CN108667454B - 一种高均匀度低温度系数腔泡系统 - Google Patents

一种高均匀度低温度系数腔泡系统 Download PDF

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Abstract

一种高均匀度低温度系数腔泡系统，包括外保温隔热层、外磁屏蔽筒、中保温隔热层、外加热筒、中磁屏蔽筒、内保温隔热层、内加热筒、内磁屏蔽筒、C场线圈、微波谐振腔，该系统两端设置有入射和出射通光孔；铷泡充有合适比例的缓冲气体来减小温度起伏的影响；采用新型微波腔，微波腔体内部设置有铷泡和两个介质圆片，与TE011模式相比，轴向磁场均匀度高，且轴向尺寸对谐振频率影响大大减小，因而降低了温度对腔频的影响；微波腔的前后端盖可以安装偏振片、聚焦透镜，以及通过对介质片不同镀膜，可以用于原子钟的光探测或者偏振光探测；该腔泡系统具有轴向磁场均匀度高、温度系数低、腔Q值高的特点，可以提高铷原子钟的短期和中长期稳定度。

Description

一种高均匀度低温度系数腔泡系统
技术领域
本发明属于原子频标技术领域，具体涉及到一种高均匀度低温度系数腔泡系统。
背景技术
原子频标(又称原子钟)是提供标准频率和时间的设备，铷原子钟因其具有体积小、重量轻、功耗低的特点，而成为目前应用最广泛的原子频标。铷原子频标可以概括地分为电路部分和物理部分，物理部分为整机的核心器件，其性能决定着铷原子频标的频率稳定度。
铷原子频标采用基态超精细能级(F＝2,mF＝0→F＝1,mF＝0)的跃迁作为钟跃迁频率，其中微波腔是微波场与铷原子相互作用的场所，谐振腔的特性和结构，将会影响铷原子频标的稳定度和准确度。
微波腔的设计需要考虑以下几个因素：1)谐振频率可以调谐至铷原子超精细能级跃迁频率6.834682GHz；2)微波腔产生的电磁场的磁场方向应该平行于轴向，而且在共振作用区——吸收泡内的磁场比较强，且越均匀越好，可以减小微波场引起的σ跃迁；3)具有合适的Q值，如果用于微波探测希望Q值越高越好，用于光探测时，要求Q值适当即可；4)机械加工简单，力学稳定性好，可重复性强；5)其温度系数越小越好，腔的谐振频率取决于微波腔的形状、尺寸、谐振模式等因素，当环境温度变化时，引起腔的尺寸相应的变化，其谐振频率偏离原子跃迁频率，从而导致原子频标的输出频率不稳定。
目前铷原子频标使用的微波腔主要有：圆柱形TE011微波腔、圆柱形TE111微波腔、开槽管腔和磁控管腔。圆柱形TE011微波腔的Q值较大，在中心作用区即原子吸收泡的位置，微波场的强度最强，具有较大的方向因子和填充因子，但是铷泡的体积受限，只能放置的中心区域，不便于固定。圆柱形TE111微波腔[铷原子频标TE111微波腔的仿真分析及实验，彭正琴涂建辉翟浩崔敬忠，宇航计测技术，2008年6月，第28卷第3期，26-30；一种小型化铷原子频标TE111微波腔研究，涂建辉翟浩彭正琴崔敬忠，宇航技测技术，2009年10月，第29卷，第5期，9-11]：圆柱形TE111微波腔的体积是圆柱形TE011微波腔的一半，但是TE111微波腔内的磁场在圆柱腔的边缘处较强，而且是一个方向相反的磁场，因此泡的方向因子太小，且该腔的Q值很低，只有几百，不能用于微波探测。开槽管微波腔[专利号：98121645.5；一种小型化铷原子频标腔泡系统及其频移特性，夏白桦，钟达，安绍锋，梅刚华，计量学报，2005年4月，26卷第2期，p.163-166；Characteristics of a Novel Kind of MiniaturizedCavity-cell Assembly for Rubidium Frequency Standards,Baihua Xia,Da Zhong,Shaofeng An,and Ganghua Mei,IEEE Transactions on instrumentation andmeasurement,Vol.55,No.3,2006]：开槽管是在一个圆筒上等间距地开有若干个等宽度槽的管状结构，下部则是腔的底盖。这样设计的直接好处是开槽管的几何参数容易固定，机械加工简单，易于安装。这种腔的轴向磁场比较均匀，铷泡在开槽管的内部，但是腔的Q值只有几百，温度系数与TE011模式微波腔相当，且泡的体积较小。磁控管微波腔[A Kind ofmagnetron cavity used in rubidium atomic frequency standards,Yang Shuiyu,Cuijingzhong,TuJianhui,and Liang Yaoting,Journal of Semiconductors,Vol.32,No.12,2011；Compact microwave cavity for high performance rubidium frequencystandards,C.Stefanucci and G.Mileti,Review of Scientific Instruments 83,104706,2012]：该微波腔腔体由一次加工而成，力学稳定性极好，但加工精度要求较高，表面抛光较为困难，要获得高的Q值成本较高，同样腔的Q值在500-1000之间，且泡的体积小，微波腔的填充因子较小为TE011模式的一半。以上这几种腔的共同点是微波腔的温度系数较大，虽然可以通过在微波腔内部填充介质的方式来减小微波腔的温度系数，但是重复加工难度较大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足,提供一种设计合理、结构简单、微波谐振腔具有较大的Q值、在轴向的磁场非常均匀、具有较大填充因子和方向因子、腔谐振频率对微波腔的轴向尺寸不敏感的高均匀度低温度系数腔泡系统。
解决上述技术问题采用的技术方案是：
该高均匀度低温度系数腔泡系统从外到内依次为：外保温隔热层、外磁屏蔽筒、中保温隔热层、外加热筒、中磁屏蔽筒、内保温隔热层、内加热筒、内磁屏蔽筒、C场线圈、微波腔和铷泡。所述铷泡放置在微波腔内，微波腔泡系统的结构如图1。
所述的磁屏蔽筒，为坡莫合金，共三层，用于屏蔽外界地磁场和其他电路磁场对铷原子钟的影响，在磁屏蔽筒的横截面上开有Φ20mm的通光孔，实现光与原子相互作用，在后端面上开有透射光孔，用探测器探测原子钟信号，也可以直接将探测器放置在磁屏蔽筒内部。
所述的保温层，为聚氨酯、聚苯硫醚或者包有反射锡膜的保温材料，包裹在加热筒的外面，对物理装置进行保温隔热。
所述的加热筒，为铝筒上面绕有双绞的电阻加热丝，通过控制加热丝的电流对整个物理装置进行加热，采用双绞线可以尽可能的消除加热电流产生的剩余磁场，在加热筒的合适位置放置有热敏电阻，测量加热筒的温度。
所述的静磁场线圈(C场)围绕在微波腔外面的铝筒或者直接缠绕在微波腔上，采用长直螺旋结构在中心轴向实现均匀弱静磁场，作为铷原子的量子化轴，实现铷原子基态的塞曼分裂，便于激发铷原子的钟跃迁频率。
所述微波谐振腔为圆柱形，其轴向磁场为均匀的类TE011模式微波场，所述微波谐振腔内中间放置有铷泡，与轴向的微波场、静磁场(C场)和激光相互作用，获得钟跃迁信号。
所述的铷泡充有惰性气体，选择氩气和氮气作为缓冲气体，减小铷原子与泡壁以及铷原子之间的相互碰撞，增强铷原子的相干时间；同时压窄钟跃迁信号的多普勒展宽；当氩气和氮气的比例为合适值时，铷原子的基态跃迁频率与温度的一阶系数为0，降低了铷钟对环境温度的敏感性。
所述微波谐振腔的内部两端放置有的介质圆片，介质圆片的直径等于微波谐振腔的内径，当介质圆片的厚度d为一定值时，TE011模式的微波谐振腔的轴向磁场变为均匀的磁场，而且谐振频率只与微波腔的半径有关，理论上与微波腔的轴向尺寸没有关系，因而该类型的微波谐振腔的温度系数大大降低。
所述的微波谐振腔内放置的圆片，可以采用石英或者高硼硅玻璃等透光的介质，允许激光或者铷泵浦灯的光入射到微波腔内与铷原子相互作用；且石英片或者高硼硅玻璃的介电损耗比较小，对腔的Q值影响较小，该类TE011模式的微波谐振腔的Q值理论上可以达到20000多，因此可以同时用于微波探测或者光探测。
所述微波腔的两个端盖，通过螺丝固定到微波腔的腔体上。所述微波腔的腔体上安装天线和调谐螺丝，该类TE011微波谐振腔的微波场具有轴对称性且轴向均匀，因此天线和调谐螺丝位置影响不大，天线可以是环形天线或者探针天线，采用磁耦合或者电耦合，将微波信号注入到微波腔内。
微波腔的两个端盖上都开有通光孔，前端盖的通光孔允许光进入微波腔内部与铷原子相互作用；后端盖的通光孔，允许对透射光进行探测，同时在后端盖上安装有聚焦透镜，将与原子相互作用后的透射光聚焦到探测光电二极管，增加原子跃迁信号的强度；在前后端盖的通光孔上，可以安装偏振片，实现铷原子钟的偏振光探测方案。
所述的调谐螺丝位于微波腔的腔体上，用于对微波腔的谐振频率进行微调，调谐螺丝可以为无氧铜等无磁金属，或者介质棒，取决于腔谐振频率相对于原子跃迁频率的失谐方向。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明的微波谐振腔，轴向磁场均匀，增强了磁场与原子的相互作用，提高了微波腔的填充因子和方向因子，可以提高铷原子钟的信噪比。
2、本发明的微波谐振腔，其谐振频率理论上只与微波腔的半径有关，而与微波腔的轴向长度无关，因此，由温度波动引起的由微波腔尺寸改变导致的腔牵引频移大大减小，可以提高铷原子钟的中长期稳定度。
3、本发明的微波谐振腔，Q值理论上可以达到20000多，因此可以同时用于微波探测或者光探测。
4、本发明采用5～10mm厚度的介质圆片，且介质圆片采用石英或者高硼硅玻璃等光学材料，在微波腔内表面镀反射膜，在光探测方案中可以增强探测光的强度，提高铷原子钟的信噪比。
5、本发明的铷泡充有缓冲气体，系统含有三层保温隔热层，减小外界环境温度起伏对铷原子钟的影响。
附图说明
图1是本发明一个实施例的结构示意图。
图2是图1中微波谐振腔的结构示意图。
图3微波谐振腔的轴向磁场矢量分布图。
图4是TE011模式微波谐振腔和含石英片的微波谐振腔的轴向磁场强度对比图。
图中：1、外保温隔热层；2、外磁屏蔽筒；3、中保温隔热层；4、外加热筒；5、中磁屏蔽筒；6、内保温隔热层；7、内加热筒；8、内磁屏蔽筒；9、探测器；10、C场线圈；11、微波谐振腔；11-1、前端盖；11-2、第一介质圆片；11-3、微波腔体；11-4、铷泡；11-5、微波耦合天线；11-6、调谐螺丝；11-7、第二介质圆片；11-8、后端盖；11-9、聚焦透镜；a、入射通光孔；b、出射通光孔；c、微波腔入射通光孔；d、微波腔透射通光孔。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。
实施例1
在图1中，本发明一种高均匀度低温度系数腔泡系统，该系统从外到内依次为外保温隔热层1、外磁屏蔽筒2、中保温隔热层3、外加热筒4、中磁屏蔽筒5、内保温隔热层6、内加热筒7、内磁屏蔽筒8、探测器9、C场线圈10、微波谐振腔11。所述的保温隔热层为聚氨酯或者包有反射锡膜的保温材料，包裹在加热层的外面，对物理系统进行保温隔热；所述的加热筒为铝筒，筒壁上缠绕双绞的电阻加热丝，通过控制加热丝的电流对整个物理系统进行加热，采用双绞线可以尽可能的消除掉加热电流产生的剩余磁场；所述的C场线圈绕在微波谐振腔11的外壁，采用长直螺旋结构在中心轴向实现均匀弱静磁场，作为铷原子的量子化轴，实现铷原子基态的塞曼分裂，便于激发铷原子的钟跃迁频率；所述的磁屏蔽筒由坡莫合金制作而成用于屏蔽外界地磁场和其他电路磁场对铷原子的影响。
该系统的一端面设置有入射通光孔a、另一端面设置有出射通光孔b，所述的入射通光孔a、出射通光孔b的孔径为15mm，入射通光孔a允许激光或者铷泵浦灯的光入射到微波谐振腔内，与原子相互作用，该系统内部出射通光孔b一端设置有探测器9，与铷原子相互作用后携带有原子跃迁信息的透射光输出到探测器9进行探测。
在图2中，本实施例的微波谐振腔由前端盖11-1、第一介质圆片11-2、微波腔体11-3、调谐螺丝11-4、微波耦合天线11-5、铷泡11-6、第二介质圆片11-7、后端盖11-8、聚焦透镜11-9连接构成。本实施例的微波腔体11-3为圆柱形结构，微波腔体11-3轴向磁场为均匀的TE011模式微波场，微波腔体11-3内部设置有铷泡11-6，所述的铷泡11-6内充有1:1.6的氩气和氮气作为缓冲气体，压窄多普勒展宽，同时降低铷钟对环境温度的敏感性；微波腔体两端用螺纹紧固连接件固定连接安装有前端盖11-1和后端盖11-8，前端盖11-1和铷泡11-6之间设置有第一介质圆片11-2，后端盖11-8和铷泡11-6之间设置有第二介质圆片11-8，所述的第一介质圆片11-2和第二介质圆片11-8可以由任何绝缘介质制作，优选地由石英或者高硼硅玻璃制作，该材料损耗低、通光性好、减小其他模式的滋生，第一介质圆片11-2和第二介质圆片11-8的直径与微波腔体11-3的内径相同，厚度d为dp＝pc/[4fmn(∈r-1)1/2]，c是光速，fmn为微波腔的谐振频率，∈r为介质的磁感应系数，p为整数；优选地，第一介质圆片11-2和第二介质圆片11-8厚度d为dp＝1c/[4fmn(∈r-1)1/2]，对于铷原子钟的跃迁6.8G，介质片的厚度优选5～10mm；此时微波谐振腔11的轴向磁场变为均匀的磁场，且谐振频率只与微波腔体11-3的半径有关，因而该类型的微波谐振腔11的温度系数大大降低。
进一步的介质圆片11-2和11-8的前后两个面均镀有增透膜，利于泵浦光的透过。
前端盖11-1上加工有微波腔入射通光孔c，微波腔入射通光孔c允许光进入微波腔体11-3内部与铷原子相互作用，后端盖11-8上加工有微波腔透射进光孔d，与铷原子相互作用后携带有原子跃迁信息的透射光通过微波腔透射进光孔d输出到探测器9进行探测，所述的微波腔入射通光孔c和微波腔透射进光孔d孔径为10～20mm。后端盖11-8上安装有与微波腔透射进光孔d相适应的聚焦透镜11-9，聚焦透镜11-9将与铷原子作用后的透射光聚焦到探测器9，增加原子跃迁信号的强度。微波腔体11-3上安装有微波耦合天线11-5和调谐螺丝11-4，所述的微波耦合天线11-5为环形天线或者探针天线，优选环形天线，微波耦合天线11-5调谐好后用焊接到微波腔体上。调谐螺丝11-4用于对微波谐振腔11进行微调，调谐螺丝11-4由无磁材料制作，可以为无氧铜或者介质棒，取决于微波谐振腔11谐振频率相对原子跃迁频率的失谐方向，微波谐振腔11的谐振频率调谐好后，将调谐螺丝11-4用胶固定。
进一步地，所述的微波腔入射通光孔c和微波腔透射通光孔d上各安装有一个高消光比偏振片，两个偏振片的偏振轴垂直，可以实现铷原子钟的偏振光探测。
进一步地，在所述的微波腔介质圆片11-2和11-8的在面向微波腔内部面镀有高反射膜，可以用于光与原子相互作用增强实验。
本发明的工作原理如下：
对于两端有介质圆片的TE011模式微波谐振腔11，将微波谐振腔11的轴向作为Z轴，以微波谐振腔11的中心作为Z轴的起0点。在微波腔体11-3的横截面方向，即X、Y方向，所有的场随时间变化可以表示为e-iωt。在腔内TE模式的轴向磁场可以表示为：
Figure BDA0001631612020000071
Figure BDA0001631612020000072
其中，ψ1和ψ2满足以下微分方程：
Figure BDA0001631612020000073
在导体的表面满足边界条件
Figure BDA0001631612020000074
其中n表示表面法线方向，k1和k2表示微波腔内部和介质填充区的轴向量子数，γ表示横向或者轴向的波数。在
Figure BDA0001631612020000075
的场可以通过对称的方法求得，
Figure BDA0001631612020000076
表示拉普拉夫算子，常数γ与频率和轴向波数的关系可以用下面两个公式表示：
Figure BDA0001631612020000077
当k1＝0时，此时微波腔内介质填充区的Hz和Et与Z无关，且磁场的横向分量Ht＝0，这表示微波腔中间区域的微波场工作在截止频率处，就如同波导一样，如果没有介质圆片的存在，这种TE模式是不允许的。当k1＝0时，k2＝pπ/2d，其中p＝1,3,5……，此时谐振频率为：
Figure BDA0001631612020000078
方程式右边的p＝1,3,5……表示有厚度为dp的介质所产生的均匀场模式。每一个厚度d具有相同的频率。谐振频率与长度L无关，因为微波腔内的轴向磁场与Z无关。从方程(3)可以看出，产生均匀磁场的一系列介质圆片的厚度为
dp＝pc/[4fmn(∈r-1)1/2] (4)
其中，c＝(μ0ε0)-1/2表示光速，fmn＝ωmn/2π，介质的相对介电常数为∈r＝ε/ε0，当p＝1时，介质圆片的厚度为介质填充波导轴向波长的1/4。近似于自由空间中波长的1/4，但是除以因子(∈r-1)1/2，对于圆柱形微波腔，两端安装介质圆片后，微波腔的谐振频率为：
fmn＝cx′mn/(2πR) (5)
其中，x′mn为贝塞尔函数的根，R为微波腔的半径。此时在放置铷泡的中间部分即
Figure BDA0001631612020000081
微波场的表达式为：
Figure BDA0001631612020000082
依据上述理论，对本发明的内部轴向磁场均匀的微波谐振腔用进行了设计和模拟。图3为模拟的轴向的磁场矢量，从图中可以看出在中心区域，磁场的强度与Z轴无关，从而大大提高了磁场的均匀度。对TE011模式微波腔内的轴向磁场和本发明加载介质圆片后的微波谐振腔进行了定量比较，图4为TE011模式微波谐振腔与加载介质圆片的谐振腔轴向磁场强度的对比，TE011模式为三角函数，在微波腔的中心位置处，磁场最强；但是对于加载介质圆片后的TE011微波谐振腔，其轴向磁场几乎为一恒定值，且大于三角函数的最大值。
从上述理论和模拟看出，本发明的微波谐振腔轴向磁场均匀，且与腔的轴向尺寸无关，可以增强原子钟的信噪比，大大减小温度引起的腔牵引频移。此外采用石英或高硼硅玻璃作为介质圆片时，介电损耗比较小，对腔的Q值影响较小，该微波谐振腔的Q值理论上可以达到20000，可以同时用于微波探测或者光探测。

Claims (9)

1.一种高均匀度低温度系数腔泡系统，该系统从外到内依次为外保温隔热层、外磁屏蔽筒、中保温隔热层、外加热筒、中磁屏蔽筒、内保温隔热层、内加热筒、内磁屏蔽筒、C场线圈、探测器、微波谐振腔，该系统的一端面设置有入射通光孔、另一端面设置有出射通光孔，该系统内部出射通光孔一端设置有探测器，微波谐振腔为：微波腔体内部设置有铷泡，微波腔体两端设置有前端盖和后端盖，前端盖和铷泡之间设置有第一介质圆片，后端盖和铷泡之间设置有第二介质圆片，前端盖上设置有微波腔入射通光孔，后端盖上设置有微波腔透射通光孔，后端盖上设置有与微波腔透射通光孔相适应的聚焦透镜，微波腔体上设置有微波耦合天线和调谐螺丝，其特征在于：第一介质圆片和第二介质圆片的直径与微波腔体的内径相同，厚度d为dp＝pc/[4fmn(∈r-1)1/2]，c是光速，fmn为微波腔的谐振频率，∈r为介质的磁感应系数，p为整数。
2.根据权利要求1所述的一种高均匀度低温度系数腔泡系统，其特征在于：所述的微波腔体为圆柱形结构，微波腔体轴向磁场为均匀的TE011模式微波场。
3.根据权利要求1所述的一种高均匀度低温度系数腔泡系统，其特征在于：所述的第一介质圆片和第二介质圆片厚度d为dp＝1c/[4fmn(∈r-1)1/2]，c是光速，fmn为微波腔的谐振频率，∈r为介质的磁感应系数。
4.根据权利要求3所述的一种高均匀度低温度系数腔泡系统，其特征在于：所述的第一介质圆片和第二介质圆片由石英或者玻璃制作，厚度为5～10mm。
5.根据权利要求1所述的一种高均匀度低温度系数腔泡系统，其特征在于：所述的微波腔入射通光孔和微波腔透射进光孔上各安装有一个偏振片，两个偏振片的偏振轴垂直。
6.根据权利要求1所述的一种高均匀度低温度系数腔泡系统，其特征在于：所述的调谐螺丝由无磁材料制作。
7.根据权利要求1所述的一种高均匀度低温度系数腔泡系统，其特征在于：所述的微波耦合天线为环形天线或者探针天线。
8.根据权利要求1所述的一种高均匀度低温度系数腔泡系统，其特征在于：所述的入射通光孔、出射通光孔的孔径为10～20mm。
9.根据权利要求1所述的一种高均匀度低温度系数腔泡系统，其特征在于：所述的微波腔入射通光孔和微波腔透射进光孔孔径为10～20mm。
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