CN104733270A - 一种铷原子钟磁控管微波腔 - Google Patents

Abstract

本发明属于量子频率标准和微波技术领域，具体涉及一种铷原子钟磁控管微波腔。本发明包括微波腔外壳、盖板、吸收泡、弧形极片、耦合环，所述微波腔外壳和盖板结合，其内形成筒状腔体，所述吸收泡设置于腔体内，所述弧形极片围绕吸收泡均匀排布，并且相邻弧形极片间具有间隙，所述盖板上设置有射频连接器，所述耦合环一端连接于射频连接器上，另一端连接于盖板，所述耦合环环身位于相邻弧形极片的间隙中。相较于传统的TE₀₁₁和TE₁₁₁模式微波腔，本发明具有体积小、Q值高、磁场一致性好等优点。

Description

一种铷原子钟磁控管微波腔

技术领域

本发明属于量子频率标准和微波技术领域，具体涉及一种铷原子钟磁控管微波腔。 

背景技术

微波腔是铷原子钟的核心部件，它是外界馈入的微波信号与原子相互作用的区域，微波腔的结构、谐振模式和Q值对微波与原子相互作用的效果会产生显著影响。

在铷原子钟的设计中，一般采用TE011 和TE111标准腔，这两种腔各有优缺；TE011腔的优点是具有较大的Q值、较好的轴向场分布，可以实现较大的信噪比，但是这类腔的体积非常大，不利于铷原子钟的小型化；相比TE011腔，TE111腔体积比较小，但是Q值和磁场分布不如TE011腔，信噪比不大；TE011 和TE111标准腔的这些特点是由腔内场分布决定，由于TE011 轴向场分布集中在轴中心附近，所以Q值较大，而TE111轴中心的磁场垂直于轴向，平行于轴向的磁场集中在腔体边缘，所以Q值较小。

发明内容

   本发明的目的是针对现有技术中存在的问题提供一种体积小、Q值高、磁场一致性好的铷原子钟磁控管微波腔。

一种铷原子钟磁控管微波腔,包括微波腔外壳、盖板、吸收泡、弧形极片、耦合环，所述微波腔外壳和盖板结合，其内形成筒状腔体，所述吸收泡设置于腔体内，所述弧形极片围绕吸收泡均匀排布，并且相邻弧形极片间具有间隙，所述盖板上设置有射频连接器，所述耦合环一端连接于射频连接器上，另一端连接于盖板，所述耦合环环身位于相邻弧形极片的间隙中；

所述微波腔外壳上缠绕有C场线圈；

所述微波腔外壳与C场线圈之间设有聚酰亚胺绝缘层，保证了微波腔外壳与C场线圈之间绝缘；所述C场线圈上包裹有聚酰亚胺漆包层，保证了密绕的C场线圈之间绝缘；

所述吸收泡为圆柱形；

所述C场线圈为铜圆线，由于铜圆线电阻率小，从而使得缠绕多圈的C场线圈总电阻小；

所述吸收泡由玻璃材质制成，有利于抽运光入射进吸收泡，激发其中的⁸⁷Rb原子，另一方面由于玻璃极易吹制，有利于控制⁸⁷Rb原子和缓冲气体的充入量。；

所述耦合环为镍圆线，镍圆线具有较小的电阻率和较大的硬度；

所述盖板上设有安装孔，所述耦合环另一端包裹聚酰亚胺薄膜并通过环氧树脂胶粘接于安装孔，保证耦合环与盖板之间绝缘；

所述射频连接器型号为SSMA-KFD20。

本发明具有以下有益效果：

本发明的磁控管微波腔相较于传统的TE₀₁₁和TE₁₁₁模式微波腔，具有体积小、Q值高、磁场一致性好等特点，本发明继承了TE₀₁₁腔谐振模式好和TE₁₁₁腔体积小的优点，同时克服了TE₀₁₁腔体积大和TE₁₁₁腔信噪比低的缺点；采用弧形极片围绕吸收泡均匀排布的方式使得微波腔内磁场密集分布在中轴附近，这个区域正是吸收泡所在区域，也是抽运光照区域，所以这种结构能让更多的⁸⁷Rb原子发生共振跃迁，产生较高的信噪比，因此铷原子钟采用这种结构的磁控管微波腔可以产生更好频率稳定度。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1A-A向视图。

具体实施方式

如图1和图2所示一种铷原子钟磁控管微波腔,包括微波腔外壳1、盖板2、吸收泡3、弧形极片4、耦合环5，所述吸收泡3为圆柱形由玻璃材质制成，所述耦合环5为镍圆线；所述微波腔外壳1和盖板2结合，其内形成筒状腔体，所述吸收泡3设置于筒状腔体内，所述弧形极片4围绕吸收泡3均匀排布，并且相邻弧形极片4间具有间隙；所述盖板2上设置有型号为SSMA-KFD20的射频连接器6和安装孔，所述耦合环5一端连接于射频连接器6上，耦合环5另一端包裹聚酰亚胺薄膜并通过环氧树脂胶粘安装孔，所述耦合环5环身位于相邻弧形极片4的间隙中；所述微波腔外壳1上缠绕有C场线圈7，所述C场线圈7为铜圆线，所述微波腔外壳1与C场线圈7之间设有聚酰亚胺绝缘层，所述C场线圈7上包裹有聚酰亚胺漆包层。

本发明的工作原理为：

磁控管微波腔是一种感容器件，腔体内感容结构产生一定频率的电磁场，吸收泡3内充有⁸⁷Rb原子和缓冲气体，在加载吸收泡3后，谐振频率被调谐到6.835GHz附近，抽运光将吸收泡3中处于基态能级上的⁸⁷Rb原子抽运到能级，此时耦合环5馈入一定功率的微波信号，激励微波腔沿C场方向产生6.835GHz的微波场，光抽运和微波场的共同作用使⁸⁷Rb原子在两个能级之间产生共振跃迁，弧形极片4围绕吸收泡3均匀排布构成抽运光照区域，也是微波腔内磁场沿轴向密集分布区域，所以磁控管微波腔可以产生较大的信噪比，由于耦合环5环身位于相邻弧形极片4的间隙中，保证耦合环5发射的微波信号能够顺利进入微波腔中；在等效电路上可认为弧形极片4为电感部分，相邻弧形极片4间的间隙为电容部分，等效的电感和电容谐振产生一定频率的电磁场，谐振频率由等效电感和电容决定，等效电感和电容的大小与弧形极片4的半径、厚度、极片数、间隙宽度以及微波腔外壳1半径有关，而与腔的长度无关，通过设定弧形极片4的半径、厚度、极片数、间隙宽度和微波腔外壳1半径来改变微波腔的谐振频率；微波腔外壳1缠绕两层C场线圈7，使得微波腔内部产生微弱磁场，使吸收泡3中的⁸⁷Rb原子产生超精细能级分裂。

Claims (9)

1.一种铷原子钟磁控管微波腔,其特征在于：包括微波腔外壳（1）、盖板（2）、吸收泡（3）、弧形极片（4）、耦合环（5），所述微波腔外壳（1）和盖板（2）结合，其内形成筒状腔体，所述吸收泡（3）设置于筒状腔体中，所述弧形极片（4）围绕吸收泡（3）均匀排布，并且相邻弧形极片（4）间具有间隙，所述盖板（2）上设置有射频连接器（6），所述耦合环（5）一端连接于射频连接器（6）上，另一端连接于盖板（2），所述耦合环（5）环身位于相邻弧形极片（4）的间隙中。

2.如权利要求1所述一种铷原子钟磁控管微波腔,其特征在于：所述微波腔外壳（1）上缠绕有C场线圈（7）。

3.如权利要求2所述一种铷原子钟磁控管微波腔,其特征在于：所述微波腔外壳（1）与C场线圈（7）之间设有聚酰亚胺绝缘层，所述C场线圈（7）上包裹有聚酰亚胺漆包层。

4.如权利要求2或3所述一种铷原子钟磁控管微波腔,其特征在于：所述C场线圈(7)为铜圆线。

5.如权利要求1至3任意一项所述一种铷原子钟磁控管微波腔,其特征在于：所述吸收泡(3)为圆柱形。

6.如权利要求5所述一种铷原子钟磁控管微波腔,其特征在于：所述吸收泡(3)由玻璃材质制成。

7.如权利要求1至3任意一项所述一种铷原子钟磁控管微波腔,其特征在于：所述耦合环(5)为镍圆线。

8.如权利要求1至3任意一项所述一种铷原子钟磁控管微波腔,其特征在于：所述盖板(2)上设有安装孔，所述耦合环(5)另一端包裹聚酰亚胺薄膜并通过环氧树脂胶粘接于安装孔。

9.如权利要求1至3任意一项所述一种铷原子钟磁控管微波腔,其特征在于：所述射频连接器(6)型号为SSMA-KFD20。