用于原子钟的装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及用于原子钟的装置（1），该装置包括：‑印刷电路板（20），所述印刷电路板（20）包括传导性零件（10）以便调控和加热原子钟的气室中的气体，所述零件（10）包括间隙（11），并且设置成用于容纳所述气室（2），并且以便在至少一个位置直接接触所述气室（2），‑用于生成热并且连接到所述零件（10）的加热源（40、60），‑微波传导性器件（12），其设置成连接到所述零件（10）以便向所述零件（10）发送用于调控所述气室（2）中的气体的原子的微波信号。这种装置执行一种以上的功能（例如加热和调控）并且简化了原子钟的制造。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及用于原子钟的装置，和包括这种装置的原子钟。本专利技术也涉及用于制造这种用于原子钟的装置的方法，和用于制造包括这种装置的原子钟的方法。
技术介绍
通信、定位、航空航天、国防和类似的应用需要具有高稳定性和准确性的频率参照。原子钟是可获得的最稳定且最准确的频率参照，因为它们使用碱金属原子（例如铯或铷原子）的原子跃迁来校正本机振荡器的输出频率，以便改进其稳定性。根据量子电子学理论，事实上原子的电子属于能量状态，每个状态对应于一个特定的离散的能级。根据量子电子学法则，这些状态的能量之间的差异限定了特定频率。这些频率对于每个原子而言是实质上相同的：这就是为什么原子是稳定且准确的频率参照的原因。使用碱金属原子，因为它们的基态包括两个间隔非常紧密的能级。这种分裂或跃迁间距（被称为\超精细结构\）生成真正稳定且准确的频率参照。碱金属原子作为蒸汽容纳在例如由玻璃或由硅制成的气室（cell）或包装中。例如作为竖直腔表面发射激光器（VCSEL）的激光源的光源被引导至气室。然后使用与光束一致的例如光电检测器的光传感器来测量光通过容纳原子的气室的透过性。围绕气室的线圈在气室中生成静态均匀磁场（C-场）。然后例如铯原子的碱金属原子能够由在气室中传播的微波激发或调控（interrogate）。在本专利技术的背景中，表述\微波\指的是具有在1 GHz和30 GHz之间、优选地在3 GHz和10 GHz之间的频率的波。微波由锁相于本机振荡器（例如石英振荡器）从而产生通常是5 MHz或10 MHz的频率的频率合成器产生。当选择微波频率使得其对应于原子的基态超精细分裂的频率时，发生原子状态的变化，这能够由光传感器检测到。该信号用于调谐本机振荡器频率，以便保持其与原子共振。从利用锁定检测的共振能够生成误差信号。于是本机振荡器能够锁定于原子共振并且提供原子钟的频率输出。在原子钟中，气室被加热到大约80℃：事实上在该温度下，与液相平衡的蒸汽相原子允许相对高的原子密度，并且于是可能观察到原子共振。在公知的原子钟中，加热装置是添加到构成原子钟的其它零件的补充零件。因此，原子钟是笨重的，并且其制造能够是复杂的。US5192921（Westinghouse）在其图2中描述了一种围绕原子钟的气室的双股螺旋缠绕，其用于加热气室和调控其原子两者。然而，所描述的原子钟是难以制造的，因为必须保持气室并使螺旋围绕气室缠绕。而且，螺旋必须是双股的，以便避免在气室中生成能够使得气室中的磁场不稳定的纵向磁场。此外，气室的加热是不均匀的，因为气室存在未由双股螺旋围绕的区域。US5192921（Westinghouse）也在其图3中描述了围绕气室使用LC间隙励磁器。这种众所周知的开口谐振环能够模拟为LC电路，其中回路是电感器并且间隙是电容器。于是LC间隙励磁器的形状和尺寸适合于使得其感应系数和电容构成对应于气室的共振频率的共振电路，以便开发用于增大微波信号的幅值的共振的Q因子。然后预先确定共振器的尺寸。此外，需要单独的加热装置来加热气室。因此，本专利技术的目标在于消除或缓解上述缺点中的一个或多个。本专利技术的目标在于提供一种用于原子钟的装置，其执行一种以上的功能（例如加热和调控）并且能够简化原子钟的制造。
技术实现思路
根据本专利技术，这些目标借助于用于原子钟的装置来实现，所述装置包括：-印刷电路板，所述印刷电路板包括用于在原子钟的气室中调控和加热气体的传导性零件，所述零件包括间隙，并且设置成容纳所述气室且在至少一个位置直接接触所述气室，-用于生成热的加热源，所述加热源设置成连接到所述气室，-微波传导性器件，其设置成连接到所述零件以便向所述零件发送用于在所述气室中调控所述气体的原子的微波信号。在这样的设置中，由这种微波信号形成的磁场（H_场）的取向具有与由线圈形成的C_场的取向相同的方向。在本专利技术的背景中，表述\印刷电路板\（PCB）指的是其上放置有电子部件的非传导性基体。其被设置成例如传导性迹线、垫片等的传导性器件能够例如通过蚀刻形成在其上。这些传导性器件连接放置在PCB上的电子部件。在一种优选实施例中，加热源是放置于印刷电路板上的电子部件，例如晶体管或者电阻器。在第一变型中，这种加热源通过PCB上的传导性迹线连接到装置的零件。因为零件是传导性的，其围绕气室并且在至少一个位置直接接触气室，所以其加热气室。于是根据本专利技术的零件作用为加热装置。在优选实施例中，零件的厚度大于2 mm：在这样的情况下，零件利用其质量来有效且均匀地加热气室。在这样的情况下，零件的厚度不必需由共振频率确定，而是由其加热功能确定。于是通过使用根据本专利技术的装置的零件加热气室比通过公知的双股螺旋生成的加热更加均匀。在第二变型中，加热源焊接在围绕气室的传导性迹线上，如将讨论的那样。根据另一实施例，加热源是在零件的外部表面上的带和/或线。这种带或线设置成使得在带或线中流通的电流不在气室中感生纵向磁场。在这种实施例中，加热源在零件上。在另一实施例中，加热源包括在零件上的双股绕组，该双股绕组包括第一线和第二线，并且设置成同时地在第一线中沿第一方向传导第一电流和在第二线中沿与第一方向相对的第二方向传导具有与第一电流的值相同的第二电流，以便避免在气室中感生磁场。在一种优选实施例中，印刷电路板包括零件传导性迹线，其设置成围绕零件并且连接到零件，以便将零件与印刷电路板上的其它传导性迹线（例如加热传导性迹线等等）连接。在优选实施例中，零件传导性迹线的形状对应于零件的截面。在另一优选实施例中，零件传导性迹线的尺寸大于零件截面的尺寸（例如，如果零件是具有环形截面和5 mm的直径的中空圆筒，则零件传导性迹线将是具有大于5 mm（例如6 mm）的直径的环）。然后将零件放置于印刷电路板的零件传导性迹线上。在另一实施例中，比如晶体管、电阻器等的电子部件被直接焊接在零件传导性迹线上。在变型中，根据本专利技术的装置的印刷电路板包括：-用于感测零件的温度的温度传感器，和-用于将温度传感器连接到零件的传感器传导性迹线。在一种优选实施例中，温度传感器是放置于PCB上并且通过PCB上的传导性迹线连接到零件的作为热敏电阻的电子部件，例如负温度系数（NTC）热敏电阻或者正温度系数（PTC）热敏电阻。在优选实施例中，传感器传导性迹线经由零件传导性迹线连接到零件。在优选实施例中，根据本专利技术的装置的零件是中空圆筒，例如环形或者椭圆圆筒。在另一实施例中，是中空棱柱，例如平行六面体。在一种实施例中，零件的高度小于10 mm，例如小于6 mm，例如2 mm。在另一种实施例中，零件的宽度或直径小于10 mm，例如小于6 mm，例如2 mm。在一种实施例中，零件设置成使得其内部表面具有设置成用于容纳气室的形状。在一种实施例中，气室具有球形形状：在这样的情况下，由零件的内部表面限定的空间或者腔也将具有球形形状。在另一实施例中，PCB的截面是方形（n×n）或者矩形（n×m），其中n和/或m包括在2 mm和10 mm之间。将理解的是，根据本专利技术的装置的零件不是LC间隙励磁器，即，其不需要在共振下工作。事实上，发送到零件的微波信号的频率不必须等于零件的共振频率，共振频率限定为1/（LC），其中C是由零件的间隙给定的电容，并且L是零件的感应系数。换言之，零件的形状和大小不必本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于原子钟的装置（1），所述装置包括：‑印刷电路板（20），所述印刷电路板（20）包括传导性零件（10）以便调控和加热原子钟的气室中的气体，所述零件（10）包括间隙（11），并且设置成用于容纳所述气室（2），并且以便在至少一个位置直接接触所述气室（2），‑用于生成热并且设置成连接到所述零件（20）的加热源（40、60），‑微波传导性器件（12），其设置成连接到所述零件（10）以便向所述零件（10）发送用于调控所述气室（2）中的所述气体的原子的微波信号。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于原子钟的装置（1），所述装置包括：-印刷电路板（20），所述印刷电路板（20）包括传导性零件（10）以便调控和加热原子钟的气室中的气体，所述零件（10）包括间隙（11），并且设置成用于容纳所述气室（2），并且以便在至少一个位置直接接触所述气室（2），-用于生成热并且设置成连接到所述零件（20）的加热源（40、60），-微波传导性器件（12），其设置成连接到所述零件（10）以便向所述零件（10）发送用于调控所述气室（2）中的所述气体的原子的微波信号。2. 根据权利要求1所述的装置，所述印刷电路板（20）包括：-所述加热源（60），和-用于将所述加热源与所述零件（10）连接的加热传导性器件。3.根据权利要求2所述的装置，所述加热源（60）是晶体管和/或电阻器。4.根据权利要求2或3中的一项所述的装置，所述加热传导性器件包括至少一条加热传导性迹线。5.根据权利要求1所述的装置，所述加热源是所述零件（10）上的带和/或线（40）。6.根据权利要求1至5中的一项所述的装置，所述印刷电路板（20）包括：-零件传导性迹线（30），其围绕所述零件（10）设置，以便将所述零件（10）与所述印刷电路板（20）的至少一条其它传导性迹线（52）连接。7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述零件传导性迹线（30）具有对应于所述零件（10）的截面的形状。8. 根据权利要求1至7中的一项所述的装置，所述印刷电路板（20）包括：-用于感测所述零件（10）的温度的温度传感器（50），和-用于将所述温度传感器（50）连接到所述零件（10）的至少一个传感器传导性迹线（52）。9.根据权利要求1至8中的一项所述的装置，所述零件（10）设置成限定例如环形或椭圆形圆筒的中空圆筒，或者例如平行六面体的中空棱柱。10. 根据权利要求1至9中的一项所述的装置，所述零件（10）的高度（h）小于10 mm，和/或所述装置的宽度或直径（d）小于10 mm。11.根据权利要求1至10中的一项所述的装置，所述微波信号的频率不同于所述零件（10）的共振频率，所述共振频率限定为1/（LC），其中C是由所述零件（10）的所述间隙（11）给定的电容，并且L是所述零件（10）的感应系数。12.一种制造根据前述权利要求中的任一项所述的装置（1）的方法，包括：-将所述零件（10）放置在印刷电路板（20）上，-将气室（2）放置在所述零件（10）中，使得所述零件（10）在至少一个位置直接接触所述气室（2），-将加热源（40、60）连接到所述零件（10），-将微波传导性器件（12）连接到所述零件（10）。13.根据前一权利要求所述的方法，还包括：-将加热源（60）放置在所述印刷电路板（20）上，-经由所述印刷电路板（20）上的至少一条传导性迹线（30）将所述加热源（60）连接到所述零件（10）。14.根据权利要求12或13中的一项所述的方法，还包括：-将用于感测所述零件（10）的温度的温度传感器（50）放置在所述印刷电路板（20）上，-经由所述印刷电路板（20）上的至少一条传感器...

【专利技术属性】
技术研发人员：P罗查特，B勒恩伯格，
申请(专利权)人：奥罗利亚瑞士股份公司，
类型：发明
国别省市：瑞士;CH