CN105846820A - 一种用于铷原子频标的伪双泡装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于铷原子频标的伪双泡装置，体积较小、滤光和共振效果较好，包括金属腔体，金属腔体上设置有金属腔盖，金属腔体内设置有集成滤光吸收泡，集成滤光吸收泡下部沉入金属腔体底部圆槽内，被圆槽分为共振区与非共振区，从而实现分离的双泡功能。金属腔体的内壁与集成滤光吸收泡侧壁之间填充有填充介质，C场支架设置在金属腔体的上部，C场支架的外侧壁绕制有C场线圈，金属腔体底部开设有圆槽，集成滤光吸收泡的底部嵌入圆槽内，圆槽底部开设有通光孔，还包括设置有光电池和耦合环的微波电路板，金属腔体的侧壁固定有热敏电阻。本发明结构简单，提高了抽运光的纯度，提升了信噪比，可以方便地调整微波腔的共振频率。
Description
技术领域
本发明涉及原子频标领域，具体涉及一种用于铷原子频标的伪双泡装置，适用于通信、导航、计量等领域的原子频标。
背景技术
目前，在时频领域作为频率标准源的设备主要有铯原子频标、氢原子频标和铷原子频标等。铯原子频标和氢原子频标价格昂贵，且对工作环境有特殊要求，未能在通信、导航、守时、授时等各种领域得到广泛的应用。而铷原子频标以其功耗低、体积小、价格低廉在电力、计量校准、雷达设备等领域得到大量应用。尤其是GPS铷原子频标技术成熟后，它具有无漂移、授时准确、寿命长等特点，能在动态或非动态载体实现授时、守时、测距、通讯等功能，更加扩宽了小型铷原子频标的应用领域。
铷原子频标是利用原子内部基态能级间量子跃迁频率非常稳定的特性，将其作为参考标准，通过光、微波与原子的双共振及锁频反馈环路将这种稳定性传递到压控晶振上，最终控制压控晶振输出一个非常稳定的频率信号。铷原子频标由电子线路和物理系统两部分组成，物理系统为其核心部分。物理系统又由铷光谱灯和微波腔构成；微波腔是铷原子频标中体积最大的部分，也是决定铷原子指标性能最为关键的部分。铷原子频标的短期稳定度与标准谱线的信噪比和线宽有关，信噪比越高、线宽越小，短期稳定度越高。
为了增加标准谱线的信噪比和减小线宽，一般采用光抽运、光检测和在铷吸收泡中充缓冲气体三个措施。充有87Rb气体的铷光谱灯发出的抽运光经85Rb滤光泡滤除无用光，在抽运光和滤光泡的作用下，87Rb原子基态∣F＝2，mF＝0>和∣F＝1，mF＝0>两个子能级的粒子数差可以大大增加。
传统的铷原子频标一般采用分离滤光技术，在微波腔中装入充有85Rb和缓冲气体的滤光泡，抽运光经过其滤光后再进入充有87Rb和缓冲气体的吸收泡。这种方法的滤光效果最好，但也存在一定的缺陷，主要体现在：一、由于要用2个分离的泡，制作难度和调试难度稍大；二、滤光泡和吸收泡需要分别单独控温，结构和设计复杂，温区互相干扰实现难度大；三、自然界中铷有两种同位素85Rb和87Rb，若将两种同位素萃取分离，分别充制到滤光泡和吸收泡，成本很高。
近年来，集成滤光吸收技术得到发展，很多铷原子频标开始采用集成滤光吸收泡来完成抽运光滤光和光-微波双共振的功能。即在一个玻璃泡内充入含有85Rb和87Rb两种同位素的天然铷和缓冲气体，透明玻璃泡中靠近抽运光入口的那一半充当滤光泡的作用；靠近光电池的那一半充当吸收泡的作用。集成滤光吸收泡的优点是简化了微波腔结构，成本低廉，但也有不足之处，主要体现在：一、对泡内气压比例要求高，可选范围小；二、滤光效果不如分离滤光效果好。
本发明结合两种滤光技术的优缺点，提出了一种体积较小、滤光和共振效果较好的伪双泡技术，在一个集成泡上实现分离的双泡功能。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，提供一种用于铷原子频标的伪双泡装置。在一个集成泡上利用共振和非共振区实现分离的双泡功能，其结构简单，体积小，滤光效果好。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术措施:
一种用于铷原子频标的伪双泡装置，包括金属腔体，金属腔体上设置有金属腔盖，金属腔体内设置有集成滤光吸收泡，集成滤光吸收泡在金属腔体内偏心设置，金属腔体的内壁与集成滤光吸收泡侧壁之间填充有填充介质，C场支架设置在金属腔体的上部，C场支架的外侧壁绕制有C场线圈，金属腔体底部开设有圆槽，集成滤光吸收泡的底部嵌入圆槽内，圆槽底部开设有通光孔，还包括设置有光电池和耦合环的微波电路板，光电池位于集成滤光吸收泡上方，耦合环一端通过外接的射频电缆接射频信号，另一端接地，金属腔体的侧壁固定有热敏电阻。
如上所述的集成滤光吸收泡形状为细长圆柱体，集成滤光吸收泡的轴线和金属腔体底部开设的圆槽的轴线共线，集成滤光吸收泡被金属腔体虚拟的分为区域a和区域b。
通过调整集成滤光吸收泡沉入金属腔体底部圆槽的深度来调节腔频和滤光效果。
如上所述的C场支架为圆筒状，C场支架的外侧壁周向设置有绕线槽，C场线圈绕制在绕线槽上，C场支架位于集成滤光吸收泡和填充介质的上方且位于微波电路板下方。
如上所述的光电池的受光面正对集成滤光吸收泡和金属腔体的通光孔。
本发明相对于现有技术具有以下有益效果：
1)简化了微波腔结构，减小了微波腔体积；2)提高了抽运光的纯度，提升了信噪比，提高了铷频标的性能；3)可以方便地调整微波腔的共振频率。下面就这三个方面的优点具体论述如下：
一是巧妙设计了金属腔体结构，使一个集成滤光吸收泡完成了双泡分离滤光的功能；在不损失性能的情况下，简化了微波腔结构。此外，传统的微波腔将C场线圈绕制在金属腔体或填充介质外面。而本发明将C场线圈和C场支架置于微波腔内填充介质上方，减小了微波腔的半径，进而减小了微波腔的体积。
二是通过金属腔体结构设计将集成滤光吸收泡虚拟地划分为区域a和区域b，其中区域a被金属包裹，没有磁场存在，因而无法发生磁共振，完成滤光泡的功能，提高了抽运光纯度；区域b被填充介质包裹，可以发生磁共振，完成吸收泡的功能。此外，由于金属腔体底部圆槽和填充介质都采用了偏心设计，区域b处于TE111磁场最强的区域，进而增强了光-微波双共振强度，提高了微波腔的信噪比。
三是可以通过调整集成滤光吸收泡沉入金属腔体底部圆槽的深度来调节腔频、滤光效果和磁共振效果。若集成滤光吸收泡的区域a比较短，则滤光效果相对较差；若集成滤光吸收泡的区域b比较长，则磁共振效果相对较好。通过调节这个深度，可以选一个综合信噪比最好的点，以此提升铷频标指标。
附图说明
图1为一种用于铷原子频标的伪双泡装置的结构示意图；
图2为一种用于铷原子频标的伪双泡装置的剖面示意图；
其中:1-集成滤光吸收泡(可以采用美国康宁抗碱玻璃)、2-金属腔体(可以采用铁镍合金或μ金属)、3-填充介质(可以采用三氧化二铝陶瓷)、4-C场支架(可以采用聚砜)、5-C场线圈(可以采用Elektrisola的155系列或180系列)、6-微波电路板(可以采用rogers4350高频电路板材)、7-金属腔盖(可以采用铁镍合金或μ金属)、8-光电池(可以采用EG&G的VTS20/21系列或30/31系列)和9-耦合环(可以采用直径为1毫米的银棒)、10-热敏电阻安装孔。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的技术方案进一步详细说明：
实施例1：
参见图1和图2，一种用于铷原子频标的伪双泡装置，它包括集成滤光吸收泡1、金属腔体2、填充介质3、C场支架4、C场线圈5、微波电路板6、金属腔盖7、光电池8和耦合环9。集成滤光吸收泡1偏心设置在金属腔体2内，集成滤光吸收泡1靠近金属腔体2内壁一侧设置，即集成滤光吸收泡1与金属腔体2轴线不共线，集成滤光吸收泡1的外壁与金属腔体2内壁之间填充有填充介质3。C场支架4为圆筒状，C场支架4的外侧壁周向设置有绕线槽，C场线圈5绕制在绕线槽上，C场支架4设置在金属腔体2的上部，C场支架4位于集成滤光吸收泡1和填充介质3的上方且位于微波电路板6下方。光电池8固定在微波电路板6上，位于集成滤光吸收泡1上方。
金属腔体2底部厚度在4～7毫米之间，本实施例选用为5毫米，并在其底部开一圆槽，圆槽深度为3.5～6.5毫米之间，本实施例选用4.5毫米，圆槽直径比集成滤光吸收泡1直径略大；圆槽与集成滤光吸收泡1共轴线，圆槽底部再开一直径比集成滤光吸收泡1直径小2mm圆孔作为通光孔，以使抽运光通过。通光孔的位置在圆槽底部的中心。
集成滤光吸收泡1形状为细长圆柱体，集成滤光吸收泡1底部沉入金属腔体2底部的圆槽内。集成滤光吸收泡1被金属腔体2虚拟的分为区域a和区域b，沉入金属腔体2的区域a没有微波场，无法发生磁共振，这一部分发挥滤光泡的功能；而被填充介质3包裹的区域b可以发生磁共振，这一部分发挥吸收泡的功能。通过这种方式成功在一个集成泡上实现分离的双泡功能。并且可以通过调节集成滤光吸收泡1沉入金属腔体2底部圆槽的深度调节腔频和滤光效果。
本实施例中C场线圈5在C场支架4上绕满6圈，C场支架4与C场线圈5一起置于填充介质3和集成滤光吸收泡1的上方。
本实施例中集成滤光吸收泡1内部抽真空后充入金属Rb85、Rb87和N2，CH4气体，缓冲气体N2，CH4体积比例为1:4～4:1，本实施例选用1：1。集成滤光吸收泡1内气压为20～50Torr，本实施例约为33Torr。
本实施例中热敏电阻埋入金属腔体2下部侧边打好的安装孔10(如图2)内,用导热硅胶固定，用来监测铷原子频标腔泡系统的工作温度。
本实施例中微波电路板6用于承载腔内器件，固定光电池8、耦合环9及对外连接的半刚性的射频电缆。光电池8用耐高温胶粘在腔内微波电路板6上(如图1)，受光面对着集成滤光吸收泡1和金属腔体2的圆形通光孔，用于接收光信号。耦合环9(如图1)焊接在微波电路板6上，用于激励起TE111微波磁场。耦合环9一端通过射频电缆接射频信号，另一端接地，构成磁耦合，微波电路板6的地线和金属腔体2均接地，在腔内形成6835MHz的微波探询场。C场线圈5在C场支架上密绕6层，位于集成滤光吸收泡1和填充介质3的上方且位于微波电路板6下方，C场线圈5产生一个和微波场磁力线方向相平行的微弱静磁场，为微波腔提供一个量子化轴。集成滤光吸收泡1、金属腔体2、填充介质3、C场支架4、C场线圈5紧密相连；金属腔体2和金属腔盖7实行刚性连接，整个形成一个刚性整体，保证了微波腔的机械稳定性和热稳定性。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (5)
1.一种用于铷原子频标的伪双泡装置，包括金属腔体(2)，其特征在于，金属腔体(2)上设置有金属腔盖(7)，金属腔体(2)内设置有集成滤光吸收泡(1)，集成滤光吸收泡(1)在金属腔体(2)内偏心设置，金属腔体(2)的内壁与集成滤光吸收泡(1)侧壁之间填充有填充介质(3)，C场支架(4)设置在金属腔体(2)的上部，C场支架(4)的外侧壁绕制有C场线圈(5)，金属腔体(2)底部开设有圆槽，集成滤光吸收泡(1)的底部嵌入圆槽内，圆槽底部开设有通光孔，还包括设置有光电池(8)和耦合环(9)的微波电路板(6)，光电池(8)位于集成滤光吸收泡(1)上方，耦合环(9)一端通过外接的射频电缆接射频信号，另一端接地，金属腔体(2)的侧壁固定有热敏电阻。
2.根据权利要求1所述的一种用于铷原子频标的伪双泡装置，其特征在于，所述的集成滤光吸收泡(1)形状为细长圆柱体，集成滤光吸收泡(1)的轴线和金属腔体(2)底部开设的圆槽的轴线共线，集成滤光吸收泡(1)被金属腔体(2)虚拟的分为区域a和区域b。
3.根据权利要求1所述的一种用于铷原子频标的伪双泡装置，其特征在于,通过调整集成滤光吸收泡(1)沉入金属腔体(2)底部圆槽的深度来调节腔频和滤光效果。
4.根据权利要求1所述的一种用于铷原子频标的伪双泡装置，其特征在于，所述的C场支架(4)为圆筒状，C场支架(4)的外侧壁周向设置有绕线槽，C场线圈(5)绕制在绕线槽上，C场支架(4)位于集成滤光吸收泡(1)和填充介质(3)的上方且位于微波电路板(6)下方。
5.根据权利要求1所述的一种用于铷原子频标的伪双泡装置，其特征在于，所述的光电池(8)的受光面正对集成滤光吸收泡(1)和金属腔体(2)的通光孔。
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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 | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |