一种用于铷原子钟的小型化谐振腔

1.本实用新型涉及原子频率测量和微波技术，具体涉及一种用于铷原子钟的小型化谐振腔。

背景技术：

2.目前，原子钟是以原子跃迁谱线频率作为计量基准，提供标准频率和时间的仪器设备。铷原子钟作为原子钟的一种，与其他原子钟相比，具有体积小，重量轻，功耗低的特点，是目前应用最广泛的原子钟。
3.轻重量和小体积是目前原子钟发展的重要方向，原子钟由量子部分和电路部分组成，其中电路部分可以采用集成的方法，所以难点主要集中于原子钟的量子部分。量子部分中，微波谐振腔很大程度上决定了体积的大小，原子泡、耦合环等结构都放置其中。目前的小型化铷原子钟的微波谐振腔，虽然在体积方面有一定程度的缩小，但是还不能满足对原子频标小型化日益提高的要求，而且其结构在实际生产中对加工水平的要求很高，因此在加工和规模化生产方面都面临着一些困难。

技术实现要素：

4.本实用新型针对上述问题，提供一种用于铷原子钟的小型化谐振腔，包括主体部分、上盖部分、侧面部分、最外部分及底部；
5.上盖部分设置在主体部分的顶部，侧面部分设置在主体部分的侧面，底部设置在主体部分的底部，最外部分设置在主体部分的外部；
6.所述主体部分从外到内依次设有金属屏蔽层、层叠环隙谐振腔及原子吸收泡；
7.所述上盖部分设有光电池、同轴电缆耦合环及接头；
8.所述侧面部分设有与金属屏蔽层和层叠环隙谐振腔活动连接的金属调节螺丝；
9.所述最外部分设有加热丝；
10.所述底部设置有通光孔。
11.进一步地，所述原子吸收泡中装有铷金属和惰性气体。
12.更进一步地，所述加热丝用于为微波谐振腔提供足够的温度，使得铷金属变成铷蒸汽原子。
13.更进一步地，所述同轴电缆耦合环用于馈入外来激励，使得微波腔中产生合适的微波场。
14.更进一步地，所述金属屏蔽层呈圆柱状且上端面开口，下端开有通光孔，使来自光谱灯的抽运光与吸收泡内的碱金属原子相互作用，铷原子进行跃迁。
15.更进一步地，所述光电池用于检测铷蒸汽原子的光吸收信号。
16.本实用新型的优点：
17.本实用新型结构简单，且层叠环隙谐振腔可以利用成熟的pcb印制板技术，制造误差低，成本低，易于大批量生产；
18.原子钟体积可设计，可根据各种生产场合的需求选择合适的介质材料，操作范围大；
19.体积小，可以将体积减小到传统的简单圆柱谐振腔的五分之一,甚至更小；
20.腔体品质因数因数q高，微波填充因数高；
21.采用加热丝直接加热，原子样品的加热效率高；
22.采用调谐螺丝进行频率调谐，频率调谐简单易行。
23.除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本实用新型还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本实用新型作进一步详细的说明。
附图说明
24.构成本技术的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。
25.图1是本实用新型实施例的剖面结构示意图；
26.图2是本实用新型实施例的层叠环隙谐振腔单层整体结构示意图；
27.图3是本实用新型实施例的层叠环隙谐振腔四层堆叠整体结构示意图；
28.图4是本实用新型实施例的层叠环隙谐振腔的单层主视图。
29.附图标记：
30.1为金属屏蔽层、2为层叠环隙谐振腔、3为原子吸收泡、4为上盖部分、5为光电池、6为同轴电缆耦合环、7为接头、8为金属调节螺丝、9加热丝、10为金属及11为介质。
具体实施方式
31.为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
32.参考图1至图4，一种用于铷原子钟的小型化谐振腔，包括主体部分、上盖部分4、侧面部分、最外部分及底部；
33.上盖部分4设置在主体部分的顶部，侧面部分设置在主体部分的侧面，底部设置在主体部分的底部，最外部分设置在主体部分的外部；
34.所述主体部分从外到内依次设有金属屏蔽层1、层叠环隙谐振腔2及原子吸收泡3；
35.所述上盖部分4设有光电池5、同轴电缆耦合环6及接头7；
36.所述侧面部分设有与金属屏蔽层和层叠环隙谐振腔活动连接的金属调节螺丝8；
37.所述最外部分设有加热丝9；
38.所述底部设置有通光孔。
39.所述原子吸收泡3中装有铷金属和惰性气体。
40.所述加热丝9用于为微波谐振腔提供足够的温度，使得铷金属变成铷蒸汽原子。
41.所述同轴电缆耦合环6用于馈入外来激励，使得微波腔中产生合适的微波场。
42.所述金属屏蔽层1呈圆柱状且上端面开口，下端开有通光孔，使来自光谱灯的抽运光与吸收泡内的碱金属原子相互作用，铷原子进行跃迁。
43.所述光电池5用于检测铷蒸汽原子的光吸收信号。
44.本实用新型层叠环隙谐振腔的结构为多层相同的具有导电电极结构的圆柱形介质层沿轴方向堆叠起来如图2所示。
45.其中每层的结构都如图3所示，主体为一个圆柱体的介质层，在中间挖出一个具有对称结构的空腔（比如长方体，六棱柱等）用以放置铷原子泡，围绕空腔的边缘印刷有金属环形带状线，有多个开口（图3中所示为4个开口），其中线路部分等效为电感，开口部分等效为电容。
46.为了进一步缩小体积，还需增大电容部分的正对面积，所以如图3所示，增加电容部分的线路长度。
47.不同层的金属环形带状线通过金属化的通孔电连接，但不与金属屏蔽层电接触。
48.介质层的材料在微波区域具有温度补偿的介电常数。
49.层叠环隙谐振腔的结构为多层相同的具有导电电极结构的圆柱形介质层沿轴方向堆叠起来如图2所示。其中每层的结构都如图3所示，主体为一个圆柱体的介质层，在中间挖出一个具有对称结构的空腔（比如长方体，六棱柱等）用以放置铷原子泡，围绕空腔的边缘印刷有金属环形带状线，有多个开口（图3中所示为4个开口），其中线路部分等效为电感，开口部分等效为电容。为了进一步缩小体积，还需增大电容部分的正对面积，所以如图3所示，增加电容部分的线路长度。不同层的金属环形带状线通过金属化的通孔电连接，但不与金属屏蔽层电接触。
50.微波填充系数，测量的是与存储在腔体中的总微波能量相比，对时钟信号有用的磁场能量的那一部分，也就是将微波能量耦合到原子吸收泡3所在腔体部分的效率。高微波填充系数一直是高性能微波腔的要求。腔体内的磁场主要由线路开口处的电场支撑，开口越多，微波填充系数越高。所以微波填充因子可以通过增加开口的数量来提高。此外，开口处等效电容的正对面积、金属线路与金属屏蔽层的间距等都会对微波填充系数产生影响，综合考虑这些因素，可以通过对参数的调节获得更高的微波填充系数。
51.为了能够精确调节腔体的谐振频率，弥补仿真与实际的差距以及加工中可能带来的误差，金属调节螺丝与金属屏蔽层和层叠环隙谐振腔的螺纹连接，可以通过旋进旋出，对磁场产生微扰进而改变微波腔的谐振频率。这种方式可以对称安装多个调谐螺丝，使频率调节更加有效，并保证微波在腔内对称分布。
52.光电池通过绝缘胶粘在上盖内表面，用来检测铷蒸汽原子的光吸收信号。外部的微波信号通过接头7和同轴电缆耦合环6耦合到所述的微波腔中，圆形的耦合环6的半径略大于吸收泡3的半径，方便与印刷金属线路进行耦合。接头7和同轴电缆耦合环6之间还可以根据需要加入阶跃二极管，实现微波频率的倍增。
53.为了保证铷原子钟的微波谐振腔在启动时加热快、稳态时温度场分布均匀，采用最常见的直接将加热丝9缠绕在金属屏蔽层外表面，通过直流电流输入加热，控制加热丝中电流大小可以调节微波谐振腔的温度场分布，从而用合适的温度加热铷原子泡3中的铷金属，产生铷原子钟的工作材料铷蒸汽原子。热量通过与金属屏蔽层1直接相连的层叠环隙谐
振腔2传递到铷原子吸收泡3，整个热传递过程均为面接触而非点接触，热阻较小，导热效率高。此外，还可以通过在金属屏蔽层1和层叠环隙谐振腔2、层叠环隙谐振腔2和铷原子吸收泡3之间填充导热硅胶，进一步提高导热效率。考虑到加热过程中，微波腔的温度变化会导致谐振频率的偏移，层叠环隙谐振腔的介质需要采用在微波区域具有温度补偿的介电常数的材料，此外，介质部分的正温度系数可以与腔体其他部分的负温度系数相互抵消一部分，进一步降低对频率的影响，这也是引入介质层的一个优势。
54.以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

技术特征：

1.一种用于铷原子钟的小型化谐振腔，其特征在于，包括主体部分、上盖部分（4）、侧面部分、最外部分及底部；上盖部分（4）设置在主体部分的顶部，侧面部分设置在主体部分的侧面，底部设置在主体部分的底部，最外部分设置在主体部分的外部；所述主体部分从外到内依次设有金属屏蔽层（1）、层叠环隙谐振腔（2）及原子吸收泡（3）；所述上盖部分（4）设有光电池（5）、同轴电缆耦合环（6）及接头（7）；所述侧面部分设有与金属屏蔽层和层叠环隙谐振腔活动连接的金属调节螺丝（8）；所述最外部分设有加热丝（9）；所述底部设置有通光孔；所述原子吸收泡（3）中装有铷金属和惰性气体；所述加热丝（9）用于为微波谐振腔提供足够的温度，使得铷金属变成铷蒸汽原子；所述同轴电缆耦合环（6）用于馈入外来激励，使得微波腔中产生合适的微波场；所述金属屏蔽层（1）呈圆柱状且上端面开口，下端开有通光孔，使来自光谱灯的抽运光与吸收泡内的碱金属原子相互作用，铷原子进行跃迁；所述光电池（5）用于检测铷蒸汽原子的光吸收信号。

技术总结

本实用新型公开了一种用于铷原子钟的小型化谐振腔，包括主体部分、上盖部分、侧面部分、最外部分及底部；所述主体部分从外到内依次设有金属屏蔽层、层叠环隙谐振腔及原子吸收泡；所述上盖部分设有光电池、同轴电缆耦合环及接头；所述侧面部分设有与金属屏蔽层和层叠环隙谐振腔活动连接的金属调节螺丝；所述最外部分设有加热丝；所述底部设置有通光孔。本实用新型结构简单，且层叠环隙谐振腔可以利用成熟的PCB印制板技术，制造误差低，成本低，易于大批量生产。大批量生产。大批量生产。