一种高均匀度低温度系数腔泡系统技术方案

一种高均匀度低温度系数腔泡系统，包括外保温隔热层、外磁屏蔽筒、中保温隔热层、外加热筒、中磁屏蔽筒、内保温隔热层、内加热筒、内磁屏蔽筒、C场线圈、微波谐振腔，该系统两端设置有入射和出射通光孔；铷泡充有合适比例的缓冲气体来减小温度起伏的影响；采用新型微波腔，微波腔体内部设置有铷泡和两个介质圆片，与TE011模式相比，轴向磁场均匀度高，且轴向尺寸对谐振频率影响大大减小，因而降低了温度对腔频的影响；微波腔的前后端盖可以安装偏振片、聚焦透镜，以及通过对介质片不同镀膜，可以用于原子钟的光探测或者偏振光探测；该腔泡系统具有轴向磁场均匀度高、温度系数低、腔Q值高的特点，可以提高铷原子钟的短期和中长期稳定度。

A high uniformity and low temperature coefficient cavity system

A high homogeneity low temperature coefficient cavity cavity system consists of an external insulation layer, an external magnetic shielding tube, a middle insulation layer, an external heating tube, a medium magnetic shielding tube, an internal insulation layer, an internal heating tube, an internal magnetic shielding tube, a C-field coil, and a microwave resonator. The two ends of the system are provided with incident and through-light holes. A new type of microwave cavity with rubidium bubbles and two dielectric wafers is used to reduce the effect of temperature fluctuation. Compared with TE011 mode, the axial magnetic field uniformity is higher, and the influence of axial size on resonant frequency is greatly reduced, so the influence of temperature on cavity frequency is reduced. The end cover can be equipped with polarizers, focusing lenses and coated with different dielectric plates, which can be used for optical detection or polarized light detection of atomic clocks.

【技术实现步骤摘要】
一种高均匀度低温度系数腔泡系统
本专利技术属于原子频标
，具体涉及到一种高均匀度低温度系数腔泡系统。
技术介绍
原子频标(又称原子钟)是提供标准频率和时间的设备，铷原子钟因其具有体积小、重量轻、功耗低的特点，而成为目前应用最广泛的原子频标。铷原子频标可以概括地分为电路部分和物理部分，物理部分为整机的核心器件，其性能决定着铷原子频标的频率稳定度。铷原子频标采用基态超精细能级(F＝2,mF＝0→F＝1,mF＝0)的跃迁作为钟跃迁频率，其中微波腔是微波场与铷原子相互作用的场所，谐振腔的特性和结构，将会影响铷原子频标的稳定度和准确度。微波腔的设计需要考虑以下几个因素：1)谐振频率可以调谐至铷原子超精细能级跃迁频率6.834682GHz；2)微波腔产生的电磁场的磁场方向应该平行于轴向，而且在共振作用区——吸收泡内的磁场比较强，且越均匀越好，可以减小微波场引起的σ跃迁；3)具有合适的Q值，如果用于微波探测希望Q值越高越好，用于光探测时，要求Q值适当即可；4)机械加工简单，力学稳定性好，可重复性强；5)其温度系数越小越好，腔的谐振频率取决于微波腔的形状、尺寸、谐振模式等因素，当环境温度变化时，引起腔的尺寸相应的变化，其谐振频率偏离原子跃迁频率，从而导致原子频标的输出频率不稳定。目前铷原子频标使用的微波腔主要有：圆柱形TE011微波腔、圆柱形TE111微波腔、开槽管腔和磁控管腔。圆柱形TE011微波腔的Q值较大，在中心作用区即原子吸收泡的位置，微波场的强度最强，具有较大的方向因子和填充因子，但是铷泡的体积受限，只能放置的中心区域，不便于固定。圆柱形TE111微波腔[铷原子频标TE111微波腔的仿真分析及实验，彭正琴涂建辉翟浩崔敬忠，宇航计测技术，2008年6月，第28卷第3期，26-30；一种小型化铷原子频标TE111微波腔研究，涂建辉翟浩彭正琴崔敬忠，宇航技测技术，2009年10月，第29卷，第5期，9-11]：圆柱形TE111微波腔的体积是圆柱形TE011微波腔的一半，但是TE111微波腔内的磁场在圆柱腔的边缘处较强，而且是一个方向相反的磁场，因此泡的方向因子太小，且该腔的Q值很低，只有几百，不能用于微波探测。开槽管微波腔[专利号：98121645.5；一种小型化铷原子频标腔泡系统及其频移特性，夏白桦，钟达，安绍锋，梅刚华，计量学报，2005年4月，26卷第2期，p.163-166；CharacteristicsofaNovelKindofMiniaturizedCavity-cellAssemblyforRubidiumFrequencyStandards,BaihuaXia,DaZhong,ShaofengAn,andGanghuaMei,IEEETransactionsoninstrumentationandmeasurement,Vol.55,No.3,2006]：开槽管是在一个圆筒上等间距地开有若干个等宽度槽的管状结构，下部则是腔的底盖。这样设计的直接好处是开槽管的几何参数容易固定，机械加工简单，易于安装。这种腔的轴向磁场比较均匀，铷泡在开槽管的内部，但是腔的Q值只有几百，温度系数与TE011模式微波腔相当，且泡的体积较小。磁控管微波腔[AKindofmagnetroncavityusedinrubidiumatomicfrequencystandards,YangShuiyu,Cuijingzhong,TuJianhui,andLiangYaoting,JournalofSemiconductors,Vol.32,No.12,2011；Compactmicrowavecavityforhighperformancerubidiumfrequencystandards,C.StefanucciandG.Mileti,ReviewofScientificInstruments83,104706,2012]：该微波腔腔体由一次加工而成，力学稳定性极好，但加工精度要求较高，表面抛光较为困难，要获得高的Q值成本较高，同样腔的Q值在500-1000之间，且泡的体积小，微波腔的填充因子较小为TE011模式的一半。以上这几种腔的共同点是微波腔的温度系数较大，虽然可以通过在微波腔内部填充介质的方式来减小微波腔的温度系数，但是重复加工难度较大。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足,提供一种设计合理、结构简单、微波谐振腔具有较大的Q值、在轴向的磁场非常均匀、具有较大填充因子和方向因子、腔谐振频率对微波腔的轴向尺寸不敏感的高均匀度低温度系数腔泡系统。解决上述技术问题采用的技术方案是：该高均匀度低温度系数腔泡系统从外到内依次为：外保温隔热层、外磁屏蔽筒、中保温隔热层、外加热筒、中磁屏蔽筒、内保温隔热层、内加热筒、内磁屏蔽筒、C场线圈、微波腔和铷泡。所述铷泡放置在微波腔内，微波腔泡系统的结构如图1。所述的磁屏蔽筒，为坡莫合金，共三层，用于屏蔽外界地磁场和其他电路磁场对铷原子钟的影响，在磁屏蔽筒的横截面上开有Φ20mm的通光孔，实现光与原子相互作用，在后端面上开有透射光孔，用探测器探测原子钟信号，也可以直接将探测器放置在磁屏蔽筒内部。所述的保温层，为聚氨酯、聚苯硫醚或者包有反射锡膜的保温材料，包裹在加热筒的外面，对物理装置进行保温隔热。所述的加热筒，为铝筒上面绕有双绞的电阻加热丝，通过控制加热丝的电流对整个物理装置进行加热，采用双绞线可以尽可能的消除加热电流产生的剩余磁场，在加热筒的合适位置放置有热敏电阻，测量加热筒的温度。所述的静磁场线圈(C场)围绕在微波腔外面的铝筒或者直接缠绕在微波腔上，采用长直螺旋结构在中心轴向实现均匀弱静磁场，作为铷原子的量子化轴，实现铷原子基态的塞曼分裂，便于激发铷原子的钟跃迁频率。所述微波谐振腔为圆柱形，其轴向磁场为均匀的类TE011模式微波场，所述微波谐振腔内中间放置有铷泡，与轴向的微波场、静磁场(C场)和激光相互作用，获得钟跃迁信号。所述的铷泡充有惰性气体，选择氩气和氮气作为缓冲气体，减小铷原子与泡壁以及铷原子之间的相互碰撞，增强铷原子的相干时间；同时压窄钟跃迁信号的多普勒展宽；当氩气和氮气的比例为合适值时，铷原子的基态跃迁频率与温度的一阶系数为0，降低了铷钟对环境温度的敏感性。所述微波谐振腔的内部两端放置有的介质圆片，介质圆片的直径等于微波谐振腔的内径，当介质圆片的厚度d为一定值时，TE011模式的微波谐振腔的轴向磁场变为均匀的磁场，而且谐振频率只与微波腔的半径有关，理论上与微波腔的轴向尺寸没有关系，因而该类型的微波谐振腔的温度系数大大降低。所述的微波谐振腔内放置的圆片，可以采用石英或者高硼硅玻璃等透光的介质，允许激光或者铷泵浦灯的光入射到微波腔内与铷原子相互作用；且石英片或者高硼硅玻璃的介电损耗比较小，对腔的Q值影响较小，该类TE011模式的微波谐振腔的Q值理论上可以达到20000多，因此可以同时用于微波探测或者光探测。所述微波腔的两个端盖，通过螺丝固定到微波腔的腔体上。所述微波腔的腔体上安装天线和调谐螺丝，该类TE011微波谐振腔的微波场具有轴对称性且轴向均匀，因此天线和调谐螺丝位置影响不大，天线可以是环形天线或者探针天线，采用磁耦合或者电耦合，将微波信本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高均匀度低温度系数腔泡系统，该系统从外到内依次为外保温隔热层、外磁屏蔽筒、中保温隔热层、外加热筒、中磁屏蔽筒、内保温隔热层、内加热筒、内磁屏蔽筒、C场线圈、探测器、微波谐振腔，该系统的一端面设置有入射通光孔、另一端面设置有出射通光孔，该系统内部出射通光孔一端设置有探测器，其特征在于微波谐振腔为：微波腔体内部设置有铷泡，微波腔体两端设置有前端盖和后端盖，前端盖和铷泡之间设置有第一介质圆片，后端盖和铷泡之间设置有第二介质圆片，前端盖上设置有微波腔入射通光孔，后端盖上设置有微波腔透射通光孔，后端盖上设置有与微波腔透射通光孔相适应的聚焦透镜，微波腔体上设置有微波耦合天线和调谐螺丝。

【技术特征摘要】
1.一种高均匀度低温度系数腔泡系统，该系统从外到内依次为外保温隔热层、外磁屏蔽筒、中保温隔热层、外加热筒、中磁屏蔽筒、内保温隔热层、内加热筒、内磁屏蔽筒、C场线圈、探测器、微波谐振腔，该系统的一端面设置有入射通光孔、另一端面设置有出射通光孔，该系统内部出射通光孔一端设置有探测器，其特征在于微波谐振腔为：微波腔体内部设置有铷泡，微波腔体两端设置有前端盖和后端盖，前端盖和铷泡之间设置有第一介质圆片，后端盖和铷泡之间设置有第二介质圆片，前端盖上设置有微波腔入射通光孔，后端盖上设置有微波腔透射通光孔，后端盖上设置有与微波腔透射通光孔相适应的聚焦透镜，微波腔体上设置有微波耦合天线和调谐螺丝。2.根据权利要求1所述的一种高均匀度低温度系数腔泡系统，其特征在于：所述的微波腔体为圆柱形结构，微波腔体轴向磁场为均匀的TE011模式微波场。3.根据权利要求1所述的一种高均匀度低温度系数物理系统，其特征在于：所述的第一介质圆片和第二介质圆片的直径与微波腔体的内径相同，厚度d为dp＝pc/[4fmn(∈r-1)1/2]，c是光速，fmn为微波腔的谐振频率，∈r为介质的磁感应系数，p...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜志静，王柯穆，鱼志健，张首刚，薛文祥，
申请(专利权)人：中国科学院国家授时中心，
类型：发明
国别省市：陕西,61