CN111245434B

CN111245434B - 一种用于高精度铷原子频标的腔泡系统

Info

Publication number: CN111245434B
Application number: CN202010068622.3A
Authority: CN
Inventors: 梅刚华; 王鹏飞; 赵峰; 明刚; 安绍锋; 王芳
Original assignee: Institute of Precision Measurement Science and Technology Innovation of CAS
Current assignee: Institute of Precision Measurement Science and Technology Innovation of CAS
Priority date: 2020-01-21
Filing date: 2020-01-21
Publication date: 2021-03-05
Anticipated expiration: 2040-01-21
Also published as: CN111245434A

Abstract

本发明公开了一种用于高精度铷原子频标的腔泡系统，包括磁屏筒，包括设置在磁屏筒内的开槽管，吸收泡和滤光泡分别粘接在开槽管内壁，吸收泡位于开槽管内极片围成区域，极片位于开槽管上部，透镜和带通滤光片通过硅橡胶分别粘接在光阑两侧的沉孔内，光阑固定在开槽管底部，腔筒套设在开槽管外部，C场支架通过硅橡胶粘接在腔筒外壁，加热丝绕制在加热线圈槽内，磁屏盖盖设在磁屏筒上，磁屏盖上设置有腔支架。本发明采用悬臂梁设计方式，为原子体系提供均匀稳定的热环境；实现吸收泡和滤光泡侧壁尾部为冷端，避免液态铷流动遮挡光路和破坏微波场分布；改善铷频标的长期稳定性；保证了光路的稳定性。

Description

一种用于高精度铷原子频标的腔泡系统

技术领域

本发明涉及原子频标领域，更具体涉及一种用于高精度铷原子频标的腔泡系统，适用于铷原子频标（铷频标，铷原子钟）。

背景技术

铷原子频标是应用十分广泛的的时间、频率基准装置。铷频标在本质上是一个由物理系统、微波链和伺服系统构成的锁频环路，物理系统起到原子鉴频器的作用，对铷频标的精度具有决定性影响。物理系统主要由光谱灯和腔泡系统构成，腔泡系统则主要由滤光泡、吸收泡和微波腔构成。一般地，滤光泡和吸收泡均装在微波腔内。铷光谱灯发出的光经过充有⁸⁵Rb原子的滤光泡进行同位素滤光后进入吸收泡，对吸收泡内的⁸⁷Rb蒸气原子进行光抽运，将处于⁸⁷Rb原子基态F=1能级上的原子转移到F=2能级，实现粒子数反转。另一方面，微波链输出的6834MHz微波信号进入微波腔，与吸收泡中的⁸⁷Rb原子相互作用，使其发生微波跃迁（也称为钟跃迁），即由F=2能级再回到F=1能级。伺服系统的作用是将原子的微波跃迁信号转变为误差信号，去控制微波链的源（一般为压控晶体振荡器，简称晶振）频率，这样就晶振的频率锁定到⁸⁷Rb原子基态的微波跃迁频率上，实现整个锁频环路的闭环锁定，得到一个铷原子频标。

表征铷频标精度的核心指标是频率稳定度。铷频标的频率稳定度正比于原子微波跃迁信号的信噪比，原子跃迁信号强度越高，噪声越低，则频率稳定度越高。原子信号的信噪比在很大程度上依赖于腔泡系统结构，其影响因素主要有以下几方面：

1、微波腔中微波场分布。原子在光抽运作用下完成粒子数反转后，在微波腔中驻波场作用下产生微波跃迁。根据量子力学原理，当原子的量子化轴确定之后，只有与量子化轴平行的微波场磁力线分量才可以激励微波跃迁。量子化轴由C场方向定义，对于铷频标，C场线圈一般绕制在腔筒上，故量子化轴方向就是腔轴方向。因此，为了得到高强度原子跃迁信号，微波腔中磁力线应尽可能在与腔轴平行的方向密集、均匀分布。本发明采用的开槽管微波腔，场模式优越，易于产生高强度的原子跃迁信号。

2、温度均匀性和稳定性。腔泡系统中铷吸收泡的工作物质是铷蒸气。为了产生原子密度足够的铷蒸气密度，通常需要将微波腔加热到60℃到75℃之间。吸收泡的温度分布不均匀，会导致原子跃迁谱线增宽，并降低跃迁信号强度。铷吸收泡和铷滤光泡温度波动会分别通过压力频移和光频移引起钟跃迁频率波动，这会在原子跃迁信号上引入无规游走和无规奔跑噪声，从而影响铷频标的频率稳定度。

3、液态铷流动。对于一个实际工作的铷频标，吸收泡和滤光泡中的金属铷，只有极少量变为蒸气，绝大部分以液体状态存在。这种液态铷可以附着在铷泡内表面，并沿着表面流动。当液态铷沿着铷泡端面流动时，一方面破坏了光强的稳定性，另一方面破坏了微波腔内微波功率的稳定性，这会在原子跃迁信号上引入无规游走噪声，从而影响铷频标的频率稳定度。克服液态铷在铷泡内表面流动的措施之一是将铷泡的某一局部设计为“冷端”，其温度低于泡的其余部分。这样，就可以使铷泡中的铷凝结在冷端，其余部分不被液态铷污染。

4、抽运光光谱纯度、光路的准直性和稳定性。铷光谱灯发出的光含有Rb-a光、Rb-b光和启辉气体发光三种成分。三种发光成分中，Rb-b光对形成铷原子钟跃迁能级粒子数反转有利，Rb-a光对形成粒子数反转起反作用，启辉气体发光对粒子数反转不起作用，但它的存在增大了原子跃迁信号的散弹噪声。因此，Rb-a光和启辉气体发应该设法滤除。铷谱灯发出的光发散角大，其在自由空间传播时，光斑会随传播距离的增加而急剧增大，部分抽运光将会照射到微波腔及原子泡内壁上，该部分光对粒子数反转也不起作用，但它的存在增大了也原子跃迁信号的散弹噪声。光路的变化会通过“位置频移”影响铷频标频率稳定度。

传统腔泡系统中，通常采用一个加热线圈或大功率三极管的加热方式，两种方式都容易造成吸收泡的温度分布不均匀，从而导致原子跃迁谱线增宽，并降低跃迁信号强度。

为了克服液态铷流动问题，传统腔泡系统设计多使得原子泡的冷端在泡端面，但是这种设计会使得冷端遮挡光路，不仅降低了原子利用率，而且降低了原子信号的收集效率，不利于得到高信噪比的原子信号。并且铷吸收泡和滤光泡的端面往往位于微波场内，存储在其中的金属铷会破坏微波腔内微波场的模式和分布，改变微波场的稳定性，影响铷频标性能。

现有技术多采用将透镜和带通滤光片配合使用的方式来实现光路准直和提高光谱纯度，但二者通常分离安装且不与吸收泡和滤光泡安装在同一结构上，难以保证光路的稳定性。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的上述问题，提供一种用于高精度铷原子频标的腔泡系统，用于进一步改善铷频标的频率稳定度指标。

为了达到上述的目的，本发明采用以下技术措施：

一种用于高精度铷原子频标的腔泡系统，包括磁屏筒，包括设置在磁屏筒内的开槽管，吸收泡和滤光泡分别粘接在开槽管内壁，吸收泡位于开槽管内极片围成区域，极片位于开槽管上部，且沿周向均匀分布，滤光泡位于开槽管下部，吸收泡的下端面与滤光泡的上端面紧密接触，圆筒状的介质环通过导热硅橡胶粘接在开槽管外壁，透镜和带通滤光片通过硅橡胶分别粘接在光阑两侧的沉孔内，光阑固定在开槽管底部，腔筒套设在开槽管外部，C场支架通过硅橡胶粘接在腔筒外壁，C场支架的外壁沿周向开有两个环形的C场线圈槽，C场线圈绕制在两个环形的C场线圈槽内，加热丝绕制在腔筒外壁上下两端的环形的加热线圈槽内，腔端盖盖设在腔筒上，阶跃管一端焊接在腔端盖下端面，转接板焊接在腔端盖上端面，同轴电缆焊接在转接板上，U形耦合环一端焊接在阶跃管上，另一端自下而上穿过腔端盖焊接在转接板的信号孔上，光电池通过环氧胶粘接在腔端盖底面，磁屏盖盖设在磁屏筒上，磁屏盖上设置有腔支架，磁屏筒内的底部设置有第一绝缘隔热支架，光阑设置在第一绝缘隔热支架上，磁屏筒设置在第二绝缘隔热支架上。

如上所述的C场支架围成区域包覆吸收泡。

如上所述的腔筒中部设置有散热孔，散热孔与加热线圈槽之间设置有阻热槽，吸收泡和滤光泡的侧壁泡尾与散热孔相对。

如上所述的开槽管的底部外壁设置有固定耳部，开槽管固定螺钉的螺纹端贯穿固定耳部拧入固定在腔筒底部的螺纹安装孔内，光阑固定螺钉的螺纹端依次贯穿第一绝缘隔热支架、光阑拧入固定在开槽管底部的螺纹安装孔；支架固定螺钉的螺纹端自下而上依次贯穿第二绝缘隔热支架和磁屏筒并拧入固定在第一绝缘隔热支架上的螺纹安装孔内，钛合金螺钉自上而下依次穿过磁屏绝缘垫片、腔支架、磁屏盖（20）、腔隔热垫圈、绝缘隔热垫圈、腔端盖，固定在腔筒顶部的安装孔内。

本发明相于现有技术，具有以下区别技术特征：

1、腔泡系统采用悬臂梁设计方式，为原子体系提供均匀稳定的热环境：

腔泡系统仅通过其顶部的腔支架固定于外部结构上。腔端盖由黄铜制得，在腔端盖上端设置有低导热率材料制得的绝缘隔热垫圈，绝缘隔热垫圈上端设置腔隔热垫圈，腔隔热垫圈也为低导热率材料制得，腔隔热垫圈上端设置金属磁屏盖，磁屏盖上端设置低热导率钛合金的腔支架，腔支架上端设置4个磁屏绝缘垫片，采用低热导率钛合金螺钉自上而下依次穿过磁屏绝缘垫片、腔支架、磁屏盖、腔隔热垫圈、绝缘隔热垫圈、腔端盖，使其与腔筒形成固定连接，有效减少腔筒上端与外界的传导热交换。腔筒底部为铝合金材质的光阑，光阑底部设置有低导热率材料制得的第一绝缘隔热支架，低热导率钛合金螺钉自下而上依次贯穿第二绝缘隔热支架和磁屏筒，与第一绝缘隔热支架固定，第一绝缘隔热支架通过支撑腿设置在磁屏筒内的底部，有效减少腔筒下端与外界的传导热交换。与此同时，腔筒外侧壁与磁屏筒内侧壁没有形成直接接触，可以减少腔筒侧壁与外界环境的传导热交换，有效保证了原子体系稳定的热环境。

2、腔筒上设置有阻热槽和散热孔，并在两端不对称加热的热设计方式，吸收泡和滤光泡采用侧壁泡尾与散热孔相对的安装方式，实现吸收泡和滤光泡侧壁尾部为冷端，避免液态铷流动遮挡光路和破坏微波场分布：

腔筒两端封闭，上端为金属腔端盖，下端为金属光阑。吸收泡和滤光泡的侧壁和腔筒内壁通过接触传导热量。在腔筒上设置C场线圈槽和散热孔，吸收泡和滤光泡的泡尾位于侧壁，在安装吸收泡和滤光泡时使其泡尾朝向散热孔。加热丝安装在腔筒外侧壁两端的两个加热线圈槽内，对腔体进行加热，两个加热线圈槽内的加热丝电阻值之比大于3/2。由于腔筒两端封闭，加热时热量会从腔筒两端向腔中部传播。吸收泡和滤光泡外壁通过开槽管和介质环紧贴腔筒内壁，使得吸收泡和滤光泡距离腔筒两端越远的部位（即腔筒中部区域）温度越低。一方面，在腔筒外侧壁设计的阻热槽的结构增大了热量由腔筒两端向腔筒中部传导的热阻，适当增加了泡侧壁的温度梯度。另一方面，腔筒上设置有散热孔，用于增加吸收泡泡尾和滤光泡泡尾与外界的热交换，增大该部位的热量流失速率，有效降低该部位温度，使其成为冷端，将液态铷存储在内。由于此冷端不位于光路中心，也不处于微波、静磁场的范围内，所以可以有效避免液态金属铷对光路的遮挡和对微波场分布的破坏，对改善铷频标的长期稳定性大有裨益。

3、用来实现光路准直和提高光谱纯度的透镜和带通滤光片与吸收泡和滤光泡安装在同一结构上，保证光路了的稳定性：

透镜和带通滤光片通过硅橡胶分别安装在光阑两侧，光阑通过高强度的钛合金螺钉固定在开槽管底部，吸收泡和滤光泡安装在开槽管内壁，这样就将吸收泡、滤光泡、透镜和带通滤光片在开槽管这一个结构件上实现了牢固有效的物理连接，形成了一个有机整体，保证光路了的稳定性，这对改善铷频标的长期稳定性是十分有益的。

附图说明

图1为本发明的剖面结构图。

图2为光阑结构示意图，（a）为正视图；（b）为A-A剖面图。

图3为腔筒结构示意图。

其中：1－吸收泡，2－滤光泡，3－开槽管，4－介质环，5－透镜，6－带通滤光片，7－光阑，8－腔筒，9－C场线圈，10－C场支架，11－加热丝，12－阶跃管，13－腔端盖，14－转接板，15－同轴电缆，16－耦合环，17－光电池，18－绝缘隔热垫圈，19－腔隔热垫圈，20－磁屏盖，21－腔支架，22－磁屏绝缘垫片，23－第一绝缘隔热支架，24－第二绝缘隔热支架，25－磁屏筒；

8.1.a-第一加热线圈槽，8.1.b－第二加热线圈槽，8.2.a-第一阻热槽，8.2.b-第二阻热槽，8.3－散热孔，9.1.a-第一C场线圈槽，9.1.b－第二C场线圈槽。

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。

实施例1：

根据附图1可知，一种高精度铷原子频标腔泡系统，包括吸收泡1、滤光泡2、开槽管3、介质环4、透镜5、带通滤光片6、光阑7、腔筒8、C场线圈9、C场支架10、加热丝11、阶跃管12、腔端盖13、转接板14、同轴电缆15、耦合环16、光电池17、绝缘隔热垫圈18、腔隔热垫圈19、磁屏盖20、腔支架21、磁屏绝缘垫片22、第一绝缘隔热支架 23、第二绝缘隔热支架 24、磁屏筒25。

开槽管3设置在磁屏筒25内，使用导热硅橡胶将吸收泡1、滤光泡2分别粘接在开槽管3内壁，吸收泡1的下端面与滤光泡2的上端面紧密接触，吸收泡1位于开槽管3内极片围成区域，极片位于开槽管上部，且沿周向均匀分布，滤光泡2位于开槽管3下部；圆筒状的介质环4通过导热硅橡胶粘接在开槽管3外壁，其上端面与开槽管3上端面平齐，介质环为聚苯乙烯材质，用于降低微波腔的谐振频率；透镜5和带通滤光片6通过硅橡胶分别粘接在光阑7两侧的沉孔内，光阑7通过高强度的钛合金螺钉固定在开槽管3底部；将由吸收泡1、滤光泡2、介质环4、透镜5、带通滤光片6、光阑7和开槽管3组成的整体从腔筒8下端插入其内部，开槽管3的底部外壁设置有固定耳部，开槽管固定螺钉的螺纹端贯穿固定耳部拧入固定在腔筒8底部的螺纹安装孔内，腔筒8套设在开槽管3外部；C场支架10是一个非金属材料的薄壁圆筒，其外壁沿周向开有两个环形的C场线圈槽（9.1.a和9.1.b），两C场线圈槽（9.1.a和9.1.b）的轴向距离与C场支架外壁半径相等，C场线圈9绕制在C场支架10的两个C场线圈槽（9.1.a和9.1.b）内，C场支架10通过硅橡胶粘接在腔筒8外壁，并使得C场支架10围成区域完全覆盖吸收泡1所在区域；加热丝11绕制在腔筒8外壁上下两端的线槽内；腔端盖13盖设在腔筒8上，使用焊锡将阶跃管12一端焊接在腔端盖13下端面，转接板14焊接在腔端盖13上端面，同轴电缆15焊接在转接板14上，U形耦合环16一端焊接在阶跃管12上，另一端自下而上穿过腔端盖13焊接在转接板14的信号孔上，光电池17通过环氧胶粘接在腔端盖13底面；腔端盖13盖设在腔筒8顶部，其底面与吸收泡1相对，腔端盖13上端设置有绝缘隔热垫圈18，绝缘隔热垫圈18上端设置腔隔热垫圈19，腔隔热垫圈19上端设置磁屏盖20，磁屏盖20盖设在磁屏筒25上，磁屏盖20上端设置腔支架21，腔支架21上端设置4个磁屏绝缘垫片22，钛合金螺钉自上而下依次穿过磁屏绝缘垫片22、腔支架21、磁屏盖20、腔隔热垫圈19、绝缘隔热垫圈18、腔端盖13，固定在腔筒8顶部的安装孔；第一绝缘隔热支架 23顶部紧贴光阑7底部，光阑固定螺钉的螺纹端依次贯穿第一绝缘隔热支架23、光阑7拧入固定在开槽管3底部的螺纹安装孔；支架固定螺钉的螺纹端自下而上依次贯穿第二绝缘隔热支架 24和磁屏筒25并拧入固定在第一绝缘隔热支架 23上的螺纹安装孔内，磁屏筒25底部安装在第二绝缘隔热支架 24上第一绝缘隔热支架。

根据附图2可知，腔筒8为两端封闭结构，上端盖设有金属腔端盖13，下端盖设有金属光阑7。吸收泡1和滤光泡2的侧壁与开槽管3内壁紧密接触，开槽管3下部外壁与腔筒8内壁紧密接触。加热丝11绕制在腔筒8外壁上下两端的两个加热线圈槽（8.1.a和8.1.b）内，加热线圈槽（8.1.a和8.1.b）为周向环形槽，利用加热丝11对腔筒8两端进行加热。腔筒8中部设置有散热孔8.3，阻热槽（8.2.a、8.2.b）设置在散热孔8.3与加热线圈槽（8.1.a和8.1.b）之间，阻热槽（8.2.a、8.2.b）具有增大加热线圈槽（8.1.a和8.1.b）与散热孔8.3之间的热阻的作用，吸收泡1和滤光泡2的侧壁泡尾朝向散热孔8.3。

需要指出的是，本发明中所描述的具体实施例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作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超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims

1.一种用于高精度铷原子频标的腔泡系统，包括磁屏筒(25)，其特征在于，包括设置在磁屏筒(25)内的开槽管(3)，吸收泡(1)和滤光泡(2)分别粘接在开槽管(3)内壁，吸收泡(1)位于开槽管(3)内极片围成区域，极片位于开槽管(3)上部，且沿周向均匀分布，滤光泡(2)位于开槽管(3)下部，吸收泡(1)的下端面与滤光泡(2)的上端面紧密接触，圆筒状的介质环(4)通过导热硅橡胶粘接在开槽管(3)外壁，透镜(5)和带通滤光片(6)通过硅橡胶分别粘接在光阑(7)两侧的沉孔内，光阑(7)固定在开槽管(3)底部，腔筒(8)套设在开槽管(3)外部，C场支架(10)通过硅橡胶粘接在腔筒(8)外壁，C场支架(10)的外壁沿周向开有两个环形的C场线圈槽(9.1.a，9.1.b)，C场线圈(9)绕制在两个环形的C场线圈槽(9.1.a，9.1.b)内，加热丝(11)绕制在腔筒(8)外壁上下两端的环形的加热线圈槽(8.1.a，8.1.b)内，腔端盖(13)盖设在腔筒(8)上，阶跃管(12)一端焊接在腔端盖(13)下端面，转接板(14)焊接在腔端盖(13)上端面，同轴电缆(15)焊接在转接板(14)上，U形耦合环(16)一端焊接在阶跃管(12)上，另一端自下而上穿过腔端盖(13)焊接在转接板(14)的信号孔上，光电池(17)通过环氧胶粘接在腔端盖(13)底面，磁屏盖(20)盖设在磁屏筒(25)上，磁屏盖(20)上设置有腔支架(21)，磁屏筒(25)内的底部设置有第一绝缘隔热支架(23)，光阑(7)设置在第一绝缘隔热支架(23)上，磁屏筒(25)设置在第二绝缘隔热支架(24)上，开槽管(3)的底部外壁设置有固定耳部，开槽管固定螺钉的螺纹端贯穿固定耳部拧入固定在腔筒(8)底部的螺纹安装孔内，光阑固定螺钉的螺纹端依次贯穿第一绝缘隔热支架(23)、光阑(7)拧入固定在开槽管(3)底部的螺纹安装孔；支架固定螺钉的螺纹端自下而上依次贯穿第二绝缘隔热支架(24)和磁屏筒(25)并拧入固定在第一绝缘隔热支架(23)上的螺纹安装孔内，钛合金螺钉自上而下依次穿过磁屏绝缘垫片(22)、腔支架(21)、磁屏盖(20)、腔隔热垫圈(19)、绝缘隔热垫圈(18)、腔端盖(13)，固定在腔筒(8)顶部的安装孔内。

2.根据权利要求1所述的一种用于高精度铷原子频标的腔泡系统，其特征在于，所述的C场支架(10)围成区域包覆吸收泡(1)。

3.根据权利要求1所述的一种用于高精度铷原子频标的腔泡系统，其特征在于，所述的腔筒(8)中部设置有散热孔(8.3)，散热孔(8.3)与加热线圈槽(8.1.a，8.1.b)之间设置有阻热槽(8.2.a、8.2.b)，吸收泡(1)和滤光泡(2)的侧壁泡尾与散热孔相对。