CN101807042B - 小型氢原子钟谐振腔及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型氢原子钟谐振腔及其制造方法，所述谐振腔是TE111模式谐振腔，包括圆柱形腔体，所述腔体内壁涂敷特富龙(Teflon)涂层，并且沿圆柱形腔体纵向切面设有将所述腔体分隔成两部分的Teflon薄膜。所述圆柱形腔体的直径D＝15cm，高度l＝18.75cm。本发明的小型氢原子钟谐振腔，大大减小了横磁波谐振腔的尺寸，实现谐振腔氢脉泽自激振荡的同时，制造低成本且体积小的氢原子钟。

Description

小型氢原子钟谐振腔及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种氢原子钟，特别是涉及一种横磁波(TE111)振荡模式的小型氢原子钟谐振腔及其制造方法。

背景技术

基于原子氢脉泽机理的氢原子钟是一种高精度现代时间和频率标准。它不仅在基础理论研究领域，而且在军事应用，如军事测绘、导航、通讯、导弹制造等方面具有广泛应用。目前实用型氢原子钟体积较大，在一定程度上限制了其应用范围。因此高性能小型化氢原子钟的研制势在必行。自从1974年世界上第一台空间钟研制成功并用于空间飞行后，用于空间和军事工程的小型氢原子钟的研究十分活跃，不同结构的小型氢原子钟应运而生，由60、70年代的几百千克已经减小到不足20千克。

氢原子钟谐振腔本身的电磁场模式包括TE横电波、TM横磁波和TEM横电磁波三种，并且其后标注的三位不同的数字组合，表示不同的内部场型和内部电磁场驻波的振荡模式。如传统的氢脉泽原子钟，采用TE011模式的共振腔，腔中装配着球形或椭球形熔凝石英泡。该石英泡把氢原子限制在一个振荡磁场的纵向分量的相位和方向都均匀的范围内。氢脉泽原子钟的最小尺寸取决于电磁谐振腔的尺寸。共振在氢原子超精细跃迁频率f＝1.420405GHz的典型TE011脉泽腔，腔直径长度约为28cm，不能满足小型原子氢脉泽谐振腔的需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种小型氢原子钟谐振腔及其制造方法，实现谐振腔横磁波氢脉泽自激振荡的同时，减小谐振腔的尺寸，从而制造更小型的氢原子钟。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种小型氢原子钟谐振腔，所述谐振腔是TE111模式谐振腔，包括圆柱形腔体，所述腔体内壁涂敷特富龙涂层，并且沿圆柱形腔体纵向切面设有将所述腔体分隔成对称的两部分的特富龙薄膜。

所述圆柱形腔体的直径15cm≤D≤30cm，高度18.75cm≥l≥15cm。优选的，D＝15cm，高度l＝18.75cm。

所述小型氢原子钟谐振腔，所述圆柱形腔体由两个半腔组成，所述Teflon薄膜夹在两个半腔之间。

所述两个半腔各包括可固定连接的上、下两部分。

所述腔体由高导无氧铜或铝制成。

一种小型氢原子钟谐振腔的制造方法，所述谐振腔是TE111模式谐振腔，包括由金属制成的圆柱形腔体，包括如下步骤：

(1)理论计算谐振腔圆柱形腔体的直径D和高度l，其中直径15cm≤D≤30cm，高度18.75cm≥l≥15cm；

(2)加工所述谐振腔；包括将圆柱形腔体分为两个对称的半腔，在各半腔的内壁涂敷特富龙薄膜并且在各半腔之间也夹入特富龙薄膜之后，再将各相邻半腔紧固；

(3)向该谐振腔导入脉冲激励信号，使氢原子处于感应辐射状态，实现氢原子脉泽自激振荡。

其中，步骤(3)还进一步包括采用正反馈系统来进行振荡。

本发明的小型氢原子钟谐振腔，大大减小了横磁波谐振腔的尺寸，实现谐振腔氢脉泽自激振荡的同时，制造低成本且体积小的氢原子钟。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的上述和其他方面、特征及优点，以下结合当前优选实施例以及附图对本发明进行详细描述，其中：

图1是本发明的小型氢原子钟谐振腔的立体图；

图2是本发明的小型氢原子钟谐振腔的主视图；

图3是感应辐射的线路示意图；

图4是反馈振荡系统的示意图；

图5显示了采用正反馈系统的谐振腔的脉泽振荡信号。

具体实施方式

详细参照附图，图1和2举例描绘了根据本发明当前较佳实施例设计的小型氢原子钟的谐振腔。

本发明的谐振腔是TE111模式谐振腔1，包括由金属材料制成的圆柱形腔体2，该腔体包括由螺丝或扣子紧固连接的两个对称的半腔。优选的，两个半腔各自包括上、下两部分，即圆柱形腔体2是由四个形状基本相同的半腔，通过螺丝或扣子紧固连接而成。

所述腔体的内壁涂敷有特富龙(Teflon)涂层，这里涂敷的特氟龙主要是防止原子在与金属内壁发生碰撞的时候能级发生变化。

四个紧固的半腔中间夹有一个长方形的Teflon薄膜3。所述Teflon薄膜3沿圆柱形腔体纵向切面设置并将所述腔体分隔成两部分，其作用是防止氢原子在腔内表面与腔壁碰撞形成氢分子，并减低腔壁频移。理论上，只需要谐振腔纵向切面被telflon膜隔开就可以，但四个紧固半腔的技术方案，更有利于实现telflon膜的固定不动。

所述圆柱形腔体的直径15cm≤D≤30cm，高度18.75cm≥l≥15cm。优选的，D＝15cm，高度l＝18.75cm。

谐振腔的腔体材料可以是高导无氧铜。也可以是金属铝，但由铝制成的TE111模式谐振腔需要正反馈系统使氢原子实现自激振荡。

本发明的TE111模式小型氢原子钟谐振腔的制造方法，包括如下步骤：

步骤(1)：理论计算能够在理论上满足脉泽自激振荡的谐振腔的尺寸。

首先，TE111模式谐振腔的氢脉泽振荡频率1.420405GHz，为实现氢原子的脉泽自激振荡，利用公式(1)，代入氢脉泽振荡频率1.420405GHz，得到合适的TE111模式谐振腔的尺寸，并使其实现脉泽振荡的能力。

${\left(\mathrm{Df}\right)}^2={\left(\frac{2c}{3.41}\right)}^2+{\left(\frac{c}{2}\right)}^2{\left(\frac{D}{l}\right)}^2---\left(1\right)$

其中：D为圆柱形腔底的直径；f为振荡频率；c为真空中的光速；l为圆柱形谐振腔的高度。

所述圆柱形腔体的直径15cm≤D≤30cm，高度18.75cm≥l≥15cm。优选的，D＝15cm，高度l＝18.75cm。

接着，计算腔频随腔长、腔底半径和腔内温度的变化等腔的各项系数为：

$\frac{\mathrm{df}}{\mathrm{dR}}=-\frac{1}{{3.41}^2}c{[\frac{1}{{4l}^2}+\frac{1}{{\left(3.41R\right)}^2}]}^{-\frac{1}{2}}{R}^{-3}=-12.9\mathrm{MHz}/\mathrm{mm}---\left(3\right)$

其中，R为腔底半径；t为摄氏温度；α为铜的热膨胀系数

步骤(2)，利用高导无氧铜或金属铝加工谐振腔腔体，包括将圆柱形筒分割为四个半腔，在各个半腔的内壁涂敷Teflon膜并且在各半腔之间也夹入Teflon膜之后，再将各相邻半腔以螺丝或扣子等方式紧固。

步骤(3)，向该谐振腔导入脉冲激励信号，使氢原子处于感应辐射状态，实现氢原子脉泽自激振荡。

如图5所示，当氢原子超精细频率f＝1.420405GHz的脉冲激励信号导入调谐准确的谐振腔后，F＝1，mf＝0的原子处于感应辐射状态。脉冲触发停止以后，感应辐射信号按下式规律变化：

$P_c=\frac{\mathrm{\ω}{\mathrm{\μ}}_0^2\mathrm{\η}{I}^2{Q}_1^2}{2\mathrm{\π}{V}_c{\mathrm{\γ}}^2{Q}_{\mathrm{CB}}}{e}^{-2\mathrm{\γt}}$

通过示波器屏幕上的信号，可以观察感应辐射信号。控制腔体温度使谐振腔频率正确，调节电离源、流量和C场的大小，直至信号最大。TE111腔的Q值只能达到21000，没有传统大钟的TE011腔大，但是它的填充因子比传统TE011腔要大得多，为0.82，因此它的S参数(Scatting parameter)为17220(大于5900)，因此理论上能够实现脉泽自激振荡。由此制成低成本，且体积小的氢原子钟谐振腔。

和传统的TE011谐振腔相比，TE111谐振腔损耗较大，实现振荡的条件较为苛刻。为了克服这种限制，优选的，采用正反馈系统来进行振荡。图4是正反馈系统的方框图，其作用是使脉泽输出放大后的一部分返回到谐振腔。为保持反馈信号相位与腔中电磁场的相位相干，在反馈回路中利用移相器来调节传播的延迟、衰减器来调节反馈量的大小。这样，谐振腔的损耗由于正反馈的采用而有效地减小，即提高了Q值，从而满足振荡条件，使脉泽维持振荡。

采用正反馈后，由于本身Q值不需要太高，故可以采用涂敷容易、质量较轻的金属铝作为谐振腔。输入激励信号，仔细调节脉泽参数及反馈回路参数以控制反馈量和相位延迟，当调整到反馈信号与腔中电磁场相位相干时，满足振荡条件，去掉激励信号，脉泽振荡便建立起来了。图5所示的为得到的脉泽振荡信号。

很明显，根据上述讲解，对本发明进行各种改变和修改是可能的。因此，可以理解，在所附权利要求范围内，本发明可以采用其他方式实施，并不限于当前优选实施例的具体描述。

Claims (10)

1.一种小型氢原子钟谐振腔，所述谐振腔是TE111模式谐振腔，包括圆柱形腔体，其特征在于，所述腔体内壁涂敷特富龙涂层，并且沿圆柱形腔体纵向切面设有将所述腔体分隔成对称的两部分的特富龙薄膜，所述圆柱形腔体的直径15cm≤D≤30cm，高度18.75cm≥l≥15cm。

2.根据权利要求1所述的小型氢原子钟谐振腔，其特征在于，所述圆柱形腔体的直径D＝15cm，高度l＝18.75cm。

3.根据权利要求1或2所述的小型氢原子钟谐振腔，其特征在于，所述小型氢原子钟谐振腔，所述圆柱形腔体由两个半腔组成，所述特富龙薄膜夹在两个半腔之间。

4.根据权利要求3所述的小型氢原子钟谐振腔，其特征在于，所述两个半腔各包括可固定连接的上、下两部分。

5.根据权利要求4所述的小型氢原子钟谐振腔，其特征在于，所述腔体由铝或高导无氧铜制成。

6.一种小型氢原子钟谐振腔的制造方法，所述谐振腔是TE111模式谐振腔，包括圆柱形腔体，所述制造方法包括如下步骤：

(1)计算谐振腔圆柱形腔体的直径D和高度l，其中直径15cm≤D≤30cm，高度18.75cm≥l≥15cm；

(2)加工所述谐振腔；包括将圆柱形腔体分为两个对称的半腔，在各半腔的内壁涂敷特富龙薄膜并且在各半腔之间也夹入特富龙薄膜之后，再将各相邻半腔紧固；

(3)向该谐振腔导入脉冲激励信号，使氢原子处于感应辐射状态，实现氢原子脉泽自激振荡。

7.根据权利要求6所述的小型氢原子钟谐振腔的制造方法，其特征在于，所述圆柱形腔体的直径D＝15cm，高度l＝18.75cm。

8.根据权利要求6或7所述的小型氢原子钟谐振腔的制造方法，其特征在于，所述谐振腔由高导无氧铜制成。

9.根据权利要求6或7所述的小型氢原子钟谐振腔的制造方法，其特征在于，步骤(3)中还包括采用正反馈系统来进行振荡。

10.根据权利要求9所述的小型氢原子钟谐振腔的制造方法，其特征在于，所述谐振腔由铝制成。

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