JPH07221368A - ルビジウム原子発振器 - Google Patents

ルビジウム原子発振器

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JPH07221368A
JPH07221368A JP803894A JP803894A JPH07221368A JP H07221368 A JPH07221368 A JP H07221368A JP 803894 A JP803894 A JP 803894A JP 803894 A JP803894 A JP 803894A JP H07221368 A JPH07221368 A JP H07221368A
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temperature
circuit
frequency
heater
atomic oscillator
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JP803894A
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Inventor
Takeshi Atami
健 熱海
Yoshibumi Nakajima
義文 中島
Yoshito Furuyama
義人 古山
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Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
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  • Stabilization Of Oscillater, Synchronisation, Frequency Synthesizers (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】ルビジウム原子発振器に関し、消費電力、特に
立ち上げ時の消費電力を低減したルビジウム原子発振器
を提供することを目的とする。 【構成】空洞共振器4とランプセル5を恒温槽に収容
し、周波数合成回路2によって水晶発振器1の発振周波
数から合成したルビジウム原子の共振周波数の変調信号
で空洞共振器4を励振するとともに、サーボ回路3を備
えて、ガスセルを通過したポンピング光の変調成分によ
って励振周波数とルビジウム原子の共振周波数との誤差
周波数を検出して水晶発振器1の発振周波数を制御する
ルビジウム原子発振器において、温度検出手段100を
設けて、恒温槽の温度を検出して出力を発生し、スイッ
チング回路14を設けて、立ち上げ時、検出された温度
が、周波数制御動作が可能になる温度に達するまでの
間、恒温槽の加熱に必要な回路以外の特定の回路の電源
を断にするように切り替えを行うことで構成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、ルビジウム原子発振器
に関し、特に消費電力を低減したルビジウム原子発振器
に関するものである。
【0002】ルビジウム原子発振器は、ルビジウム原子
における電磁波吸収時の共振周波数を基準として水晶発
振器の発振周波数を制御することによって、周波数安定
度の極めて高い発振源を構成したものであって、周波数
標準,時間標準等として広く用いられている。
【0003】ルビジウム原子発振器は、光マイクロ波共
鳴部のランプセル,共鳴セル等に対して恒温槽を備えて
温度制御を行っているが、これらの恒温槽に基づく消費
電力、特に恒温槽の立ち上げ時における消費電力を低減
することが求められている。
【0004】
【従来の技術】図7は、従来のルビジウム原子発振器の
構成を示したものである。水晶発振器1は、一定周波数
の発振出力を発生し、その出力周波数から、周波数合成
回路2においてルビジウム原子の共振周波数6834.
68MHzの信号を発生するとともに、これをサーボ回路
3からの低周波数の変調信号で位相変調して、光マイク
ロ波共鳴部を構成する空洞共振器4を励振する。空洞共
振器4は内部にルビジウムガスを封入したガスセルを有
し、ランプセル5からのポンピング光がこれを通過し
て、サーボ回路3において光強度を検出されるようにな
っている。ランプセル5はランプ励振回路6によって、
一定光度になるように励振される。
【0005】この際の検出信号には、空洞共振器4の励
振周波数がルビジウム原子の共振周波数にほぼ等しいと
き、光スペクトルの吸収が生じることによって、原子共
振周波数と励振周波数との誤差周波数に応じた、変調信
号の位相と振幅の変化を生じるので、サーボ回路3にお
いてもとの変調信号で位相弁別し、積分器を介して積分
して直流化して、水晶発振器1に対して制御電圧として
供給する。これによって、周波数合成回路2の出力周波
数が、ルビジウム原子の共振周波数に等しくなるよう
に、水晶発振器1の発振周波数が制御されて安定化され
る。
【0006】この場合、水晶発振器1,空洞共振器4,
ランプセル5は、その動作状態の安定化のために、それ
ぞれ恒温槽7,8,9に収容されて一定温度に保たれて
いる。一般に空洞共振器4は約70〜75°C、ランプ
セル5は約90〜100°C程度に制御される。このよ
うな温度制御を行うために、恒温槽7,8,9は、それ
ぞれ温度制御回路10,11,12を有している。な
お、水晶発振器1に対しては恒温槽を使用しない場合も
ある。また図7において、電源回路13は常時、各部に
電源電圧を供給している。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】ルビジウム原子発振器
は、その動作安定のために複数の恒温槽を有しているの
で、一般にこれに基づく消費電力が大きい。特に装置の
立ち上げ時においては、恒温槽の消費電力は、定常時よ
り著しく大きくなる。そのため、結果的に、ルビジウム
原子発振器の消費電力の最大定格は、立ち上げ時の消費
電力によって定まることになる。
【0008】従って、ルビジウム原子発振器の消費電力
の最大定格を低下させるためには、その立ち上げ時の消
費電力を減少させればよいことになるが、従来、このよ
うな対策を施したルビジウム原子発振器は、提案されて
いなかった。
【0009】本発明は、このような従来技術の課題を解
決しようとするものであって、ルビジウム原子発振器に
おいて、内部に有する恒温槽の温度が、発振器の周波数
制御が可能になる温度に達するまでの間、特定の回路以
外の電源を断にすることによって、または恒温槽電源に
おける電圧レギュレータを不使用とすることによって、
立ち上げ時の消費電力を低下させるようにした、ルビジ
ウム原子発振器を提供することを目的としている。
【0010】
【課題を解決するための手段】
(1) ガスセルを収容した空洞共振器とポンピング光を発
生するランプセルをそれぞれ恒温槽に収容し、ランプ励
振回路を備えてランプセルを励振し、周波数合成回路を
備えて水晶発振器の発振周波数から合成したルビジウム
原子の共振周波数の変調信号で空洞共振器を励振すると
ともに、サーボ回路を備えてガスセルを通過したポンピ
ング光の変調成分によって励振周波数とルビジウム原子
の共振周波数との誤差周波数を検出して水晶発振器の発
振周波数を制御するルビジウム原子発振器において、い
ずれかの恒温槽の温度を検出して出力を発生する温度検
出手段と、温度検出結果の出力に応じて電源の切り替え
を行うスイッチング回路とを設け、ルビジウム原子発振
器の立ち上げ時、検出された温度が、周波数制御動作が
可能になる温度に達するまでの間、各恒温槽の加熱に必
要な回路以外の特定の回路の電源を断にするように切り
替えを行う。
【0011】(2) (1) の場合に、特定の回路が、ランプ
励振回路,周波数合成回路およびサーボ回路である。
【0012】(3) ガスセルを収容した空洞共振器とポン
ピング光を発生するランプセルをそれぞれ恒温槽に収容
し、ランプ励振回路を備えてランプセルを励振し、周波
数合成回路を備えて水晶発振器の発振周波数から合成し
たルビジウム原子の共振周波数の変調信号で空洞共振器
を励振するとともに、サーボ回路を備えてガスセルを通
過したポンピング光の変調成分によって励振周波数とル
ビジウム原子の共振周波数との誤差周波数を検出して水
晶発振器の発振周波数を制御するルビジウム原子発振器
において、恒温槽に第1のヒータと第2のヒータとを設
けるとともに、いずれかの恒温槽の温度を検出して出力
を発生する温度検出手段と、温度検出結果の出力に応じ
て電源の切り替えを行うスイッチング回路とを設け、定
常時には、電源から電圧レギュレータを介して第1のヒ
ータに電流を供給するとともに、立ち上げ時には、検出
された温度が、周波数制御動作が可能になる温度に達す
るまでの間、電源から直接、第1のヒータと第2のヒー
タとに直列に電流を供給するように切り替えを行い、か
つ定常時と立ち上げ時とで恒温槽加熱電力が等しくなる
ようにする。
【0013】(4) (1) ないし(3) のいずれかの場合に、
温度検出手段を、恒温槽に取り付けられた感温素子と、
感温素子の抵抗変化によって所定温度を検出する温度検
出回路とから構成する。
【0014】(5) (1) ないし(3) のいずれかの場合に、
温度検出手段を、恒温槽の温度を制御する温度制御回路
の制御に応じてこの恒温槽のヒータの電流を調整するト
ランジスタのコレクタ電圧が所定値になったことを検出
する電圧比較回路と、比較結果をラッチして温度検出結
果の出力を発生するラッチ回路とから構成する。
【0015】(6) (1) ないし(5) のいずれかの場合に、
温度検出手段を、ランプセルの恒温槽に対して設ける。
【0016】(7) (1) ないし(5) のいずれかの場合に、
温度検出手段を、空洞共振器の恒温槽に対して設ける。
【0017】
【作用】図1は、本発明の原理的構成(1) を示したもの
であって、図7におけると同じものを同じ番号で示し、
14はスイッチング回路、15はリレー、100は温度
検出手段である。図1において、水晶発振器1,各恒温
槽の温度制御回路10,11,12、スイッチング回路
14のそれぞれの電源は、直接、電源回路13に接続さ
れ、ルビジウム原子発振器の立ち上げと同時に電源電圧
を供給される。
【0018】一方、周波数合成回路2,サーボ回路3,
ランプ励振回路6は、リレー15を介して、電源回路1
3に接続されている。温度検出手段100によって、任
意の恒温槽の温度を検出してスイッチング回路14を制
御することによって、スイッチング回路14は、ルビジ
ウム原子発振器の周波数の制御に必要なレベルの共鳴信
号が検出される温度に達するまでは、リレー15をオフ
にし、所定温度に達したときリレー15をオンにする。
【0019】ルビジウム原子発振器においては、光マイ
クロ波共鳴部を形成する空洞共振器から得られる共鳴信
号を、マイクロ波の変調周波数で位相弁別し、積分器に
よって直流信号に変換して、水晶発振器に制御電圧とし
て加えるように構成されているが、立ち上げ時には、ラ
ンプセル,空洞共振器および水晶発振器のそれぞれの温
度が定常温度付近に達するまでは、制御に必要なレベル
の共鳴信号が得られないため、水晶発振器は、フリーラ
ンの状態になっており、従って、図7に示されたサーボ
回路,周波数合成回路、ランプ励振回路が動作しなくて
も、水晶発振器の出力周波数の安定度には影響を与えな
い。
【0020】そこで、立ち上げ時に、温度検出手段10
0によって検出された温度が、ルビジウム原子発振器に
おける周波数制御動作が可能になる温度に達するまでの
間、各恒温槽の加熱に必要な回路以外の特定の回路の電
源を断にすることによって、立ち上げ時の消費電力を低
下させることができ、従ってその消費電力の最大定格を
低下させることができる。
【0021】図2は、本発明の原理的構成(2) を示した
ものであって、図7に示されたルビジウム原子発振器の
回路に対する変更部分の要部のみを示している。図7に
おけると同じものを同じ番号で示し、14はスイッチン
グ回路、15はリレー、18は電圧レギュレータであ
る。また恒温槽8,9のヒータは、第1のヒータ171
と、第2のヒータ172 とからなっている。
【0022】恒温槽8,9は、定常時には、電源回路1
3から電圧レギュレータ18を経て安定化された電圧
を、第1のヒータ171 のみに供給される。立ち上げ時
には、温度検出手段100によって、任意の恒温槽の温
度を検出してスイッチング回路14を制御することによ
って、検出された温度が、周波数制御動作が可能になる
温度に達するまでは、リレー15の切り替えに応じて、
電源回路13から直接、第1のヒータ171 と第2のヒ
ータ172 とに直列に電流を供給される。この際、定常
時と立ち上げ時とで、恒温槽加熱電力が等しくなるよう
に、第1のヒータ171 に対して、第2のヒータ172
の抵抗値が設定されている。
【0023】立ち上げ時に電圧レギュレータを使用しな
いことによって、立ち上げ時の電源電流が定常時の電流
より小さくなる。従ってこのようにすることによって、
ルビジウム原子発振器の立ち上げ時における消費電力を
低減し、従ってその消費電力の最大定格を低下させるこ
とができる。
【0024】
【実施例】図3は、本発明の実施例(1) を示したもので
あって、図1におけると同じものを同じ番号で示し、1
5はスイッチング回路14によって制御されるリレー、
16は恒温槽、17は恒温槽16のヒータ、18はヒー
タ17に対する供給電圧を制御する電圧レギュレータ、
19は恒温槽16に対する温度制御回路、20はヒータ
17の電流制御用のトランジスタ、21はサーミスタ等
の感温素子、22は感温素子21による温度検出回路で
ある。
【0025】恒温槽16はヒータ17を有し、電圧レギ
ュレータ18を経てヒータ17に一定電圧の電源を供給
されるように構成されているとともに、温度制御回路1
9によって恒温槽16の温度に応じてトランジスタ20
のベースを制御して、ヒータ17の電流を制御すること
によって、恒温槽16の温度を所定値に保つように制御
を行われるようになっている。
【0026】図3の回路においては、任意の恒温槽にサ
ーミスタ(または白金抵抗)等の感温素子21を取付
け、温度変化によって感温素子21の抵抗値がある値に
なったとき、温度検出回路22によってこれを検出して
出力を発生して、スイッチング回路14を制御する。こ
れによって、スイッチング回路14がリレー15を制御
することによって、リレー15を介して電源回路13か
ら周波数合成回路2,サーボ回路3,ランプ励振回路6
に電源が供給されて、これらが動作状態になる。
【0027】図4は、本発明の実施例(2) を示したもの
であって、図3におけると同じものを同じ番号で示し、
23は電流制御用のトランジスタ20のコレクタ電圧が
ある値になったことを検出して出力を発生する電圧比較
回路、24は電圧比較回路23の出力をラッチするラッ
チ回路である。
【0028】図4の回路においては、ルビジウム原子発
振器の立ち上げ時には、恒温槽のヒータに最大電流が流
れるため、任意の恒温槽のヒータ17の電流を制御する
トランジスタ20のコレクタ電圧がほぼ0Vであるが、
恒温槽の温度が上昇するのに伴って、温度制御回路19
によってヒータ17に流れる電流が減少するように制御
されるため、トランジスタ20のコレクタ電圧が次第に
上昇する。
【0029】電圧比較回路23は、トランジスタ20の
コレクタ電圧が所定値に達したとき出力を発生し、ラッ
チ回路24はこの出力をラッチしてスイッチング回路1
4を制御する。これによって、スイッチング回路14が
リレー15を制御することによって、リレー15を介し
て電源回路13から周波数合成回路2,サーボ回路3,
ランプ励振回路6に電源が供給されて、これらが動作状
態になる。ラッチ回路24は、スイッチング回路14が
一旦動作状態になったとき、この状態を保持することに
よって、切り替え時におけるリレー15のばたつきを防
止する作用を行う。
【0030】図3または図4の実施例によれば、恒温槽
16の温度が所定値になって、ルビジウム原子発振器の
周波数の制御に必要なレベルの共鳴信号が検出される状
態になってから、周波数合成回路2,サーボ回路3,ラ
ンプ励振回路6を動作させるようにしたので、ルビジウ
ム原子発振器の立ち上げ時における消費電力を低下させ
ることが可能になる。
【0031】図5は、本発明の実施例(3) を示したもの
であって、図3におけると同じものを同じ番号で示し、
171,172 は恒温槽16のヒータであって、それぞれ
抵抗値RH’,RHを有している。151,152 はそれ
ぞれスイッチング回路14によって制御されるリレーで
ある。
【0032】図5の回路において、定常時には、恒温槽
16の温度変化に基づく感温素子21の抵抗値の変化を
温度検出回路22が検出して出力を発生して、スイッチ
ング回路14を制御することによって、リレー151,
2 の接点は実線で示す状態となり、電圧レギュレータ
18によって安定化された電圧V’が恒温槽16のヒー
タ171 に印加される。この状態におけるヒータの最大
消費電力P’は、 P’=V’2 /RH’ …(1) である。
【0033】一方、ルビジウム原子発振器の立ち上げ時
には、温度検出回路22は出力を発生せず、従ってスイ
ッチング回路14は不動作状態であって、リレー151,
15 2 の接点が点線で示す状態であり、電源回路13か
ら電圧Vが直接、恒温槽のヒータ171,172 に直列に
印加されるようになる。このとき、増分するヒータの抵
抗値RHを、 RH={(V2 −V’2 )/V’2 }×RH’ …(2) となるようにする。この場合のヒータの最大消費電力P
は、次のようになる。 P=V2 /(RH+RH’) …(3)
【0034】(3)式に(2)式を代入すると、 P=V2 /〔{(V2 −V’2 )/V’2 }RH’+RH’〕 =V’22 /〔(V2 −V’2 )RH’+V’2 RH’〕 =V’2 /RH’ =P’ …(4) 従って、ヒータの最大消費電力は、定常時と立ち上げ時
とで変化しない。
【0035】またこのときヒータに流れる電流は、 I=V/(RH+RH’) …(5) (2)式から V2 =(RHV’2 +RH’V’2 )/RH’ V={V’(RH+RH’)/RH’}1/2 …(6)
【0036】(6)式を(5)式に代入すると I=V’/(RH’2 +RH)1/2 …(7) となる。一方、定常時のヒータ電流I’は I’=V’/RH’=V’/(RH’21/2 …(8) であるから、(7)式,(8)式からI<I’となる。
【0037】一方、(4)式からP=P’なので、立ち
上げ時において、ヒータの最大消費電力を変えることな
く、ヒータ流入電流を低下させることができるので、ル
ビジウム原子発振器の消費電力を低下させることができ
る。
【0038】図6は、本発明の実施例(4) を示したもの
であって、図4および図5におけると同じものを同じ番
号で示している。図6に示された実施例は、リレーを切
り替えるスイッチング回路14の動作に必要な温度検出
を、図4に示された実施例と同様に、ヒータの電流制御
用のトランジスタ20のコレクタ電圧によって行ってい
る。その他の動作,効果については図5に示された実施
例と同様である。
【0039】このように、図5または図6の実施例によ
れば、立ち上げ時には恒温槽に電源回路から直接、電源
電圧を印加するとともに、恒温槽16の温度が所定値に
達して、ルビジウム原子発振器の周波数の制御に必要な
レベルの共鳴信号が検出される状態になってから、恒温
槽に電圧レギュレータを介して電圧を供給するようにし
たので、恒温槽のヒータの最大消費電力を変えることな
く、立ち上げ時におけるヒータ流入電流を低下させるこ
とができ、従って立ち上げ時のルビジウム原子発振器の
消費電力を低下させることができる。
【0040】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、ル
ビジウム原子発振器において、内部に有する恒温槽の温
度が、発振器の周波数制御が可能になる温度に達するま
での間、特定の回路以外の電源を断にすることによっ
て、または、恒温槽電源における電圧レギュレータを不
動作とすることによって、立ち上げ時の消費電力を低下
させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の原理的構成(1) を示す図である。
【図2】本発明の原理的構成(2) を示す図である。
【図3】本発明の実施例(1) を示す図である。
【図4】本発明の実施例(2) を示す図である。
【図5】本発明の実施例(3) を示す図である。
【図6】本発明の実施例(4) を示す図である。
【図7】従来のルビジウム原子発振器の構成を示す図で
ある。
【符号の説明】
1 水晶発振器 2 周波数合成回路 3 サーボ回路 4 空洞共振器 5 ランプセル 6 ランプ励振回路 8 恒温槽 9 恒温槽 14 スイッチング回路 171 ヒータ 172 ヒータ 18 電圧レギュレータ 20 トランジスタ 21 感温素子 22 温度検出回路 23 電圧比較回路 24 ラッチ回路 100 温度検出手段

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ガスセルを収容した空洞共振器(4)と
    ポンピング光を発生するランプセル(5)をそれぞれ恒
    温槽(8,9)に収容し、ランプ励振回路(6)を備え
    てランプセル(5)を励振し、周波数合成回路(2)を
    備えて水晶発振器(1)の発振周波数から合成したルビ
    ジウム原子の共振周波数の変調信号で前記空洞共振器
    (4)を励振するとともに、サーボ回路(3)を備えて
    前記ガスセルを通過したポンピング光の変調成分によっ
    て励振周波数とルビジウム原子の共振周波数との誤差周
    波数を検出して前記水晶発振器(1)の発振周波数を制
    御するルビジウム原子発振器において、 前記いずれかの恒温槽の温度を検出して出力を発生する
    温度検出手段(100)と、 該温度検出結果の出力に応じて電源の切り替えを行うス
    イッチング回路(14)とを設け、 ルビジウム原子発振器の立ち上げ時、該検出された温度
    が前記周波数制御動作が可能になる温度に達するまでの
    間、各恒温槽(8,9)の加熱に必要な回路以外の特定
    の回路の電源を断にするように切り替えを行うことを特
    徴とするルビジウム原子発振器。
  2. 【請求項2】 前記特定の回路が、前記ランプ励振回路
    (6),周波数合成回路(2)およびサーボ回路(3)
    であることを特徴とする請求項1に記載のルビジウム原
    子発振器。
  3. 【請求項3】 ガスセルを収容した空洞共振器(4)と
    ポンピング光を発生するランプセル(5)をそれぞれ恒
    温槽(8,9)に収容し、ランプ励振回路(6)を備え
    てランプセル(5)を励振し、周波数合成回路(2)を
    備えて水晶発振器(1)の発振周波数から合成したルビ
    ジウム原子の共振周波数の変調信号で前記空洞共振器
    (4)を励振するとともに、サーボ回路(3)を備えて
    前記ガスセルを通過したポンピング光の変調成分によっ
    て励振周波数とルビジウム原子の共振周波数との誤差周
    波数を検出して前記水晶発振器(1)の発振周波数を制
    御するルビジウム原子発振器において、 恒温槽(8,9)に第1のヒータ(171 )と第2のヒ
    ータ(172 )とを設けるとともに、 前記いずれかの恒温槽の温度を検出して出力を発生する
    温度検出手段(100)と、 該温度検出結果の出力に応じて電源の切り替えを行うス
    イッチング回路(14)とを設け、 定常時には、電源から電圧レギュレータ(18)を介し
    て第1のヒータ(17 1 )に電流を供給するとともに、
    立ち上げ時には、該検出された温度が前記周波数制御動
    作が可能になる温度に達するまでの間、電源から直接、
    第1のヒータ(171 )と第2のヒータ(172 )とに
    直列に電流を供給するように切り替えを行い、かつ定常
    時と立ち上げ時とで恒温槽加熱電力が等しくなるように
    したことを特徴とするルビジウム原子発振器。
  4. 【請求項4】 前記温度検出手段(100)が、恒温槽
    に取り付けられた感温素子(21)と、該感温素子(2
    1)の抵抗変化によって所定温度を検出する温度検出回
    路(22)とからなることを特徴とする請求項1ないし
    3のいずれかに記載のルビジウム原子発振器。
  5. 【請求項5】 前記温度検出手段(100)が、恒温槽
    の温度を制御する温度制御回路(19)の制御に応じて
    該恒温槽のヒータの電流を調整するトランジスタ(2
    0)のコレクタ電圧が所定値になったことを検出する電
    圧比較回路(23)と、該比較結果をラッチして温度検
    出結果の出力を発生するラッチ回路(24)とからなる
    ことを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の
    ルビジウム原子発振器。
  6. 【請求項6】 前記温度検出手段(100)が、前記ラ
    ンプセル(5)の恒温槽(8)に対して設けられている
    ことを特徴とする請求項1ないし5のいずれかに記載の
    ルビジウム原子発振器。
  7. 【請求項7】 前記温度検出手段(100)が、前記空
    洞共振器(4)の恒温槽(9)に対して設けられている
    ことを特徴とする請求項1ないし5のいずれかに記載の
    ルビジウム原子発振器。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2007288907A (ja) * 2006-04-14 2007-11-01 Origin Electric Co Ltd 高安定度電源装置及びそれを用いた高電圧電子管装置
CN110868213A (zh) * 2019-11-14 2020-03-06 中国科学院武汉物理与数学研究所 一种铷钟微波腔及晶体振荡器的联合控温电路

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CN110868213B (zh) * 2019-11-14 2023-04-28 中国科学院武汉物理与数学研究所 一种铷钟微波腔及晶体振荡器的联合控温电路

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