场移式空间冷原子钟制造技术

一种用作高空频率标准的场移式空间冷原子钟，包括一带有原子源的原子捕获腔、真空导管、微波谐振腔、磁屏蔽与恒温套、螺线管线圈、探测腔、真空泵浦系统、计算机、微波发生器、激光系统和支架，其特点是采用一个移动微波谐振腔来完成原子选态及微波与原子两次相互作用，本发明专利技术可消除微波谐振腔引起的端－端相位差，简化结构并提高空间冷原子钟的精度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及原子钟，特别是一种场移式空间冷原子钟。
技术介绍
目前，世界各国在空间使用的频率标准-原子钟还是传统的氢钟、铯钟、铷钟等热原子钟。只有法国、美国等少数发达国家已研制成自己的空间冷原子钟，在空间环境下，磁场和重力的影响几乎为0，将会有比地面喷泉钟更高的精确度，预计达到10-17量级。地面喷泉冷原子钟是在重力的作用下，利用重力实现微波场与原子的两次相互作用，在空间微重力环境下，就不能利用重力来实现了。为了实现原子与微波场的两次相互作用，目前国外研制的空间冷原子钟都是使用两个微波腔来实现两次相互作用的，冷原子团是沿一个方向通过两个微波腔，这样就存在微波腔的端-端相位差。目前美国的空间冷原子钟PARCS(European Frequency and Time Forum，1999 andthe IEEE International Frequency Control Symposium，1999.，Proceedings of the 1999Joint Meeting of the，Volume1，13-16 April 1999，文献PARCSA PRIMARYATOMIC REFERENCE CLOCK IN SPACE)的实现方案如图1所示，由激光系统10产生九束激光，其中六束激光由第二光纤组10.2在原子捕获腔1中形成三对正交激光束，激光束由第一光纤10.1引导接在原子捕获腔1的左端，两束激光由第三光纤组10.3引导接在探测腔6的上端形成探测光路。原子捕获腔1连接原子源11，探测腔6的右端接真空泵浦系统7。原子捕获腔1与选态微波谐振腔3.1的一端连接，该选态微波谐振腔3.1的另一端与两个串联的Ramsey微波谐振腔3连接，该两个Ramsey微波谐振谐振腔3的另一端与探测腔6连接。其整个连接过程都是通过真空导管2来连接的。两个串联的Ramsey微波谐振腔3在螺线管线圈5内部，螺线管线圈5又在磁屏蔽与恒温套4的内部。微波发生器9由微波线路9.1向选态微波谐振腔3.1馈送微波信号，通过微波线路9.2向两个Ramsey微波谐振腔3馈送微波信号。工作过程是在原子捕获腔1中由第二光纤组10.2引导的三对正交激光束捕获原子并将捕获的原子冷却到1～3×10-6K温度，改变三对正交激光束的激光频率产生移动光学粘胶(moving molasses)，利用该移动光学粘胶带动所述的原子一起水平方向向右运动，使原子加速到一定的初速度，然后关掉光学粘胶，使原子沿其初速度方向自由匀速飞行，所述的选态微波谐振腔3.1对所述原子进行选态，接着通过两个串联的Ramsey微波谐振腔3，最后到达探测腔6。在探测腔6对原子的跃迁情况用光电管进行探测，将探测结果由输入信号线8.1传给计算机8处理，计算机8的处理结果由第一输出信号线8.2反馈给微波发生器9，微波发生器9根据第一输出信号线8.2的信号进行调整，使送入选态微波谐振腔3.1和两个Ramsey微波谐振腔3的微波信号频率与所述的原子共振。由此我们可以看出，在空间冷原子钟中，加上选态微波谐振腔3.1一共用了3个微波谐振腔。其次，由于两个Ramsey微波谐振腔3存在不同的微波腔端端相位差Φ1和Φ2，通过两个Ramsey微波谐振腔3后引起端端的总相位差Φ＝Φ1+Φ2。王育竹院士提出了一种场移式空间冷原子钟的基本思想使用一个移动微波谐振腔来完成原子选态及微波与原子两次相互作用，即同一个微波谐振腔从两个不同的方向与原子相遇完成两次相互作用，微波谐振腔的端端相位差为Φ0，第一次相互作用引起了Φ0的相位差，第二次反方向相互作用引起了-Φ0的相位差，所以总的相位差Φ＝0，因此，可消除微波谐振腔引起的端-端相位差。
技术实现思路
本专利技术采用场移式空间冷原子钟的基本思想，提出一种场移式空间冷原子钟结构，以简化结构、消除微波谐振腔引起的端-端相位差，并提高空间冷原子钟的精度。本专利技术场移式空间冷原子钟的技术方案如下一种用作高空频率标准的场移式空间冷原子钟，包括一带有原子源的原子捕获腔、真空导管、微波谐振腔、磁屏蔽与恒温套、螺线管线圈、探测腔、真空泵浦系统、计算机、微波发生器、激光系统和支架，所述的真空导管的一端与所述的原子捕获腔相连通，另一端与所述的探测腔相连通，所述的探测腔与所述的真空泵浦系统相连通；所述的激光系统产生九束激光，其中一束由第一光纤引导至所述原子捕获腔的左端窗口，由第二光纤组将六束激光引导至该原子捕获腔的六个窗口形成三对正交的激光束，由第三光纤组将其余两束激光引导至所述的探测腔的上端形成探测光路；所述的计算机的输入端口通过输入信号线与所述的探测腔中的光电管相连，其第一输出端口通过输出信号线与微波发生器的控制端相连，该微波发生器的输出通过微波线路与所述的微波谐振腔相连，其特征在于所述的微波谐振腔是唯一的并装有驱动系统，该微波谐振腔的中轴通孔套在所述真空导管上，在其驱动系统的驱动下沿真空导管作受控运动；所述的驱动系统包括一滚珠丝杆，该滚珠丝杆上套配一丝杆螺母，该丝杆螺母与所述的微波谐振腔固定连接，所述滚珠丝杆通过两个滚珠轴承与所述的真空导管平行地架装在所述支架上，该滚珠丝杆的一端通过联轴器与一交流伺服电机的转轴相连，所述计算机的第二输出端口通过控制线与所述的交流伺服电机相连；所述的真空导管、微波谐振腔和滚珠丝杆架装在所述的磁屏蔽与恒温套和螺线管线圈的内部。所述的真空导管是由中部的玻璃导管和两端的钛金属导管烧结成一体的，其左端与第一法兰焊接在一起，其右端通过一密封环与第二法兰形成可拆卸的密封连接，左端通过第一法兰与原子捕获腔形成密封连接，右端通过第二法兰与探测腔的第三法兰形成密封连接。本专利技术的技术效果与现有技术相比，由于本专利技术使用一个移动微波谐振腔来完成原子选态及微波与原子两次相互作用，即同一个微波谐振腔从两个不同的方向与原子相遇完成两次相互作用，微波谐振腔的端端相位差为Φ0，第一次相互作用引起了Φ0的相位差，第二次反方向相互作用引起了-Φ0的相位差，所以总的相位差Φ＝0，因此，可消除微波谐振腔引起的端-端相位差，简化结构并提高空间冷原子钟的精度。附图说明图1是现有的空间冷原子钟的结构示意2是本专利技术场移式空间冷原子钟的结构示意3是本专利技术场移式空间冷原子钟的真空系统示意4是本专利技术场移式空间冷原子钟的真空导管示意5是本专利技术场移式空间冷原子钟的驱动系统示意6是本专利技术场移式空间冷原子钟的一个Ramsey谱线图具体实施方式先请参阅图2、图3和图4，由图可见，本专利技术场移式空间冷原子钟的结构，包括一带有原子源11的原子捕获腔1、真空导管2、微波谐振腔3、磁屏蔽与恒温套4、螺线管线圈5、探测腔6、真空泵浦系统7、计算机8、微波发生器9、激光系统10和支架14，所述的真空导管2的一端与所述的原子捕获腔1相连通，另一端与所述的探测腔6相连通，所述的探测腔6与所述的真空泵浦系统7相连通；所述的激光系统10产生九束激光，其中一束由第一光纤10.1引导至所述原子捕获腔1的左端窗口，由第二光纤组10.2将六束激光引导至该原子捕获腔1的六个窗口形成三对正交的激光束，由第三光纤组10.3将其余两束激光引导至所述的探测腔6的上端形成探测光路；所述的计算机8的输入端口通过输入信号线8.1与所述的探测腔6中的光电管本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用作高空频率标准的场移式空间冷原子钟，包括一带有原子源（１１）的原子捕获腔（１）、真空导管（２）、微波谐振腔（３）、磁屏蔽与恒温套（４）、螺线管线圈（５）、探测腔（６）、真空泵浦系统（７）、计算机（８）、微波发生器（９）、激光系统（１０）和支架（１４），所述的真空导管（２）的一端与所述的原子捕获腔（１）相连通，另一端与所述的探测腔（６）相连通，所述的探测腔（６）与所述的真空泵浦系统（７）相连通；所述的激光系统（１０）产生九束激光，其中一束由第一光纤（１０．１）引导至所述原子捕获腔（１）的左端窗口，由第二光纤组（１０．２）将六束激光引导至该原子捕获腔（１）的六个窗口形成三对正交的激光束，由第三光纤组（１０．３）将其余两束激光引导至所述的探测腔（６）的上端形成探测光路；所述的计算机（８）的输入端口通过输入信号线（８．１）与所述的探测腔（６）中的光电管相连，其第一输出端口通过输出信号线（８．２）与微波发生器（９）的控制端相连，该微波发生器（９）的输出通过微波线路（９．１）与所述的微波谐振腔（３）相连，其特征在于：所述的微波谐振腔（３）是唯一的并装有驱动系统（１２），该微波谐振腔（３）的中轴通孔套在所述真空导管（２）上，在其驱动系统（１２）的驱动下沿真空导管（２）作受控运动；所述的驱动系统（１２）包括一滚珠丝杆（１２．３），该滚珠丝杆（１２．３）上套配一丝杆螺母（１２．２），该丝杆螺母（１２．２）与所述的微波谐振腔（３）固定连接，所述滚珠丝杆（１２．３）通过两个滚珠轴承（１２．１）与所述的真空导管（２）平行地架装在所述支架（１４）上，该滚珠丝杆（１２．３）的一端通过联轴器（１２．４）与一交流伺服电机（１２．５）的转轴相连，所述计算机（８）的第二输出端口通过控制线（８．３）与所述的交流伺服电机（１２．５）相连；所述的真空导管（２）、微波谐振腔（３）和滚珠丝杆（１２．３）架装在所述的磁屏蔽与恒温套（４）和螺线管线圈（５）的内部。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王育竹，边风刚，魏荣，王新旗，周善钰，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]