CN106773611B

CN106773611B - 一种可充当真空腔体的冷原子喷泉钟微波腔

Info

Publication number: CN106773611B
Application number: CN201611260816.3A
Authority: CN
Inventors: 李文兵; 杜远博; 李慧; 陆泽晃
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2016-12-30
Filing date: 2016-12-30
Publication date: 2019-01-18
Anticipated expiration: 2036-12-30
Also published as: CN106773611A

Abstract

本发明公开了一种可充当真空腔体的冷原子喷泉钟微波腔。微波腔从底部至顶部包括同轴设置的选态腔下波导、选态腔、连接端波导、激励腔、激励腔上波导以及顶端原子上抛区；顶端原子上抛区的上端密封，选态腔下波导、选态腔、连接端波导、激励腔、激励腔上波导以及顶端原子上抛区的内部贯通；选态腔的底部与选态腔下波导的上端、或选态腔的顶部与连接端波导的下端之间，以可拆卸式机构连接；激励腔的底部与连接端波导的上端、或激励腔的顶部与激励腔上波导的下端之间，以可拆卸式机构连接。本发明使得上真空系统体积减小为原有体积的1/3～1/2，从而减小冷原子喷泉钟真空系统的体积，降低冷原子喷泉钟真空环境制备和维持的难度。

Description

一种可充当真空腔体的冷原子喷泉钟微波腔

技术领域

本发明属于冷原子喷泉钟领域，更具体地，涉及一种可充当真空腔体的冷原子喷泉钟微波腔。

背景技术

冷原子喷泉钟由于其优良的频率稳定度和非常高的频率准确度而被用于国际原子时的守时体系。此外，冷原子喷泉钟也可以用来实现对本地时频系统进行校准，提升本地时频系统的稳定度和准确度。冷原子喷泉钟主要由物理系统、光学系统、电子学控制系统及微波源组成。

微波腔是冷原子喷泉钟物理系统的重要组成部分，包括选态腔和激励腔。原子经过激光冷却后在选态腔内完成态的制备，之后在上升并下落的过程中共两次经过激励腔中微波场的作用，然后经过探测相关原子能级布居数，得到拉姆齐跃迁信号；该拉姆齐跃迁信号的质量很大程度上决定了冷原子喷泉钟的性能。目前，国际上大多数冷原子喷泉钟的频率不确定度已进入E-16量级，而从各研究机构的评估结果来看，分布腔相移和微波泄漏频移仍然是限制冷原子喷泉钟频率不确定度的两项主要因素。

冷原子喷泉钟微波腔采用无氧铜加工而成，无氧铜并非理想良导体而存在损耗，这种损耗引起微波腔内微波场空间相位变化；由于激励腔内微波场空间相位变化与冷原子运动耦合而引起一阶多普勒频移，即分布腔相移。泄漏在激励腔外空间的微波场对顶端原子上抛区原子产生的频移，即微波泄漏频移。现有技术通常通过在微波腔外侧增加对称的矩形波导数量以减小微波场的相位变化，从而降低分布腔相移；但是这种设计仅能减小微波腔径向上的相位变化，并不能减小轴向上的相位变化。

冷原子喷泉钟真空系统分为上真空系统和下真空系统，用于为原子提供所必须的真空环境；其中，上真空系统占据了真空系统中的大部分体积。现有技术通常以圆柱形真空腔作为上真空系统，而将微波腔设置其中，圆柱形真空腔的高度与原子上抛高度相关，因此其体积主要取决于圆柱形真空腔的直径，而圆柱形真空腔的直径则由设置其中的微波腔及矩形波导尺寸决定。对于某一特定元素的原子，如铯原子，微波腔及矩形波导的尺寸也是固定的，使得真空腔的直径无法减小，从而增加了系统真空环境制备及维持的难度、同时顶端原子上抛区容易造成微波泄露。为了解决这一问题，专利文献CN103885326 A提供了一种侧壁开孔型喷泉原子钟上真空腔系统，通过在微波腔四个微波耦合波导对应的上真空腔体侧处分别开四个矩形凸孔，使真空腔的容积有所减小，但微波腔仍置于真空系统内部，使得真空系统上方的顶端原子上抛区的直径需与微波腔的直径相同，从而真空腔的体积仍然较大。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种可充当真空腔体的冷原子喷泉钟微波腔，其目的在于将微波腔的整体密封为上真空系统，使冷原子喷泉钟上真空系统的容积进一步缩小，解决现有冷原子喷泉钟真空系统制备及维持困难的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种冷原子喷泉钟的微波腔，所述微波腔从底部至顶部包括同轴设置的选态腔下波导、选态腔、连接端波导、激励腔、激励腔上波导以及顶端原子上抛区；

所述选态腔下波导的下端用于与冷原子喷泉钟的下真空系统连接；所述选态腔下波导的上端伸入所述选态腔的底部并与所述选态腔的底部连接，所述连接端波导的下端伸入所述选态腔的顶部并与所述选态腔的顶部连接，所述连接端波导的上端伸入所述激励腔的底部并与所述激励腔的底部连接，所述激励腔上波导的下端伸入所述激励腔的顶部并与所述激励腔的顶部连接；所述顶端原子上抛区的内径大于所述激励腔上波导上部的内径，而小于所述激励腔上波导上部的外径；

所述顶端原子上抛区的上端密封，所述选态腔下波导、选态腔、连接端波导、激励腔、激励腔上波导以及顶端原子上抛区的内部贯通作为上真空系统，所述上真空系统与冷原子喷泉钟的下真空系统共同形成真空的原子通道；

其中，所述选态腔下波导用于屏蔽选态腔内部的第一微波场，以防止第一微波场泄漏至下真空系统，所述选态腔用于通过第一微波场，将处于目标子能级的原子激发至第一能级；所述连接端波导用于屏蔽第一微波场以及第二微波场，同时通过外部的激光，将处于非目标子能级的原子推离；所述激励腔用于通过其内部的第二微波场，使得在原子的上升阶段，第一能级的一半原子激发到第二能级；在原子的下降阶段，第一能级的一半原子激发到第二能级，第二能级的一半原子激发到第一能级，形成拉姆齐信号；所述激励腔上波导用于屏蔽激励腔内的微波场，以防止激励腔内的微波场泄漏至顶端原子上抛区；所述顶端原子上抛区用于为从激励腔上波导上升然后下落的原子提供运行通道；

所述选态腔的底部与选态腔下波导的上端、或选态腔的顶部与连接端波导的下端之间，以可拆卸式机构连接，以便调整所述选态腔下波导的上端与所述连接端波导的下端之间的距离，从而调整选态腔内微波场的谐振频率；所述激励腔的底部与连接端波导的上端、或激励腔的顶部与激励腔上波导的下端之间，以可拆卸式机构连接，以便调整所述连接端波导的上端与激励腔上波导的下端之间的距离，从而调整激励腔内微波场的谐振频率。

优选地，所述选态腔的侧壁均匀设置有1～4个矩形波导，用于将外部的微波源发出的微波馈入选态腔，在选态腔内部产生第一微波场。

作为进一步优选地，所述矩形波导内侧的中心设置有磁耦合孔，外侧与所述磁耦合孔相对处设置有探针，所述选态腔与矩形波导之间以磁耦合孔相连；所述探针用于将外部微波源发出的微波馈入矩形波导，所述磁耦合孔用于将矩形波导中的微波馈入选态腔。

优选地，所述激励腔的侧壁设置有4个轴向对称的矩形波导，用于将外部的微波源发出的微波引入激励腔，在激励腔内部产生第二微波场。

作为进一步优选地，所述矩形波导内侧的中心设置有磁耦合孔对，所述磁耦合孔对由两个对称设置的磁耦合孔组成，所述矩形波导外侧的中心设置有探针，所述激励腔与矩形波导之间以磁耦合孔相连；所述探针用于将外部微波源发出的微波馈入矩形波导，所述磁耦合孔用于将矩形波导中的微波馈入激励腔。

作为更进一步优选的，所述磁耦合孔对由以所述激励腔在水平方向的垂直平分面对称设置的磁耦合孔组成，且间距为连接端波导的上端与激励腔上波导的下端间距的2/3；可以补偿此处由于并非理想良导体制成的激励腔上波导吸收微波场的产生的微波损耗。

作为更进一步优选地，所述的磁耦合孔为圆形或缝隙形，圆形易加工且微波场的损耗小，缝隙形有利于匹配矩形波导与激励腔内的微波场或矩形波导与选态腔内的微波场。

优选地，所述连接端波导从底部至顶部包括第一截止波导以及第二截止波导，所述激励腔上波导从底部至顶部包括第二截止波导以及第一截止波导；所述第二截止波导的内径大于第一截止波导。

作为进一步优选地，所述第二截止波导与所述第一截止波导的内径比为3:2～2:1。

优选地，所述选态腔下波导的底部设置有法兰，用于与冷原子喷泉钟下方的真空系统连接。

优选地，所述选态腔的内径大于所述选态腔下波导的上端以及所述连接端波导的下端的外径，所述激励腔的内径大于所述连接端波导的上端以及激励腔上波导的下端的外径；所述选态腔下波导、连接端波导以及激励腔上波导分别伸入激励腔和选态腔的部分，与激励腔和选态腔的内壁构成扼流环。

优选地，所述顶端原子上抛区的高度为80cm～100cm。

优选地，所述拆卸式连接机构包括周向设置的多个螺钉，以及设置于所述多个螺钉的内周的铟丝圈。

作为进一步优选地，所述铟丝圈的直径为0.7mm～1mm，所述多个螺钉为6个至12个。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有下列有益效果：

1、本发明通过将微波腔整体密封为冷原子喷泉钟上真空系统，使冷原子喷泉钟的上真空系统体积减小为原有体积的1/3～1/2，从而减小冷原子喷泉钟真空系统的体积，降低冷原子喷泉钟真空环境制备和维持的难度，同时利用拆卸式连接机构连接选态腔与激励腔，使得微波腔修调非常方便。

2、在激励腔上波导设置密封的顶端原子上抛区，顶端原子上抛区的内径小于激励腔上波导的外径，以防止微波场的泄露，从而降低冷原子喷泉钟分布腔相移和消除微波泄漏频移。

3、在激励腔采用四个矩形波导的基础上，利用耦合孔对以及探针将外部微波源输出的微波，从矩形波导馈入至激励腔，通过补偿微波场在激励腔上波导的原子通道壁上的损耗，可以减小激励腔内轴向的微波场空间相位变化。

附图说明

图1是本发明微波腔的总体结构剖视图；

图2是本发明微波腔A-A处的剖视图；

图3是本发明微波腔B-B处的剖视图；

图4是本发明微波腔利用拆卸式连接机构的连接示意图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：10-选态腔下波导，11-法兰，12-固定环，20-选态腔，30-连接端波导，31-连接端波导的第二截止波导，32-连接端波导第一截止波导，40-激励腔，50-激励腔上波导，51-激励腔上波导的第二截止波导，52-激励腔上波导的第一截止波导，60-顶端原子上抛区，71-矩形波导，72-磁耦合孔，73-半刚电缆探针，8-扼流环，91-铟丝圈，92-螺钉。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供了一种可充当真空腔体的冷原子喷泉钟微波腔，从底部至顶部依次包括选态腔下波导10、选态腔20、连接端波导30、激励腔40、激励腔上波导50、以及顶端原子上抛区60等部件；其中，所述顶端原子上抛区60的上端密封，所述选态腔下波导10、选态腔20、连接端波导30、激励腔40、激励腔上波导50以及顶端原子上抛区60的内部贯通，所述选态腔下波导10的下端用于与冷原子喷泉钟的下真空系统连接，使得选态腔下波导10、选态腔20、连接端波导30、激励腔40、激励腔上波导50以及顶端原子上抛区60同轴连接成为上真空系统，所述上真空系统与冷原子喷泉钟的下真空系统共同形成真空的原子通道；包括顶端原子上抛区60在内，所述微波腔整体为无氧铜等金属结构，以屏蔽微波腔内外的微波场；顶端原子上抛区60的管壁可以防止微波场的泄露，同时使得顶端原子上抛区60的温度保持均匀。

其中，选态腔用于通过第一微波场，将处于目标子能级的原子激发至第一能级，例如对于铯原子钟而言，第一能级为F＝3，目标子能级为m_F＝0；所述连接端波导30用于通过外部的激光，将处于非目标子能级的原子推离；所述激励腔40用于通过其内部的第二微波场，使得在上升阶段的一半原子从第一能级转换为第二能级，在下落阶段的第二能级的一半原子从第二能级转换为第一能级，第一能级的一半原子从第一能级转换为第二能级，形成拉姆齐信号；例如对于铯原子钟而言，第二能级为F＝4；所述顶端原子上抛区60的高度通常为80cm～100cm，用于为从激励腔上波导50上升然后下落的原子提供运行通道。

而选态腔下波导10、连接端波导30以及激励腔上波导50均为屏蔽结构，其作用为屏蔽选态腔20和/或激励腔40的微波场；其中，所述连接端波导30从底部至顶部包括第一截止波导以及第二截止波导，所述激励腔上波导50从底部至顶部包括第二截止波导以及第一截止波导；所述第二截止波导的内径大于第一截止波导，两者的内径比可为3:2～2:1；屏蔽结构划分为两个内径不同的部分，可实现微波场的逐步衰减的基础上，满足原子通道的直径逐渐与激励腔40的内径相适应。

选态腔下波导10的上端伸入选态腔20的底部，且其上端的内径小于选态腔20的内径，从而使其上端与选态腔20的内壁形成深度为1/4微波波长、宽度为0.5mm的扼流环8，由于该扼流环的存在，切断了选态腔下波导10的上端与选态腔20的内部之间的壁电流通路，从而避免产生模式为TM₁₁₁的微波，从而干扰其微波信号；选态腔下波导10靠近其上端处的周向上设置有固定环12，该固定环12的宽度与选态腔20腔壁的厚度相同，选态腔20的腔壁的下端与固定环12的上端通过拆卸式连接机构相连；拆卸式连接机构包括周向设置的多个螺钉92以及铟丝圈91；所述多个螺钉92为6个至12个，如图3上的拆卸式连接机构具有8个螺钉92，铟丝圈91的直径为0.7mm～1mm，设置于多个螺钉92的内周，可以起到缓冲作用，以保证所述微波腔整体为密封结构。而选态腔20的顶部与连接端波导30的下端、激励腔40的底部与连接端波导30的上端以及或激励腔40的顶部与激励腔上波导50的下端，均采用与上述选态腔下波导10的上端与选态腔20的底部相似的连接方式；由于微波场的频率需与冷原子喷泉钟的原子类型相匹配(如铯原子的频率为9.1926GHz)，而微波腔的高度(即选态腔下波导10的上端与连接端波导30的下端的间距、或激励腔上波导50的下端与连接端波导30的上端的间距)与微波场的频率呈负相关，设置这四处拆卸式连接机构，可方便通过打磨，从而改变微波腔的高度；例如需要增加选态腔的高度时，可通过打磨选态腔下波导10的上端或连接端波导30的下端，需要减少选态腔20的高度时，可通过打磨选态腔20的顶部与连接端波导30的下端的相连处。

而该微波腔的其它部件之间可焊接，也可同样利用拆卸式连接机构相连，以保证该微波腔整体为密封结构。

图2为附图1在A-A处从上至下观察的剖面图。从附图2可以看到激励腔40，矩形波导71，半刚电缆探针73，第一截止波导32，第二截止波导31，扼流环8。激励腔40为圆柱形TE₀₁₁模微波腔；第一截止波导32、第二截止波导31和激励腔40同轴心；所述激励腔40的侧壁设置有4个轴向对称的矩形波导71，用于将外部的微波源发出的微波引入激励腔40，在激励腔内部40产生第二微波场；所述矩形波导71内侧的中心设置有磁耦合孔对；如图2所示，所述磁耦合孔对由以所述激励腔40在水平方向的垂直平分面对称设置的磁耦合孔72组成，所述矩形波导71外侧的中心设置有半刚电缆制备的探针73，所述激励腔40与矩形波导71之间以磁耦合孔72相连；所述探针73用于将外部微波源发出的微波馈入矩形波导71；以微波腔的材料为无氧铜为例，磁耦合孔对的间距为连接端波导30的上端与激励腔上波导50的下端间距的2/3，用于将矩形波导71中的微波馈入激励腔40，同时减少由于模式为TE₀₁₃的微波场指向激励腔40的腔壁而造成的吸收损耗。

附图3是附图1在B-B处从上至下观察的剖面图。从附图3可以看到选态腔20，矩形波导71，半刚电缆制备的探针73，选态腔下波导10，磁耦合孔72，扼流环8，该图显示本实施例中选态腔采用一个矩形波导71，所述矩形波导71内侧的中心设置有磁耦合孔72，所述矩形波导71外侧与所述磁耦合孔72相对处设置有半刚电缆制备的探针73，其作用与其在激励腔40中的作用相同。

选态腔下波导10的底部设置有法兰11，用于与冷原子喷泉钟下方的真空系统连接。

以铯原子为例，说明包括本发明的微波腔的冷原子喷泉钟的工作过程如下：

S1.能级为F＝4，且子能级m_F不同的铯原子从下真空系统上升，经过选态腔下波导，到达选态腔；

S2.通过选态腔20内具有第一功率的第一微波场，能级为F＝4，m_F＝0的铯原子发生能级跃迁，转变为F＝3，m_F＝0的铯原子，而F＝4，m_F≠0的铯原子不发生能级跃迁；

S3.铯原子继续上升，经过连接端波导30时，将F＝4，m_F≠0的铯原子利用从下真空系统引入的向上的激光打掉，仅剩F＝3，m_F＝0能级的铯原子；

S4.F＝3，m_F＝0能级的铯原子通过激励腔40内具有第二功率的第二微波场，一半的铯原子转变为F＝4，m_F＝0的铯原子；到此，一半的铯原子处于F＝4，m_F＝0能级，一半的铯原子处于F＝3，m_F＝0能级；

S5.铯原子继续上升，到达顶端原子上抛区60的顶端后下落，再次经过激励腔40；其中，处于F＝4，m_F＝0能级的铯原子中的一半转换为F＝3，m_F＝0的铯原子，而处于F＝3，m_F＝0能级的铯原子中的一半转换为F＝4，m_F＝0的铯原子；

S6.位于微波腔下方的探测区分别探测F＝4，m_F＝0和F＝3，m_F＝0能级的原子布居数，获得拉姆齐信号。

本发明针对目前应用于冷原子喷泉钟的微波腔内微波场轴向空间相位梯度较大的问题，在冷原子喷泉钟激励腔采用四个矩形波导的基础上，提出并实现在每个矩形波导与激励腔之间采用磁耦合孔对耦合微波的方式，可以进一步减小激励腔内微波场空间相位梯度，降低冷原子喷泉钟分布腔相移效应。将激励腔和选态腔连接为一体结构并设计顶端原子上抛区，可以完全消除微波泄漏效应。同时通过拆卸式连接机构将整个微波腔密封为冷原子喷泉钟上真空系统，使冷原子喷泉钟的上真空系统的容积减小至原有的1/3～1/2，降低冷原子喷泉钟真空环境制备和维持的难度，同时微波腔修正调试非常方便，适用于研制小型化的冷原子喷泉钟。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种冷原子喷泉钟的微波腔，其特征在于，所述微波腔从底部至顶部包括同轴设置的选态腔下波导(10)、选态腔(20)、连接端波导(30)、激励腔(40)、激励腔上波导(50)以及顶端原子上抛区(60)；

所述选态腔下波导(10)的上端伸入所述选态腔(20)的底部并与所述选态腔(20)的底部连接，所述连接端波导(30)的下端伸入所述选态腔(20)的顶部并与所述选态腔(20)的顶部连接，所述连接端波导(30)的上端伸入所述激励腔(40)的底部并与所述激励腔(40)的底部连接，所述激励腔上波导(50)的下端伸入所述激励腔(40)的顶部并与所述激励腔(40)的顶部连接；所述顶端原子上抛区(60)的内径大于所述激励腔上波导(50)上部的内径，而小于所述激励腔上波导(50)上部的外径；

所述顶端原子上抛区(60)的上端密封，所述选态腔下波导(10)、选态腔(20)、连接端波导(30)、激励腔(40)、激励腔上波导(50)以及顶端原子上抛区(60)的内部贯通作为冷原子喷泉钟的上真空系统；

所述选态腔(20)的底部与选态腔下波导(10)的上端之间以可拆卸式机构连接，或选态腔(20)的顶部与连接端波导(30)的下端之间以可拆卸式机构连接；

所述激励腔(40)的底部与连接端波导(30)的上端之间以可拆卸式机构连接，或激励腔(40)的顶部与激励腔上波导(50)的下端之间以可拆卸式机构连接。

2.如权利要求1所述的微波腔，其特征在于，所述选态腔(20)的侧壁均匀设置有1～4个矩形波导(71)。

3.如权利要求1所述的微波腔，其特征在于，所述激励腔(40)的侧壁设置有4个轴向对称的矩形波导(71)。

4.如权利要求1所述的微波腔，其特征在于，所述连接端波导(30)从底部至顶部包括一个第一截止波导以及一个第二截止波导，所述激励腔上波导(50)从底部至顶部包括另一个第二截止波导以及另一个第一截止波导；所述第二截止波导的内径大于第一截止波导，所述第一截止波导为连接波导(30)包括的第一截止波导或激励腔上波导(50)包括的第一截止波导，所述第二截止波导为连接波导(30)包括的第二截止波导或激励腔上波导(50)包括的第二截止波导。

5.如权利要求4所述的微波腔，其特征在于，所述第二截止波导与所述第一截止波导的内径比为3:2～2:1。

6.如权利要求1所述的微波腔，其特征在于，所述选态腔下波导(10)的底部设置有法兰。

7.如权利要求1所述的微波腔，其特征在于，所述选态腔(20)的内径大于所述选态腔下波导(10)的上端以及所述连接端波导(30)的下端的外径，所述激励腔(40)的内径大于所述连接端波导(30)的上端以及激励腔上波导(50)的下端的外径；所述选态腔下波导(10)、连接端波导(30)以及激励腔上波导(50)分别伸入激励腔(40)和选态腔(20)的部分，与激励腔(40)和选态腔(20)的内壁构成扼流环。

8.如权利要求1所述的微波腔，其特征在于，所述顶端原子上抛区(60)的高度为80cm～100cm。

9.如权利要求1所述的微波腔，其特征在于，所述可拆卸式机构包括周向设置的多个螺钉(92)，以及设置于所述多个螺钉(92)的内周的铟丝圈(91)。

10.如权利要求9所述的微波腔，其特征在于，所述铟丝圈(91)的直径为0.7mm～1mm，所述多个螺钉(92)为6个至12个。