长He-Ne激光器,首次测量了脉冲氦等离子体中电子密度(10~(14)～10~(15)cm~(-3)的时间和径向空间分布.