CN103063650A - 改进的原子基态能级检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种改进的原子基态能级检测装置，包括：谐振腔单元、共振吸收单元、调谐器件、光电池、耦合环及PCB。其中，共振吸收单元设置在谐振腔单元内；调谐器件与谐振腔单元固定连接；光电池设置在谐振腔单元上；耦合环一端与电缆芯线固定连接，另一端与谐振腔单元固定连接。PCB设置在谐振腔单元上。实际应用中，将经筛选的两个共振吸收泡置入检测装置中，二者无论从温度敏感性、还是充气气体比例、以及大小尺寸、充气气压等都完全相同。因此，在左右两个共振腔内将会得到两组有用的光电信号到外围电路，一旦整个装置由于温度、电磁干扰等影响造成装置检测精度的降低，本发明可以通过对比两个腔体中获得的光电信号分析，剔除这些影响。
Description
技术领域
本发明属于检测装置设计技术领域，特别涉及一种改进的原子基态能级检测装置。
背景技术
现有技术中，对于改进的原子基态能级检测装置设计过程中，通常采用单泡式共振吸收结构进行设计，由于采用单泡式共振吸收结构进行检测，即谐振腔单元内部只设置有一个共振吸收泡，但系统装置在测量过程中由于温度、电磁干扰等诸多因素造成的装置检测精度降低，仅现有技术而言，无法克服这种测量精度所造成的测量误差，这种由于温度等环境参数的变化导致的谐振腔体内共振吸收泡中的原子发生变化会进一步恶化检测测量装置的精度，现有技术大多数是从控制角度，例如，将谐振腔体温度进行严格控制，改善系统温度性能等，这并不能从根本上解决这些问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种改进的原子基态能级检测装置，通过采用双泡式共振吸收结构进行对比分析，达到提高检测装置测量精度的目的。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种改进的原子基态能级检测装置，包括：谐振腔单元、共振吸收单元、至少一个调谐器件、至少一块光电池、至少一个耦合环及PCB；所述共振吸收单元设置在所述谐振腔单元内；所述调谐器件与所述谐振腔单元固定连接；所述光电池设置在所述谐振腔单元上；所述耦合环一端与外部电缆芯线固定连接，另一端通过螺纹紧固机构与所述谐振腔单元固定连接；所述PCB设置在所述谐振腔单元上。
进一步地，所述谐振腔单元包括：圆柱腔体、腔盖、磁场线圈、加热丝及热敏电阻；所述磁场线圈缠绕在所述圆柱腔体外壁上；所述加热丝缠绕在所述圆柱腔体内壁上；所述热敏电阻通过电路板设置在所述腔盖上，用于监控所述圆柱腔体的工作温度；所述共振吸收单元设置在所述圆柱腔体内；所述调谐器件与所述腔盖固定连接，通过改变所述调谐器件在所述圆柱腔体中的长度来对腔频进行调节；所述光电池设置在所述腔盖上；所述耦合环通过螺纹紧固机构与所述腔盖固定连接；所述PCB设置在所述腔盖上。
进一步地，所述共振吸收单元包括：第一共振吸收泡、第二共振吸收泡；所述第一共振吸收泡、所述第二共振吸收泡呈泡状腔体结构，并依次置于所述圆柱腔体内部。
进一步地，所述共振吸收单元还包括：用于避免所述第一共振吸收泡、所述第二共振吸收泡微波场辐射相互干扰的屏蔽机构；所述屏蔽机构设置在所述第一共振吸收泡、所述第二共振吸收泡之间。
进一步地，所述屏蔽机构是金属板。
进一步地，所述圆柱腔体底部开设有至少一个用于传输光束的通光槽。
进一步地，所述第一共振吸收泡、所述第二共振吸收泡内部均充有用于原子在磁场作用下共振吸收的A元素及其同位素B元素；所述第一共振吸收泡、所述第二共振吸收泡内部还充有惰性气体C。
进一步地，所述第一共振吸收泡中A元素含量、B元素含量、气体C含量分别与所述第二共振吸收泡中A元素含量、B元素含量、气体C含量对应相同。
进一步地，所述A元素是87Rb，所述B元素是85Rb，所述气体C是氩气；所述87Rb与所述85Rb含量相对比例为27.8/72.8。
进一步地，所述第一共振吸收泡、所述第二共振吸收泡结构形状、大小尺寸完全相同，通过将所述第一共振吸收泡、所述第二共振吸收泡获得的光电信号传输至外围电路，对比分析两组所述光电信号，根据分析结果提高检测装置检测精度。
本发明提供的一种改进的原子基态能级检测装置，实际应用中，将经筛选的两个共振吸收泡置入检测装置中，二者无论从温度敏感性、还是充气气体比例、以及大小尺寸、充气气压等都完全相同。因此，在左右两个共振腔内将会得到两组有用的光电信号到外围电路，一旦整个装置由于温度、电磁干扰等影响造成装置检测精度的降低，本发明可以通过对比两个腔体中获得的光电信号分析，剔除这些影响。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种改进的原子基态能级检测装置原理结构示意图。
其中，S1-热敏电阻，S2-调谐器件，S3-耦合环，S4-光电池，S5-PCB，S6-腔盖，S7-磁场线圈，S8-加热丝，S9-通光槽，S10-金属板，S11-圆柱腔体，201-第一共振吸收泡，202-第二共振吸收泡。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明提供的具体实施方式作进一步详细说明。
参见图1，本发明实施例提供的一种改进的原子基态能级检测装置，包括：谐振腔单元、共振吸收单元、至少一个调谐器件S2、至少一块光电池S4、至少一个耦合环S3及PCB。其中，共振吸收单元设置在谐振腔单元内。调谐器件S2与谐振腔单元固定连接。光电池S4设置在谐振腔单元上。耦合环S3一端与外部电缆芯线固定连接，另一端通过螺纹紧固机构与谐振腔单元固定连接。同时，PCB也设置在谐振腔单元上，用于为检测装置电走线提供载体。
本实施例中，谐振腔单元包括：圆柱腔体S11、腔盖S6、磁场线圈S7、加热丝S8及热敏电阻S1。其中，磁场线圈S7缠绕在圆柱腔体S11外壁上；加热丝S8采用双线麻花式缠绕在圆柱腔体S11内壁上。同时，热敏电阻S1通过电路板设置在腔盖S6一端，用于监控圆柱腔体S11的工作温度。共振吸收单元设置在圆柱腔体S11内。调谐器件S2与腔盖S6固定连接，并通过改变调谐器件S2在圆柱腔体S11中的长度来对腔频进行调节（调节范围大概有50MHz左右）。光电池S4设置在腔盖S6上。耦合环S3通过螺纹紧固机构与腔盖S6固定连接。同时，PCB也设置在腔盖S6上，与光电池S4相邻。
本实施例中，共振吸收单元包括：第一共振吸收泡201、第二共振吸收泡202。其中，第一共振吸收泡201、第二共振吸收泡202是呈泡状腔体结构的透明玻璃物质，并依次置于圆柱腔体S11内部。
本实施例中，为了避免第一共振吸收泡201、第二共振吸收泡202左右两个微波场辐射相互干扰的影响，共振吸收单元还包括：屏蔽机构。其中，屏蔽机构设置在第一共振吸收泡201、第二共振吸收泡202之间。
优选地，屏蔽机构是金属板S10。
本实施例中，第一共振吸收泡201、第二共振吸收泡202内部均充有用于原子在磁场作用下共振吸收的工作物质。工作物质包括：A元素及其同位素B元素。同时，第一共振吸收泡201、第二共振吸收泡202内部还充有惰性气体C。并且二者中A元素含量、B元素含量、气体C含量分别对应相同。其中，惰性气体C用于减小第一共振吸收泡201、第二共振吸收泡202内工作物质的碰撞频移。
优选地，A元素是87Rb，B元素是85Rb，气体C是氩气。其中，87Rb与85Rb含量相对比例为27.8/72.8。
优选地，调谐器件S2数量是2个；调谐器件S2是螺钉。本实施例通过改变螺钉在圆柱腔体S11中的长度来对腔频进行调节（调节范围大概有50MHz左右）。
优选地，光电池S4数量是4个；每2个作为一对，依次对称设置在第一共振吸收泡201、第二共振吸收泡202中心轴线两侧，用于将载有原子共振跃迁信息的光信号转换为电信号。
优选地，耦合环S3数量是2个，依次通过螺纹紧固机构固定在第一共振吸收泡201、第二共振吸收泡202顶端中心轴线上。
优选地，螺纹紧固机构是螺钉连接。
本实施例中，圆柱腔体S11底部还开设有至少一个用于让外部光源发出的光束进入检测装置的通光槽S9。优选地，通光槽S9数量是2个，依次对应位于第一共振吸收泡201、第二共振吸收泡202底部。
本实施例中，谐振腔单元的主要作用在于为87Rb原子基态精细结构的微波跃迁提供合适的微波场，其共振频率与作为量子鉴频参考的原子跃迁频率是一致的，以及为原子分裂提供相应的磁场，同时谐振腔单元也起着为第一共振吸收泡201、第二共振吸收泡202提供热环境的作用。
通常情况下，现有技术都使用TE011和TE111模式的微波腔，为了减小物理系统的体积，本实施例使用的是TE111模式的微波谐振腔。微波谐振腔的结构设计直接与在其共振频率上的微波谐振模式TE111的场形相关。微波谐振腔采取的耦合方式是环耦合（即磁耦合）方式，同时为了透光，圆柱腔体S11上还开有通光光栅，其形状与腔内微波的壁电流的方向一致。为了提高耦合度，耦合环S3一端与固定良好的同轴电缆芯线焊接，另一端通过固定螺钉，固定于腔盖中心轴线上（附图1中第一共振吸收泡201、第二共振吸收泡202顶端中心轴线上）。由于机械加工误差，实际腔频与计算结果有一定差异，本实施例通过改变调谐器件S2在腔中的长度来对腔频进行微调（微调范围大概有50MHz左右），微波磁场的纵向分量的强度在耦合环S3两侧最强，所以在工作状态下原子共振跃迁信号最强的地方在腔体两边，故将光电池S4对称地安装在中心轴线的两侧。
同时，为了减小物理系统的体积，本实施例使用的第一共振吸收泡201、第二共振吸收泡202是集成共振吸收泡。集成共振吸收泡是整个量子系统的核心，集成泡中的铷原子的基态超精细0-0跃迁频率即是铷原子频标的鉴频参考频率。集成共振吸收泡中的工作物质是天然铷（87Rb和85Rb各占27.8%和72.2%），集成共振吸收泡的前半部分主要起滤光作用，后半部分主要起共振作用。为了减小线宽、提高光抽运（“荧光焠灭”和“激发能级混杂”）效率，因此充入缓冲气体氩气。
本发明采用双泡式共振吸收结构，外部光源发射的光束（87Rb）通过通光槽S9分别进入第一共振吸收泡201、第二共振吸收泡202中，按照现有技术与内部的工作物质发生滤光共振作用后，经光电池S4采样，将携带有量子鉴频信号的光信号转化为电信号再送至外围电子线路进行相应的处理。值得一提的是：本发明提供的改进的原子基态能级检测装置，将经筛选性能相近的第一共振吸收泡201、第二共振吸收泡202置入检测装置中，二者无论从温度敏感性、还是充气气体比例、以及大小尺寸、充气气压等都完全相同。因此，与传统装置结构相比，本实施例在左右两个共振腔内将会得到两组有用的光电信号到外围电路，一旦整个装置由于温度、电磁干扰等影响造成装置检测精度的降低，本实施例可以通过对比两个腔体中获得的光电信号分析，剔除这些影响，因为无论是温度还是电磁干扰，它们造成的影响对两个共振吸收泡是一样的，进而提高测量精度。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种改进的原子基态能级检测装置，其特征在于，包括：谐振腔单元、共振吸收单元、至少一个调谐器件（S2）、至少一块光电池（S4）、至少一个耦合环（S3）及PCB（S5）；
所述共振吸收单元设置在所述谐振腔单元内；
所述调谐器件（S2）与所述谐振腔单元固定连接；
所述光电池（S4）设置在所述谐振腔单元上；
所述耦合环（S3）一端与外部电缆芯线固定连接，另一端通过螺纹紧固机构与所述谐振腔单元固定连接；
所述PCB（S5）设置在所述谐振腔单元上。
2.根据权利要求1所述改进的原子基态能级检测装置，其特征在于，所述谐振腔单元包括：圆柱腔体（S11）、腔盖（S6）、磁场线圈（S7）、加热丝（S8）及热敏电阻（S1）；
所述磁场线圈（S7）缠绕在所述圆柱腔体（S11）外壁上；
所述加热丝（S8）缠绕在所述圆柱腔体（S11）内壁上；
所述热敏电阻（S1）通过电路板设置在所述腔盖（S6）上，用于监控所述圆柱腔体（S11）的工作温度；
所述共振吸收单元设置在所述圆柱腔体（S11）内；
所述调谐器件（S2）与所述腔盖（S6）固定连接，通过改变所述调谐器件（S2）在所述圆柱腔体（S11）中的长度来对腔频进行调节；
所述光电池（S4）设置在所述腔盖（S6）上；
所述耦合环（S3）通过螺纹紧固机构与所述腔盖（S6）固定连接；
所述PCB（S5）设置在所述腔盖（S6）上。
3.根据权利要求2所述改进的原子基态能级检测装置，其特征在于，所述 共振吸收单元包括：第一共振吸收泡（201）、第二共振吸收泡（202）；
所述第一共振吸收泡（201）、所述第二共振吸收泡（202）呈泡状腔体结构，并依次置于所述圆柱腔体（S11）内部。
4.根据权利要求3所述改进的原子基态能级检测装置，其特征在于，所述共振吸收单元还包括：用于避免所述第一共振吸收泡（201）、所述第二共振吸收泡（202）微波场辐射相互干扰的屏蔽机构；
所述屏蔽机构设置在所述第一共振吸收泡（201）、所述第二共振吸收泡（202）之间。
5.根据权利要求4所述改进的原子基态能级检测装置，其特征在于：所述屏蔽机构是金属板（S10）。
6.根据权利要求2-5任一项所述改进的原子基态能级检测装置，其特征在于：所述圆柱腔体（S11）底部开设有至少一个用于传输光束的通光槽（S9）。
7.根据权利要求3-5任一项所述改进的原子基态能级检测装置，其特征在于：
所述第一共振吸收泡（201）、所述第二共振吸收泡（202）内部均充有用于原子在磁场作用下共振吸收的A元素及其同位素B元素；
所述第一共振吸收泡（201）、所述第二共振吸收泡（202）内部还充有惰性气体C。
8.根据权利要求7所述改进的原子基态能级检测装置，其特征在于：
所述第一共振吸收泡（201）中A元素含量、B元素含量、气体C含量分别与所述第二共振吸收泡（202）中A元素含量、B元素含量、气体C含量对应相同。
9.根据权利要求8所述改进的原子基态能级检测装置，其特征在于：
所述A元素是87Rb，所述B元素是85Rb，所述气体C是氩气；
所述87Rb与所述85Rb含量相对比例为27.8/72.8。
10.根据权利要求8-9任一项所述改进的原子基态能级检测装置，其特征在于：
所述第一共振吸收泡（201）、所述第二共振吸收泡（202）结构形状、大小尺寸完全相同，通过将所述第一共振吸收泡（201）、所述第二共振吸收泡（202）获得的光电信号传输至外围电路，对比分析两组所述光电信号，根据分析结果提高检测装置测量精度。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20130424 |