CN204217190U - 一种用于实现温度补偿的光谱灯 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及原子频标技术领域，具体涉及一种用于实现温度补偿的光谱灯。包括光谱灯、恒温保护装置、激励线圈、屏蔽罩、高频振荡电路；所述激励线圈与高频振荡电路PCB板连接形成回路，所述光谱灯设置于激励线圈中，所述激励线圈与所述光谱灯设置在所述屏蔽罩内，所述激励线圈、所述光谱灯、所述屏蔽罩、所述高频振荡电路设置在所述恒温保护装置内。本实用新型提供的一种用于实现温度补偿的光谱灯，可以实现温度补偿，提高使用寿命，降低功耗，提高抗振动冲击性能。

Description

一种用于实现温度补偿的光谱灯

技术领域

本实用新型涉及原子频标技术领域，特别涉及一种用于实现温度补偿的光谱灯。 

背景技术

作为被动型铷原子频标的关键部件，铷光谱灯的性能对系统的短期和长期频率稳定度指标有着直接的影响。从长稳的角度看，主要是光强及光谱轮廓的稳定性对指标的贡献；从短稳的角度看，主要是光本底噪声对信噪比的贡献。为了使系统能够更好的工作，有必要把足够的时间与精力放在光源的加工与设计上。 

振荡电路按工作原理可分为反馈式振荡（放大器电路中加入足够大的正反馈）与负阻式振荡（将一个呈现负阻特性的有源器件直接与谐振电路相连接）两大类。一般来说，铷光谱灯都采用反馈式振荡电路，尤其是振荡频率和幅度都具有高稳定性的克拉泼电路，也有人采用负阻式振荡电路。 

由于1979年美国GPS卫星上的铷原子钟的失效，铷频标中光谱灯的寿命问题引起了人们的高度重视。从美国GPS所载铷钟的情况看来，星载原子钟最严重的可靠性问题是在轨无极放电铷光谱灯的明显失效。在轨钟的遥测数据和其它实验数据均表明，谱灯失效的主要原因是灯光中自由金属铷原子的损耗，这种损耗的主要原因是金属铷原子和泡壁的化学反应，以及和铷原子向泡壁的渗透。因为太空环境下，由于谱灯处在真空环境，容易导致温度升高。 

传统光谱灯射频振荡电路是一个克拉泼振荡电路。在对频标整机 进行指标测量时，光谱灯频率稳定性与环境温度有很大的相关性。进一步的试验发现，这一现象与灯激励电流受环境温度影响关系密切相关。光谱灯的发光强度由激励功率决定，因此谱灯光强与激励电流有着直接的关系。振荡的激励电流（即功率）直接受功率管参数β、I_CBO、V_BEO等的影响。理论和实验证明晶体管参数β、I_CBO、V_BEO与环境温度T关系密切。 

随着环境温度上升，激励管电流I_C增大，导致激励功率增大，光强增大；反之则光强减小。实验表明即使是优选的高频功率管，其温度系数仍然是比较大的。 

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种提高使用寿命、降低功耗的用于实现温度补偿的光谱灯。 

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种用于实现温度补偿的光谱灯，包括光谱灯、恒温保护装置、激励线圈、屏蔽罩、高频振荡电路； 

所述激励线圈与所述高频振荡电路PCB板连接形成回路，所述光谱灯1设置于激励线圈中，所述激励线圈与所述光谱灯设置在所述屏蔽罩内，所述激励线圈、所述屏蔽罩、所述光谱灯、所述高频振荡电路设置在所述恒温保护装置内。 

进一步地，所述高频振荡电路包括第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一电感、第二电感、三极管、二极管； 

所述第一电容一端接18V电源，所述第一电容另一端接地，第二电阻依次与第一电感、三极管基极、三极管集电极连接后形成回路， 所述三极管集电极接18V电源；所述第三电阻另一端依次与所述二极管正极、所述二极管负极、所述第二电感、所述第一电阻、所述三极管发射极、所述三极管基极、第一电感、所述第三电阻一端连接后形成回路，所述第五电容并联在所述第三电阻一端、所述二极管负极两端；所述第二电容并联在所述三极管基极、所述三极管发射极两端，所述第三电容一端与所述三极管基极连接，所述第三电容另一端依次与所述激励线圈组成的电感、所述第四电容一端连接，所述第四电容另一端与所述二极管负极连接，所述二极管负极接地。 

进一步地，所述第一电感线圈、第二电感线圈、激励线圈为漆包线绕制而成。 

进一步地，所述第一电感线圈、第二电感线圈、激励线圈为单根粗导线单层密绕方式绕制，线圈骨架为高频介质材料。 

进一步地，所述激励线圈长度为L，直径为D，其中，L/D=0.8-1.2；第三电感线圈直径与铷原子光谱灯泡体直径相等。 

进一步地，所述第一电阻、第三电阻与三极管、二极管位于同一个温区。 

进一步地，所述光谱灯内为铷蒸气，光谱灯的充铷量为500μ_g。 

进一步地，所述光谱灯的泡体为平面柱状收尾泡。 

进一步地，所述第三电容、第四电容设置在过渡板上，所述过渡板通过射频同轴电缆连接在所述高频振荡电路PCB板上。 

进一步地，所述光谱灯由圆柱形的蓝宝石玻璃管、圆形平板蓝宝石片用普通碱金属玻璃“粘”在一起组成，泡尾由碱金属玻璃制成。 

本实用新型提供的一种用于实现温度补偿的光谱灯，通过对泡型、热、电结构的优化改进，同时机械结构做出相应的调整，使得铷 钟光谱灯的功耗有所降低，提高了抗振动冲击性能，光强稳定性有了较大改善，可以实现温度补偿，提高使用寿命。 

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的一种用于实现温度补偿的光谱灯的装置示意图； 

图2为本实用新型实施例提供的一种用于实现温度补偿的光谱灯中高频振荡电路的结构示意图。 

其中，1—光谱灯，2—激励线圈，3—屏蔽罩，4—恒温保护装置。 

具体实施方式

如图1、图2所示，本实用新型提供了一种用于实现温度补偿的光谱灯，包括光谱灯1、恒温保护装置4、激励线圈2、屏蔽罩3、高频振荡电路； 

激励线圈2与高频振荡电路PCB板连接形成回路，光谱灯1设置于激励线圈2中，激励线圈2与光谱灯1设置在屏蔽罩3内，激励线圈2、屏蔽罩3、光谱灯1、高频振荡电路设置在恒温保护装置4内。 

本实施例中，加入屏蔽罩3可以充分利用激励场的辐射能量，吸收射频泄漏，通过涡流效应转化为热量用于谱灯加热，同时还减小了泄漏对整机形成的辐射干扰。 

高频振荡电路包括第一电容、第二点容、第三电容、第四电容、第五电容、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一电感、第二电感、三极管、二极管； 

第一电容一端接18V电源，第一电容另一端接地，第二电阻依次与第一电感、三极管基极、三极管集电极连接后形成回路，三极管集电极接18V电源；第三电阻另一端依次与二极管正极、二极管负极、 第二电感、第一电阻、三极管发射极、三极管基极、第一电感、第三电阻一端连接后形成回路，第五电容并联在所述第三电阻一端、所述二极管负极两端；第二电容并联在所述三极管基极、三极管发射极两端，第三电容一端与三极管基极连接，第三电容另一端依次与激励线圈组成的电感、第四电容一端连接，第四电容另一端与二极管负极连接，二极管负极接地。 

本实施例中，增加电流负反馈：在三极管发射极串入第一电阻R1，构成一个电流负反馈偏置稳定电路。在三极管基极回路接入温度补偿电路：在基极下偏置电路串入了一个二极管。第一电阻R1、第三电阻R3的阻值关系为R3=2R1时，可以达到最好的补偿效果；由于三极管基极的温度补偿电路利用了三极管和二极管相关参数的温度特性，所以第一电阻、第三电阻与三极管、二极管位于同一个温区。 

经过实践证明，采取上述措施使灯激励电流随温度变化明显减小。没有采取上述措施前，温度从0℃—40℃,激励电流变化3.5×10^-3A/℃；采取上述措施后，温度从-10℃—+50℃，光强变化不超过1%，激励电流变化-4.1×10^-5A/℃，之所以呈现很小的负温度系数，是由于补偿过度，可以通过调整第一电阻R1来改变补偿过度的问题。 

为提高激励电路的稳定性，必须使结构紧凑，减少分布参数的影响；为减小功耗，必须增大灯与外界环境之间的热阻，减小热损耗。本实施例中，第一电感线圈、第二电感线圈、激励线圈2为漆包线绕制而成。第一电感线圈、第二电感线圈、激励线圈2为单根粗导线单层密绕方式绕制，线圈骨架为高频介质材料。激励线圈2长度为L，直径为D，其中，L/D=0.8-1.2；第三电感线圈直径与铷原子光谱灯泡体直径相等。 

为切断了热传导途径，减小功耗，同时减小高频辐射。本实施例中，第三电容、第四电容设置在过渡板上，过渡板通过射频同轴电缆连接在高频振荡电路PCB板上。 

采用公式M＝20+1.05（M单位是微克，t的单位是小时）来估算铷的消耗，从理论上可以来评估光谱灯的寿命。 

假设铷灯的充铷量是700μg,那么8年后铷的消耗量约为298μg，泡内剩余铷量为402μg。实验表明泡内铷含量有120μg就足以形成密度足够大的铷蒸汽，从而获得足够强度的抽运光。因此从理论上说500μg充铷量足以保证8年的工作寿命。 

本实施例中，光谱灯1内为铷蒸气，光谱灯1的充铷量为500μg。光谱灯1的泡体为平面柱状收尾泡。光谱灯1由圆柱形的蓝宝石玻璃管、圆形平板蓝宝石片用普通碱金属玻璃“粘”在一起组成，泡尾由碱金属玻璃制成。以上措施有利于寿命的改善、冷端的形成、获得合适的最佳信噪比灯温及便于机械固定。 

本实用新型提供的一种用于实现温度补偿的光谱灯，通过对泡型、热、电结构的优化改进，同时机械结构做出相应的调整，使得铷钟光谱灯的功耗有所降低，提高了抗振动冲击性能，光强稳定性有了较大改善，可以实现温度补偿，提高使用寿命。 

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照实例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。 

Claims (9)

1.一种用于实现温度补偿的光谱灯，其特征在于，包括光谱灯（1）、恒温保护装置、激励线圈、屏蔽罩、高频振荡电路； 

所述激励线圈与所述高频振荡电路PCB板连接形成回路，所述光谱灯设置于激励线圈中，所述激励线圈与所述光谱灯设置在所述屏蔽罩内，所述激励线圈、所述屏蔽罩、所述光谱灯、所述高频振荡电路设置在所述恒温保护装置内；所述高频振荡电路包括第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一电感、第二电感、三极管、二极管； 

所述第一电容一端接18V电源，所述第一电容另一端接地，第二电阻依次与第一电感、三极管基极、三极管集电极连接后形成回路，所述三极管集电极接18V电源；所述第三电阻另一端依次与所述二极管正极、所述二极管负极、所述第二电感、所述第一电阻、所述三极管发射极、所述三极管基极、第一电感、所述第三电阻一端连接后形成回路，所述第五电容并联在所述第三电阻一端、所述二极管负极两端；所述第二电容并联在所述三极管基极、所述三极管发射极两端，所述第三电容一端与所述三极管基极连接，所述第三电容另一端依次与所述激励线圈组成的电感、所述第四电容一端连接，所述第四电容另一端与所述二极管负极连接，所述二极管负极接地。 

2.如权利要求1所述的一种用于实现温度补偿的光谱灯，其特征在于，所述第一电感线圈、第二电感线圈、激励线圈为漆包线绕制而成。 

3.如权利要求1所述的一种用于实现温度补偿的光谱灯，其特征在于，所述第一电感线圈、第二电感线圈、激励线圈为单根粗导线单层密绕方式绕制，线圈骨架为高频介质材料。 

4.如权利要求2所述的一种用于实现温度补偿的光谱灯，其特 征在于，所述激励线圈长度为L，直径为D，其中，L/D＝0.8-1.2；第三电感线圈直径与铷原子光谱灯泡体直径相等。 

5.如权利要求2所述的一种用于实现温度补偿的光谱灯，其特征在于，所述第一电阻、第三电阻与三极管、二极管位于同一个温区。 

6.如权利要求2所述的一种用于实现温度补偿的光谱灯，其特征在于，所述光谱灯内为铷蒸气，光谱灯的充铷量为500μg。 

7.如权利要求2所述的一种用于实现温度补偿的光谱灯，其特征在于，所述光谱灯的泡体为平面柱状收尾泡。 

8.如权利要求2所述的一种用于实现温度补偿的光谱灯，其特征在于，所述第三电容、第四电容设置在过渡板上，所述过渡板通过射频同轴电缆连接在所述高频振荡电路PCB板上。 

9.如权利要求2所述的一种用于实现温度补偿的光谱灯，其特征在于，所述光谱灯由圆柱形的蓝宝石玻璃管、圆形平板蓝宝石片用普通碱金属玻璃“粘”在一起组成，泡尾由碱金属玻璃制成。