CN110504963A - 一种矩形原子频标微波腔 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种矩形原子频标微波腔，腔体包括腔筒，第一极片通过第一支柱和腔筒的内壁连接，第二极片通过第二支柱和腔筒的内壁连接；第一极片和第二极片相对设置，底座上端设有矩形沉孔且底座上端延伸至腔筒底部，矩形沉孔的孔底开设有矩形通孔，原子滤光泡的底端嵌入到矩形沉孔中，原子吸收泡位于第一极片与第二极片围成的空心域内，两个调谐螺杆分别延伸至第一极片的正上方，激励探针延伸至第二极片的正上方。本发明通过增加原子泡的宽度并减小原子泡的厚度，可以在确保原子数目不变的情形下减小微波腔的厚度；和超小型同轴腔相比，本发明的微波磁场模式为场型更优越的类TE011模式，更容易激励原子跃迁产生原子信号。
Description
技术领域
本发明涉及到原子频标技术领域，更具体涉及一种矩形原子频标微波腔，适用于超薄型小型化高性能铷原子频标。
背景技术
频标技术的飞速发展，使得原子频标作为一种更可靠的时钟频率源，逐步取代了传统的石英晶振，在数字通讯领域中发挥着重要作用。铷原子频标由于其体积小、重量轻、功耗低、可靠性高等特点，已成为目前应用最广泛的原子频标。随着信息产业的高速发展，现代数字通信系统需要更加准确而稳定的时间频率信号。铷原子频标由物理系统和电路系统两部分组成，其中微波谐振腔是铷原子频标物理系统的核心组成部分，在很大程度上影响着铷原子频标的体积和频率稳定度等性能。
目前原子频标微波腔主要有标准腔和非标准腔两类。标准腔主要包括TE011腔和TE111腔两种，这两类微波腔体积较大，不利于原子频标的小型化。非标准腔可以有效减小体积，主要包括磁控管腔、开槽管腔、同轴TEM腔和介质填充腔。磁控管腔由文献G.Mileti， I.Ruedi and H.Schweda，Proc.7th EFTF，515(1992)描述，开槽管腔由文献GanghuaMei, Miniatured microwave cavity for atomic frequencystandard.US Patent:6225870B1, 2001描述，这两类微波腔的核心结构是圆弧形的金属极片和极片间的窄槽，该结构激励得到微波磁场场型为类TE011模式，非常利于激发原子产生钟跃迁信号，适用于高性能铷原子频标的研制，但这类微波腔使用圆柱形原子泡，微波腔的有效体积比（原子泡体积与微波腔体积之比）太小，使用此类微波腔研制超薄型铷原子钟时，必需以减小原子泡体积为代价，从而引起了原子泡内原子数目的减少，进而减小了原子信号，所以此类微波腔不适合于超薄型铷原子频标的研制。同轴TEM腔由文献J.邓,超小型微波腔,CN1452798A,2003描述，典型的介质填充腔由文献H. E. Williams,Compact Rectangular Cavity for Rubidium Vapor Cell Frequency Standards.37th Annual Symposium on Frequency Control (1983)描述，这两种腔的有效体积比较大，适合于研制超薄型铷原子频标，但是同轴TEM腔工作时的微波磁场为TEM模式，介质填充腔工作时微波磁场为TE111模式，这两种微波磁场模式均不利于激发原子产生钟跃迁信号，不适于高性能铷原子频标的研制。
发明内容
本发明的目的针对现有技术存在的上述问题，提供了一种矩形原子频标微波腔，体积小巧、结构简单、工作时微波磁场模式为类TE011模式，可用于研制生产超薄型高性能铷原子频标。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种矩形原子频标微波腔，包含腔体，其特征在于，腔体包括腔筒，第一极片通过第一支柱和腔筒的内壁连接，第二极片通过第二支柱和腔筒的内壁连接；第一极片和第二极片相对设置，
底座上端设有矩形沉孔且底座上端延伸至腔筒底部，矩形沉孔的孔底开设有矩形通孔，原子滤光泡的底端嵌入到矩形沉孔中，原子吸收泡位于第一极片与第二极片围成的空心域内，原子吸收泡的下端面和原子滤光泡的上端面相对，
端盖与原子吸收泡相对的端面上设置有光电探测器，
两个调谐螺杆分别固定于腔筒侧壁的第一螺纹孔和第二螺纹孔内，并分别延伸至第一极片的正上方，
激励探针安装在腔体侧壁的探针通孔内，其一端延伸至第二极片的正上方。
如上所述的第一支柱和第二支柱对称设置在腔筒的内壁，腔筒、第一支柱、第二支柱、第一极片和第二极片一体化连接。
如上所述的原子滤光泡的底端与矩形沉孔之间填充有导热硅胶，原子吸收泡与第一极片之间填充有导热硅胶，原子吸收泡与第二极片之间填充有导热硅胶。
如上所述的矩形通孔的底端外沿设置有圆形沉孔。
如上所述的原子吸收泡为立方体，原子吸收泡的四个侧面中，其中一对相对的侧面的面积大于另一对相对的侧面的面积，第一极片和第二极片均为与原子吸收泡外形适配的U形结构,第一极片和第二极片分别框设在原子吸收泡面积较大的一对侧面。
本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：
与现有技术相比，本发明更加适用于超薄高性能铷原子频标的研制。主要体现在和磁控管腔和开槽管腔相比，本发明可使用长方体的原子泡作吸收泡，通过增加原子泡的宽度并减小原子泡的厚度，可以在确保原子数目不变的情形下减小微波腔的厚度；和超小型同轴腔相比，本发明的微波磁场模式为场型更优越的类TE011模式，更容易激励原子跃迁产生原子信号。如此就实现了保持较高的原子信号强度并减小了微波腔的高度，从而适用于超薄型高性能铷原子频标的研制。
附图说明
图1是图2中的A-A剖面示意图；
图2是本发明的俯视内部示意图；
图3是图4中的B-B剖面示意图；
图4是腔筒内的俯视示意图；
图5是图4中的C-C剖面示意图；
图6是底座的仰视示意图；
图7是图6中的D-D剖面示意图；
图8是对应图1剖面的微波磁场分布示意图；
图9是对应图5剖面的微波磁场分布示意图。
其中：1-底座；1h1-圆形沉孔；1h2-矩形通孔；1h3-矩形沉孔；2-腔体；2a-腔筒；2b-第一极片；2c-第二极片；2d-第二支柱；2e-第一支柱；2f-第一螺纹孔；2g-第二螺纹孔；2h-探针通孔；3-端盖；4-光电探测器；5-调谐螺杆；6-激励探针；7-原子吸收泡；8-原子滤光泡；2s1-第一内壁；2S2-第二内壁；1h1-圆形沉孔；1h2-矩形通孔；1h3-矩形沉孔。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
根据图1-7所述，一种矩形原子频标微波腔，包含腔体2，腔体2包括腔筒2a，第一极片2b通过第一支柱2e和腔筒2a的内壁连接，第二极片2c通过第二支柱2d和腔筒2a的内壁连接；第一极片2b和第二极片2c相对设置，
底座1上端设有矩形沉孔1h3且底座1上端延伸至腔筒2a底部，矩形沉孔1h3的孔底开设有矩形通孔1h2，原子滤光泡8的底端嵌入到矩形沉孔1h3中，原子吸收泡7位于第一极片2b与第二极片2c围成的空心域内，原子吸收泡7的下端面和原子滤光泡8的上端面相对，
端盖3与原子吸收泡7相对的端面上设置有光电探测器4，
两个调谐螺杆5分别固定于腔筒2a侧壁的第一螺纹孔2f和第二螺纹孔2g内，并分别延伸至第一极片2b的正上方，
激励探针6安装在腔体2侧壁的探针通孔2h内，其一端延伸至第二极片2c的正上方。
第一支柱2e和第二支柱2d对称设置在腔筒2a的内壁，腔筒2a、第一支柱2e、第二支柱2d、第一极片2b和第二极片2c一体化连接。
原子滤光泡8的底端与矩形沉孔1h3之间填充有导热硅胶，原子吸收泡7与第一极片2b之间填充有导热硅胶，原子吸收泡7与第二极片2c之间填充有导热硅胶。
矩形通孔1h2的底端外沿设置有圆形沉孔1h1。
原子吸收泡7为立方体，原子吸收泡7的四个侧面中，其中一对相对的侧面的面积大于另一对相对的侧面的面积，第一极片2b和第二极片2c均为与原子吸收泡7外形适配的U形结构,第一极片2b和第二极片2c分别框设在原子吸收泡7面积较大的一对侧面。
腔体2包括连成一体的腔筒2a、第一支柱2e、第二支柱2d、第一极片2b和第二极片2c。第一极片2b和第二极片2c均为U形结构，第一极片2b通过第一支柱2e和腔筒2a的第一内壁2s1相连，第二极片2c通过第二支柱2d和腔筒2a的第二内壁2s2相连；第一内壁2s1和第二内壁2s2为腔筒2a内部相对的两个侧壁。
如图1所示，底座1下端设有一个圆形沉孔1h1和一个矩形通孔1h2，上端设有矩形沉孔1h3，充有金属85Rb和缓冲气体（Ar、N2气等）的原子滤光泡8密配合插入底座1上端的矩形沉孔1h3内，并通过导热良好的硅胶粘接在该矩形沉孔的内表面。如图1所示，底座1和原子滤光泡8构成的整体从腔体下端插入腔筒2a内，两个无磁金属螺钉穿过底座1和腔筒2a的下端面固定。充有金属87Rb和适量缓冲气体的原子吸收泡7从腔筒2a上端密配合插入图2所示腔体2的第一极片2b与第二极片2c围成的空心域内，并通过导热性能良好的硅胶粘接在第一极片2b和第二极片2c的内壁。原子吸收泡7的下端面和原子滤光泡8的上端面相对。端盖3通过两个无磁螺钉固定于腔筒2a上端面。端盖3与原子吸收泡7相对的端面上设有凹槽，该凹槽内安装光电探测器4。两个调谐螺杆5分别固定于腔体2侧壁的第二螺纹孔2g和第一螺纹孔2f内，并延伸至第一极片2b的正上方，通过旋进和旋出而改变其在腔体2的腔内部分的长度，以调节微波腔的谐振频率。激励探针6安装在腔体2侧壁的探针通孔2h内，其一端延伸至第二极片2c的正上方。底座1、腔体2可采用无磁的铝合金或黄铜制作，端盖3的材质可以为无磁的铝合金、黄铜或单面覆铜的RF4板材等，光电探测器4可采用光电池，调谐螺杆5可选用细牙铜螺钉或聚苯乙烯螺钉制得，激励探针6可由一定长度的涂覆一层绝缘非金属薄膜的铜棒或聚酰亚胺漆包线制得。
根据图8和图9可知，本发明微波腔内微波磁场分布类似为TE011模式，在原子吸收泡7所在区域内，微波磁力线平行度高，微波磁场强度均匀性高。由量子力学基本原理可知，该微波磁场模式非常适合激励铷原子发生钟跃迁（0-0磁偶极跃迁），并获得很高信噪比的原子鉴频信号，进而有利于高性能铷原子频标的研制。
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)
1.一种矩形原子频标微波腔，包含腔体（2），其特征在于，腔体（2）包括腔筒（2a），第一极片（2b）通过第一支柱（2e）和腔筒（2a）的内壁连接，第二极片（2c）通过第二支柱（2d）和腔筒（2a）的内壁连接；第一极片（2b）和第二极片（2c）相对设置，
底座（1）上端设有矩形沉孔（1h3）且底座（1）上端延伸至腔筒（2a）底部，矩形沉孔（1h3）的孔底开设有矩形通孔（1h2），原子滤光泡（8）的底端嵌入到矩形沉孔（1h3）中，原子吸收泡（7）位于第一极片（2b）与第二极片（2c）围成的空心域内，原子吸收泡（7）的下端面和原子滤光泡（8）的上端面相对，
端盖（3）与原子吸收泡（7）相对的端面上设置有光电探测器（4），
两个调谐螺杆（5）分别固定于腔筒（2a）侧壁的第一螺纹孔（2f）和第二螺纹孔（2g）内，并分别延伸至第一极片（2b）的正上方，
激励探针（6）安装在腔体（2）侧壁的探针通孔（2h）内，其一端延伸至第二极片（2c）的正上方。
2.根据权利要求1所述的一种矩形原子频标微波腔，其特征在于，所述的第一支柱（2e）和第二支柱（2d）对称设置在腔筒（2a）的内壁，腔筒（2a）、第一支柱（2e）、第二支柱（2d）、第一极片（2b）和第二极片（2c）一体化连接。
3.根据权利要求1所述的一种矩形原子频标微波腔，其特征在于，所述的原子滤光泡（8）的底端与矩形沉孔（1h3）之间填充有导热硅胶，原子吸收泡（7）与第一极片（2b）之间填充有导热硅胶，原子吸收泡（7）与第二极片（2c）之间填充有导热硅胶。
4.根据权利要求1所述的一种矩形原子频标微波腔，其特征在于，所述的矩形通孔（1h2）的底端外沿设置有圆形沉孔（1h1）。
5.根据权利要求1所述的一种矩形原子频标微波腔，其特征在于，所述的原子吸收泡（7）为立方体，原子吸收泡（7）的四个侧面中，其中一对相对的侧面的面积大于另一对相对的侧面的面积，第一极片（2b）和第二极片（2c）均为与原子吸收泡（7）外形适配的U形结构,第一极片（2b）和第二极片（2c）分别框设在原子吸收泡（7）面积较大的一对侧面。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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