一种地面使用的紧凑型冷原子钟制造技术

本发明专利技术提供一种地面使用的紧凑型冷原子钟，微波腔上的两个微波作用区的轴线与水平面呈一定的夹角，再将经冷却模块冷却降速后的冷原子以设定抛射角斜抛出去，使得冷原子在作抛物线运动的过程中，依次经过位于抛物线轨迹上的两个微波作用区，并与微波作用区发生微波作用，完成原子的跃迁；由此可见，本发明专利技术通过斜抛，并采用改进后的微波腔，使获得低速原子的冷原子钟能够应用于具有重力环境的地面，克服了目前紧凑型冷原子钟只能用于空间微重力环境的缺陷。境的缺陷。境的缺陷。

【技术实现步骤摘要】
一种地面使用的紧凑型冷原子钟


[0001]本专利技术属于时间与频率计量领域及真空
，尤其涉及一种地面使用 的紧凑型冷原子钟。

技术介绍

[0002]地面紧凑型原子钟采用了热原子束流，如磁选态铯原子钟，将金属铯加热 至100℃左右，铯原子以束流的形式从准直器喷出，完成态制备后进入U型结 构的Ramsey腔，与微波发生两次共振作用，两次共振发生在不同的位置，产生 Ramsey跃迁。共振的时间间隔决定了Ramsey中央峰的宽度，越大，Ramsey峰 宽度将越窄，越有利于原子钟的指标。目前对于紧凑型的热束原子钟，可以使 时间间隔达到1～2ms。但是进一步增大时间间隔将遇到困难，其原因在于热束 原子钟的原子速率较大，一般超过120m/s。
[0003]解决上述困难的方法就是将原子的速率降下来。上世纪90年代，原子的激 光冷却技术得到发展，这种技术可将原子速率降低两个量级以上，使速率100m/s 以上的原子冷却至1m/s以下。采用这种技术，可大大延长共振之间的时间间隔。 近期发展起来的铯喷泉钟就利用了该项技术，使两次作用的时间间隔可达1s数 量级，该钟的结构特点是原子的两次作用发生在同一位置。欧洲航天局的“太 空原子钟系统”(ACES)中的微重力冷铯原子钟、美国航空航天局(NASA)的 PARCS计划，采用与地面紧凑型铯原子钟类似的结构，原子的作用发生在不同 位置，作用间隔可达10s量级，国内上海光机所实现的冷原子铷钟，也是这种结 构，并成功搭载于空间站。令人遗憾的是这种紧凑型的冷原子钟只能应用于类 似空间站这样的微重力或零重力环境，不能应用于地面。如应用于地面，原子 将在重力作用下作平抛运动，当原子速率较小时，原子无法正常穿过处于两个 不同位置的微波作用区，因此也就无法实现正常的Ramsey共振。

技术实现思路

[0004]为解决上述问题，本专利技术提供一种地面使用的紧凑型冷原子钟，使冷原子 钟可应用于具有重力环境的地面，解决目前紧凑型冷原子钟只能用于空间微重 力环境的问题。
[0005]一种地面使用的紧凑型冷原子钟，包括激光系统部分、电路部分以及物理 部分，且物理部分包括冷却模块、微波腔以及探测模块，所述微波腔具有两个 相互对称的微波作用区，同时，两个微波作用区的轴线与水平面的夹角均为β， 冷原子在设定抛射位置以设定抛射角α斜向上作抛物线运动，且两个微波作用区 对称地分布于冷原子的抛物线运动轨迹上，其中，L为两 个微波作用区的中心点之间的设定距离，S为冷原子的抛射位置与第一个微波作 用区中心点之间的水平设定距离；
[0006]同时，所述设定抛射角α的取值根据经验值直接确定，或者根据给定的最大 抛射高度h计算得到，且其中，当设定抛射角α的取值根据经 验值直接确定时，冷
原子在设定抛射位置的速度为其中， g为重力加速度，且冷原子由热原子在冷却模块中通过激光系统部分产生的冷却 激光进行冷却得到；当设定抛射角α的取值根据给定的最大抛射高度h计算得到 时，冷原子在设定抛射位置的速度为
[0007]进一步地，所述微波腔两端的微波作用区向上弯曲。
[0008]进一步地，所述微波腔两端的微波作用区向下弯曲。
[0009]进一步地，冷原子以设定抛射角α从抛射位置抛出后，其最大抛射高度与设 定抛射角α满足如下关系：
[0010][0011]其中，h(α)为最大抛射高度。
[0012]进一步地，冷原子以设定抛射角α从抛射位置抛出后，冷原子在两个微波作 用区进行微波作用的时间间隔与设定抛射角α满足如下关系：
[0013][0014]其中，T(α)为冷原子在两个微波作用区进行微波作用的时间间隔。
[0015]进一步地，所述微波腔两端的微波作用区的腔壁上均设有供冷原子进入和 离开的通孔，同时，通孔处安装有截止波导，且截止波导的轴线与冷原子的抛 物线运动轨迹相切。
[0016]进一步地，所述微波腔为U型腔、柱形腔或环形腔。
[0017]有益效果：
[0018]1、本专利技术提供一种地面使用的紧凑型冷原子钟，微波腔上的两个微波作用 区的轴线与水平面呈一定的夹角，再将经冷却模块冷却降速后的冷原子以设定 抛射角斜抛出去，使得冷原子在作抛物线运动的过程中，依次经过位于抛物线 轨迹上的两个微波作用区，并与微波作用区发生微波作用，完成原子的跃迁； 由此可见，本专利技术通过斜抛，并采用改进后的微波腔，使获得低速原子的冷原 子钟能够应用于具有重力环境的地面，克服了目前紧凑型冷原子钟只能用于空 间微重力环境的缺陷。
[0019]2、本专利技术还能给出最大抛射高度与设定抛射角α的关系、冷原子在两个微 波作用区进行微波作用的时间间隔与设定抛射角α的关系，便于试验人员确定紧 凑型冷原子钟的物理部分的径向尺寸以及Ramsey中心峰线宽。
附图说明
[0020]图1为地面紧凑型冷原子钟的结构示意图；
[0021]图2为传统的应用于地面的热原子束U型微波腔；
[0022]图3为应用于地面的紧凑型冷原子钟的微波腔；
[0023]图4为应用于地面的紧凑型冷原子钟的另一种微波腔；
[0024]图5为原子斜抛时的运动轨迹；
[0025]图6为传统U型微波腔的三维视图；
[0026]图7为原子斜抛后通过改进后的Ramsey腔作用区的示意图；
[0027]图8为原子斜抛后通过另一种改进后的Ramsey腔作用区的示意图。
具体实施方式
[0028]为了使本
的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施 例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
[0029]实施例一
[0030]为了使紧凑型冷原子钟技术能够应用于地面，本专利技术提出了一种方法，可 以使Ramsey共振的作用时间间隔达到几十甚至上百ms。在该方法中，将原子 冷却后，以与地面成某一角度抛出，这样原子在重力作用下的运动轨迹将是抛 物线，在抛物线顶点的两边各与微波腔中的微波发生作用；此外为了使原子能 够顺利穿过微波作用区，需要改进微波腔，使微波腔的两个作用区形成夹角， 最后对C场也进行轻微修改，详细内容见下：
[0031]如图1所示，用于地面的紧凑型冷原子钟由三部分组成，其中激光系统部 分，用于产生冷却激光及探测激光；电路部分，用于将原子跃迁信号锁在晶振 上；以及物理部分，在此处冷却模块通过激光系统部分产生的冷却激光对热原 子进行冷却，再将冷却后的冷原子推送至Ramsey腔，也就是微波腔完成原子的 跃迁，将跃迁信号输出。为了使原子钟能够在地面运行，需要对第三个部分— —物理部分——提出新的设计方案，也即本专利技术的核心内容。
[0032]在详述本
技术实现思路
之前，定义两个设计参数：S和L，其中S为原子的抛射 位置距离第一个微波作用区中心点的水平距离，L为两个微波作用区中心点之间 的水平距离。
[0033]本专利技术的第一个改进部分在于将冷却后的原子沿与水平方向某一角度抛出 (即斜抛出)，原子在重力场作用下将作抛物本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种地面使用的紧凑型冷原子钟，包括激光系统部分、电路部分以及物理部分，且物理部分包括冷却模块、微波腔以及探测模块，其特征在于，所述微波腔具有两个相互对称的微波作用区，同时，两个微波作用区的轴线与水平面的夹角均为β，冷原子在设定抛射位置以设定抛射角α斜向上作抛物线运动，且两个微波作用区对称地分布于冷原子的抛物线运动轨迹上，其中，L为两个微波作用区的中心点之间的设定距离，S为冷原子的抛射位置与第一个微波作用区中心点之间的水平设定距离；同时，所述设定抛射角α的取值根据经验值直接确定，或者根据给定的最大抛射高度h计算得到，且其中，当设定抛射角α的取值根据经验值直接确定时，冷原子在设定抛射位置的速度为其中，g为重力加速度，且冷原子由热原子在冷却模块中通过激光系统部分产生的冷却激光进行冷却得到；当设定抛射角α的取值根据给定的最大抛射高度h计算得到时，冷原子在设定抛射位置的速度为2.如权利要求1所述的一种地面使用的紧凑型冷原子钟，其特征在于，所述微波腔...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈江，肖玉华，李巍伟，杨军，王骥，刘志栋，
申请(专利权)人：兰州空间技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：