CN1252628A - 原子频标微波腔 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种原子频标微波腔,它由开槽管、圆柱腔体、腔频微调螺杆、加热丝构成,其特征是开槽管上部有槽和电极、开槽管与底盖连为一体,铷吸收泡插入开槽管中,介质环插入开槽管和圆柱腔体之间,圆柱腔体侧部开有螺孔,孔中装有腔频微调螺杆。本发明结构简单,加工容易,体积小,腔Q值高,频率微调方便,加热效率高,可广泛应用于小型化铷原子频标。

Description

原子频标微波腔
本发明涉及原子频率标准和微波技术，更具体涉及一种原子频率标准用小型微波腔。
目前使用的类似的微波腔有三种。第一种是环隙腔，由文献W.Fronciszand James S.Hyde，J.Mag.Reson.47，515(1982)所描述；第二种由文献H.Schweda，Le Landeron.G.Busca and P.Rochat.US.Pat.No.5,387,881所描述，第三种是改进第二种腔得到的磁控管腔，由文献G、Mileti，I.Ruedi and H.Schweda，Proc.7th EFTF，515(1992)描述。三种腔的主要特征是在圆柱腔体中心加入一个与圆柱腔体共轴放置的开槽管。开槽管是一个由若干(通常是四个)尺寸相同的瓦状电极围成的管状结构，电极之间留有等距离的间隙，即所谓“槽”。电极具有电感的作用，槽则具有电容的作用，因而开槽管实际上是一个电感——电容结构。腔的谐振频率主要由此电感——电容结构的电感和电容决定，也就是由开槽管的结构参数决定。这种类型的腔具有以下优点：第一，由于开槽管体积可以做得很小，因此对于相同的谐振频率，这种腔的体积很小；第二，开槽管可以起到增强腔内微波场能量和得到理想的微波场分布(如TEOll模式)的作用；第三，微波吸收线宽小，即腔Q值高。三种腔的主要区别在于开槽管的结构。在第一种和第二种腔中，电极是分离的，故须将其粘贴于某种形状的衬底材料上，以构成一个完整的开槽管。这种操作十分不便，稍有不慎，易使开槽管结构参数偏离设计值。在第三种腔中，电极与圆柱腔体加工为一体，即电极与圆柱腔体之间是金属连接，开槽管参数由机械加工精度决定，可以控制的非常精确，因而性能优良，但也有结构复杂、加工成本高的缺点。另外，三种腔都没有考虑利用增加槽的数目增大微波填充因子、利用腔内介质填充以进一步缩小腔体积和利用微调螺杆实现腔频微调的问题。
本发明的目的是提供了一种原子频标微波腔，它结构简单，加工容易，体积小，频率调谐方便，微波填充因子大，原子样品加热效率高。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：它由开槽管、圆柱腔体、介质环、铷吸收泡、腔频微调螺杆、加热丝构成。其特征是：开槽管上部有槽和电极，开槽管与底盖连为一体；电极或槽的数目大于2(例如2-16)；铷吸收泡插入开槽管中；介质环插入开槽管和圆柱腔体之间，用粘胶粘牢，使腔形成半刚性结构；在圆柱腔体侧部开有螺孔，孔中装有腔频微调螺杆。
图1为原子频标微波腔结构示意图。
图2为原子频标微波腔开槽管结构示意图。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
根据图1、图2可知，它由开槽管1、底盖2、圆柱腔体3、顶盖4、介质环5、铷吸收泡6、加热丝7、耦合环8、插座9、腔频微调螺杆10、光电池11、螺钉12构成。用螺钉12将底盖2与圆柱腔体3相连接，将顶盖4与圆柱腔体3连接。开槽管1的上部开有4个槽，余下的部分形成4个电极1a，1b、1c、1d，开槽管1与底盖2连为一体。开槽管1上部的电极或槽的数目可为2-16。电极的尺寸相同，槽的尺寸也相同。对于一个性能良好的微波腔，总是希望有较大的微波填充因子。微波腔中有用的微波场只在开槽管1的槽中存在，故槽的数目越多，微波填充体积越大，亦即微波填充因子越大。故可通过增加槽的数目来增大微波填充因子。铷吸收泡6密配合插入开槽管1之中，介质环5密配合插入开槽管1和圆柱腔体3之间，用合适的粘胶粘牢，使腔形成半刚性结构，保证腔有良好的机械稳定性。铷吸收泡6内充适量的金属铷和一定成分和配比的缓冲气体。加热丝7缠绕在圆柱腔体3外壁，通入直流电流以加热圆柱腔体3。热量通过与圆柱腔体3相连的开槽管1传递给铷吸收泡6，加热其中的铷金属，产生铷原子频标的工作物质——铷蒸气原子。这样，加热丝6产生的热量就是通过金属热路传递铷吸收泡6，有利于提高加热效率，降低热功耗，并使铷吸收泡6得到均匀温度分布，这对提高铷原子频标的性能是有好处的。外部的微波信号接入插座9并通过位于开槽管1某个槽的紧上方的耦合环8耦合到微波腔内。耦合环8还可以串联接入一阶跃二极管供腔内微波倍频之用。圆柱腔体3和介质环5侧部开有共轴螺孔，孔中装有腔频微调螺杆10。孔的位置与开槽管1上的某一槽相对。腔频微调螺杆10可通过旋进或旋出而改变其在腔内部分的多少，以实现谐振频率的微调。这样，腔频微调就可在腔体其它部分已牢固连接的情况下进行，操作十分简单。也可在圆柱腔体3的测部装配一个以上的腔频微调螺杆10，使得既能实现腔频微调，又能保证腔内微波场分布的对称。光电池11可用绝缘粘胶粘于腔顶盖4内表面，用来探测铷吸收泡6中铷蒸气原子光吸收信号。开槽管1、底盖2、圆柱腔体3、顶盖4、腔频微调螺杆10和螺钉12可用无磁或低磁金属材料加工。介质环5可用介电常数大于1、微波耗散小的介质加工。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：结构简单、加工容易，体积小，微波吸收强，腔Q值高，原子样品加热效率高，频率微调方便，可广泛应用于小型化铷原子频标。

Claims (3)

1、一种原子频标微波腔，它由开槽管(1)、圆柱腔体(3)、腔频微调螺杆(10)、加热丝(7)构成，其特征在于开槽管(1)上部有槽和电极1a、1b、1c、1d，开槽管(1)与底盖(2)连为一体，铷吸收泡(6)插入开槽管(1)中，介质环(5)插入开槽管(1)和圆柱腔体(3)之间。
2、根据权利要求1所述的一种原子频标微波腔，其特征是圆柱腔体(3)侧部开有螺孔，孔中装有腔频微调螺杆(10)。
3、根据权利要求1所述的一种原子频标微波腔，其特征是开槽管(1)上部的电极或槽数目为2-16。
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