專利名稱：一種微波腔泡裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及原子頻標領域，特別涉及一種微波腔泡裝置。
背景技術：
量子系統是原子頻標的重要組成部分，用于在微波探詢信號的作用下，輸出具有鑒頻特性的光檢信號，通過該光檢信號將石英振蕩晶體的輸出鎖定在原子諧振頻率上，保證原子頻標穩定的輸出。典型的量子系統一般由光譜燈和微波腔泡裝置兩部分構成。現有的微波腔泡裝置通常包括濾光泡、吸收泡、微波腔、光電池、加熱恒溫部件、C 場線圈和磁屏。其工作原理如下在光譜燈激勵光的作用下，首先由濾光泡、吸收泡進行濾光和原子共振；光電池探測經濾光泡、吸收泡作用后的透射光，輸出光檢信號。原子共振所需的微波場和弱靜磁場分別由微波腔和C場線圈提供。而加熱恒溫部件設置在微波腔上， 主要用于為濾光泡、吸收泡提供溫度恒定的工作環境。在實現本發明的過程中，發明人發現現有技術至少存在以下問題因為腔的溫度效應非常明顯，在環境溫度變化較大的情況下，前述加熱恒溫部件并不能維持微波腔的溫度恒定，微波腔的尺寸會受溫度影響而發生變化。而微波腔的諧振頻率取決于微波腔的形狀、尺寸、諧振模式等因素。當微波腔的尺寸變化時，其諧振頻率將偏離原子躍遷譜線頻率，從而導致原子頻標的輸出頻率的不穩定。
發明內容
為了在環境溫度變化的情況下，提高原子頻標的輸出頻率的穩定度，本發明實施例提供了一種微波腔泡裝置。所述技術方案如下一種微波腔泡裝置，包括集成濾光吸收泡、微波腔、光電池、控溫部件、磁感線圈、 磁屏和印制板，所述集成濾光吸收泡位于所述微波腔內，所述磁屏設置在所述微波腔外，所述控溫部件安裝在所述微波腔上；所述微波腔包括腔蓋、腔體和耦合環，所述腔蓋的中部設有通光柵；所述耦合環固定在所述腔蓋上且位于所述腔蓋的中心軸線上；所述光電池和印制板安裝在所述腔蓋上； 所述磁感線圈設于所述腔體外圍；所述集成濾光吸收泡和所述腔體的底部之間夾設有支撐部件，所述支撐部件的膨脹系數大于所述微波腔的膨脹系數。其中，所述控溫部件包括熱敏電阻和加熱絲，所述熱敏電阻安裝在所述腔蓋上，所述熱敏電阻的走線方向為所述腔體軸線方向；所述腔體的側壁上設有凹槽，所述加熱絲采用雙絞線形式且環繞在所述凹槽內。優選地，所述集成濾光吸收泡的內壁涂有石蠟層。其中，所述磁屏包括內磁屏、外磁屏和底座，所述底座上分別設有用于放置所述內磁屏、外磁屏和微波腔的卡槽，所述內磁屏位于所述微波腔與所述外磁屏之間。進一步地，所述腔蓋和所述內磁屏之間設置有第一固定裝置，所述內磁屏和所述外磁屏之間設有第二固定裝置。
其中，所述磁感線圈包括磁感應線圈筒和繞制在所述磁感應線圈筒外的雙層線圈。優選地，所述微波腔采用圓柱形腔的TEOll模設計。其中，所述光電池包括兩塊光電池，所述兩塊光電池對稱放置于所述耦合環的兩側。優選地，所述支撐部件、微波腔分別采用合金材料制成。進一步地，所述腔蓋上還設有調諧螺釘。進一步地，所述微波腔泡裝置還包括置于所述集成濾光吸收泡與所述支撐部件之間的底板。本發明實施例提供的技術方案帶來的有益效果是通過在所述微波腔的底部和集成共振濾光泡之間設置支撐部件，所述支撐部件的膨脹系數大于所述微波腔的膨脹系數； 當環境溫度升高時，微波腔沿其橫截面方向的和軸向方向的尺寸同時變大，同時，支撐部件也伸長，且伸長尺寸大于微波腔的伸長尺寸，從而使實際的腔高反而縮短，在沿橫截面方向的尺寸變大的情況下，可以保持微波腔的容積不變，從而可以使微波腔的諧振頻率保持不變，同理，當環境溫度下降時，微波腔的諧振頻率也可以保持不變，從而提高原子頻標的輸出頻率的穩定度。
為了更清楚地說明本發明實施例中的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。圖1是本發明實施例中提供的一種微波腔泡裝置的結構示意圖；圖2是圖1所示的一種微波腔泡裝置的腔蓋的結構示意圖；圖3是圖1所示的一種微波腔泡裝置的磁感應線圈的結構示意圖；圖4是圖1所示的一種微波腔泡裝置的微波腔的加熱絲的結構示意圖；圖5是圖1所示的一種微波腔泡裝置的微波腔的電磁場分布示意圖；圖6是圖1所示的一種微波腔泡裝置的磁屏結構示意圖；附圖中，各標號所代表的組件列表如下集成濾光吸收泡1，微波腔2，光電池3a，3b，熱敏電阻4，加熱絲5，磁感線圈6，出線口 7，印制板8，腔蓋9，腔體10，調諧螺釘11，耦合環12，支撐部件13，底板14，底座15，磁感應線圈筒16，雙層線圈17，固定螺釘18，內磁屏19，外磁屏20，第一固定裝置21a，第二固定裝置21b，通光柵22，卡槽23。
具體實施例方式為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明實施方式作進一步地詳細描述。如圖1和圖2所示，本發明實施例提供了一種微波腔泡裝置，該微波腔泡裝置包括集成濾光吸收泡1、微波腔2、光電池、控溫部件、磁感線圈6、磁屏和印制板8，所述集成濾光吸收泡1位于所述微波腔2內，所述磁屏設置在所述微波腔2外，所述控溫部件安裝在所述微波腔2上。所述微波腔2包括腔蓋9、腔體10和耦合環12，所述腔蓋9的中部設有通光柵22 ；所述耦合環12固定在所述腔蓋9上且位于所述腔蓋9的中心軸線上；所述光電池和印制板8安裝在所述腔蓋9上；所述磁感線圈6設于所述腔體10外圍，所述集成濾光吸收泡1和所述腔體10的底部之間夾設有支撐部件13，所述支撐部件13的膨脹系數大于所述微波腔2的膨脹系數。其中，所述支撐部件13用于補償因溫度變化引起的腔頻變化。其中，所述耦合環 12用于為原子超精細結構的0-0微波共振躍遷提供磁耦合；所述磁感線圈6用于為集成濾光吸收泡1中原子提供能級躍遷及量子化軸；所述控溫部件用于為集成濾波吸收泡1提供恒溫的工作環境；所述光電池用于檢測微波腔2的透光強度，同時完成將光信號轉換成為電信號并通過所述印制板8輸出。具體地，所述腔體10的內壁與所述集成濾光吸收泡1的外壁緊密配合，且所述集成濾光吸收泡1可以在微波腔2內滑動。更進一步地，所述集成濾光吸收泡1與所述微波腔2同軸設置。具體地，所述微波腔2可以采用導熱率高的金屬制成，所述支撐部件13可以采用合金材料制成。具體地，所述耦合環12 —端與固定良好的同軸電纜芯線連接、另一端通過固定螺釘(圖未示)固定于所述腔蓋9的中心軸線上，并置于所述集成濾光吸收泡1頂端。所述同軸電纜芯線用于與外部電路連接，弓丨入微波信號，此為本領域技術人員熟知，在此不再贅述。進一步地，所述腔蓋9上還設有調諧螺釘11，所述調諧螺釘11的軸線方向與所述腔體10的軸線方向相同。由于機械加工誤差，所述微波腔2的實際諧振頻率與計算結果有一定差異，可通過改變調諧螺釘11在腔中的長度來對諧振頻率進行微調(微調范圍大概在 IOOMHz 之內)。優選地，所述集成濾光吸收泡1的內壁涂有石蠟層，用于減弱原子馳豫效應。所述微波腔泡裝置還包括置于所述集成濾光吸收泡1與所述支撐部件13之間的底板14。所述底板14的面積小于所述腔體10的截面積，從而可以沿所述微波腔2的軸線方向移動。所述底板14也可以采用合金材料制造。在本發明實施例中，集成濾光吸收泡1采用集成設計，將原先的濾光泡和吸收泡集成為一個泡，這樣利于微波腔泡裝置的小型化；泡中的工作物質是天然銣(87Rb和85Rb各占27.8%和72.2%)；泡的前半部分主要起濾光作用，后半部分主要起共振作用；并且，為了減小線寬、提高光抽運效率，可在集成濾光吸收泡1中充入緩沖氣體。容易知道，集成濾光吸收泡1中的氣體也可以是銫等。具體地，參見圖3，所述磁感線圈6由磁感應線圈筒16和雙層線圈17構成；所述磁感應線圈筒16套設在所述腔體10外，雙層線圈17繞制在所述磁感應線圈筒16外。雙層線圈17為雙層漆包線圈，方便統一從出線口 7出線。結合圖1和圖4，所述微波腔的腔體10的外側壁上設有凹槽，所述控溫部件包括熱敏電阻4和加熱絲5，所述熱敏電阻4安裝在所述腔蓋9上，用于感應環境溫度，并將感應到的環境溫度傳送到印制板8上的或外部的控溫電路，所述加熱絲5環繞在所述凹槽內，控溫
5電路根據熱敏電阻4的信號控制加熱絲5為微波腔2加熱。進一步地，所述熱敏電阻4的走線方向為所述腔體10軸線方向，所述加熱絲5采用雙絞線形式，從而可以消除加熱電流所產生的磁場縱向分量，避免了控溫部件的剩磁對頻標指標的影響。在本發明實施例中，微波腔2采用圓柱形腔的TEOll模設計，用于為87Rb原子基態精細結構的微波躍遷提供合適的微波場，其共振頻率與作為量子鑒頻參考的原子躍遷頻率是一致的。顯然，微波腔2也可以采用TElll模等設計。如圖5所示，微波腔2中的磁場分布為沿軸向，且沿軸向方向平行，集成濾光吸收泡1放在腔中央，這樣可以獲得更強的磁場激勵，方便原子超精細0-0躍遷。另外，腔中微波電場分布與圓柱腔的橫向切面平行，這樣即使圓柱腔的兩個端口由于開蓋及通光柵22引起的腔筒不密合，也不會切斷微波電場而造成電磁損耗，方便微波電場與原子相互作用及受激輻射反饋。具體地，參見圖2，所述光電池包括光電池3a與光電池北，所述光電池3a與光電池北對稱放置于所述耦合環12的兩側。從圖5中可以看出，微波腔中微波磁場的縱向分量的強度在耦合環兩側最強，所以在工作狀態下原子共振躍遷信號最強的地方在腔體兩邊， 故將光電池對稱地安裝在中心軸線的兩側，這樣能獲得較好的信噪比。進一步地，所述光電池固定在印制板8上，所述印制板8通過固定螺釘18固定在腔蓋9上。所述印制板8上布置了電子元件及線路，用于接收光電池3a、3b的電信號，完成檢測功能；還用于與所述加熱絲5和所述熱敏電阻4構成回路，完成控溫。具體地，參見圖1和圖6，所述磁屏包括內磁屏19、外磁屏20和底座15，所述底座 15上分別設有用于放置所述內磁屏19、外磁屏20和微波腔2的卡槽23，所述內磁屏19位于所述微波腔2與所述外磁屏20之間。該結構可以防止外界磁場(如地磁)對TEOll圓柱腔內原子能及的分裂及“量子化軸”的影響。進一步地，所述腔蓋9和所述內磁屏19之間對應設置有第一固定裝置21a，從而將所述微波腔2和所述內磁屏19固定在一起，所述內磁屏19和所述外磁屏20之間對應設有第二固定裝置21b，從而將所述內磁屏19和外磁屏20固定在一起。具體地，所述第一固定裝置21a、第二固定裝置21b可為彈簧卡口裝置。本發明實施例的微波腔泡裝置具有以下優點第一、在集成濾光吸收泡和腔體的底部之間設置支撐部件，所述支撐部件的膨脹系數大于所述微波腔的膨脹系數；當環境溫度升高時，微波腔沿其橫截面方向的和軸向方向的尺寸同時變大，同時，支撐部件也伸長， 且支撐部件的伸長尺寸大于微波腔的伸長尺寸，從而使實際的腔高反而縮短，在沿橫截面方向的尺寸變大的情況下，可以保持微波腔的容積不變，從而可以使微波腔的諧振頻率保持不變，同理，當環境溫度下降時，微波腔的諧振頻率也可以保持不變，從而提高銣原子頻標的輸出頻率的穩定度。第二、集成濾光吸收泡采用集成設計，將原先的濾光泡和吸收泡集成為一個泡，利于微波腔泡裝置的小型化；第三、微波腔采用圓柱形腔的TEOll模設計，品質因素Q值高，且TEOll模的另一優點是沒有軸向電流，這樣，即使圓柱腔的兩個端口由于開蓋及通光柵引起的腔筒不密合，也不會切斷微波電場而造成電磁損耗，方便微波電場與原子相互作用及受激輻射反饋；第四、加熱絲采用雙絞線設計，熱敏電阻的走線方向為腔體軸向，基本上消除了加熱電流所產生的磁場縱向分量，避免了控溫部件的剩磁對原子頻標指標的惡化。
以上所述僅為本發明的較佳實施例，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種微波腔泡裝置，包括集成濾光吸收泡(1)、微波腔O)、光電池、控溫部件、磁感線圈(6)、磁屏和印制板(8)，所述集成濾光吸收泡(1)位于所述微波腔O)內，所述磁屏設置在所述微波腔( 外，所述控溫部件安裝在所述微波腔( 上；其特征在于，所述微波腔( 包括腔蓋(9)、腔體(10)和耦合環(12)，所述腔蓋(9)的中部設有通光柵0 ；所述耦合環(1 固定在所述腔蓋(9)上且位于所述腔蓋(9)的中心軸線上；所述光電池和印制板(8)安裝在所述腔蓋(9)上；所述磁感線圈(6)設于所述腔體(10)外圍；所述集成濾光吸收泡(1)和所述腔體(10)的底部之間夾設有支撐部件(13)，所述支撐部件(13)的膨脹系數大于所述微波腔O)的膨脹系數。
2.如權利要求1所述的微波腔泡裝置，其特征在于，所述控溫部件包括熱敏電阻(4)和加熱絲(5)，所述熱敏電阻(4)安裝在所述腔蓋(9)上，所述熱敏電阻的走線方向為所述腔體(10)軸線方向；所述腔體(10)的側壁上設有凹槽，所述加熱絲( 采用雙絞線形式且環繞在所述凹槽內。
3.如權利要求1所述的微波腔泡裝置，其特征在于，所述集成濾光吸收泡(1)的內壁涂有石蠟層。
4.如權利要求1所述的微波腔泡裝置，其特征在于，所述磁屏包括內磁屏(19)、外磁屏 (20)和底座(15)，所述底座(15)上分別設有用于放置所述內磁屏(19)、外磁屏(20)和微波腔⑵的卡槽(23)，所述內磁屏(19)位于所述微波腔(2)與所述外磁屏00)之間。
5.如權利要求4所述的微波腔泡裝置，其特征在于，所述腔蓋(9)和所述內磁屏(19) 之間設有第一固定裝置Ola)，所述內磁屏(19)和所述外磁屏00)之間設有第二固定裝置 (21b)。
6.如權利要求1所述的微波腔泡裝置，其特征在于，所述磁感線圈(6)包括磁感應線圈筒(16)和繞制在所述磁感應線圈筒(16)外的雙層線圈(17)。
7.如權利要求1所述的微波腔泡裝置，其特征在于，所述微波腔(2)采用圓柱形腔的 TEOll模設計。
8.如權利要求7所述的微波腔泡裝置，其特征在于，所述光電池包括光電池(3a)與光電池C3b)，所述光電池(3a)與光電池(3b)對稱放置于所述耦合環(1 的兩側。
9.如權利要求1-8任一項所述的微波腔泡裝置，其特征在于，所述腔蓋(9)上設有調諧螺釘(11)。
10.如權利要求1-8任一項所述的微波腔泡裝置，其特征在于，還包括設置于所述集成濾光吸收泡⑴與所述支撐部件(13)之間的底板(14)。
全文摘要
本發明公開了一種微波腔泡裝置，屬于原子頻標領域。所述微波腔泡裝置包括集成濾光吸收泡、微波腔、光電池、控溫部件、磁感線圈、磁屏和印制板，集成濾光吸收泡位于微波腔內，磁屏設置在微波腔外，控溫部件安裝在微波腔上；微波腔包括腔蓋、腔體和耦合環，腔蓋的中部設有通光柵；耦合環固定在腔蓋上且位于腔蓋的中心軸線上；光電池和印制板安裝在腔蓋上；磁感線圈設于腔體外圍；集成濾光吸收泡和腔體的底部之間夾設有支撐部件，支撐部件的膨脹系數大于微波腔的膨脹系數。本發明通過通過在所述微波腔的底部和集成濾光吸收泡之間設置支撐部件，且支撐部件的膨脹系數大于微波腔的膨脹系數；可以降低溫度變化對微波腔諧振頻率的影響，從而提高銣原子頻標的輸出頻率的穩定度。
文檔編號H03L7/26GK102299714SQ20111018326
公開日2011年12月28日 申請日期2011年6月30日 優先權日2011年6月30日
發明者劉曉東, 王知權, 詹志明, 雷海東 申請人:江漢大學