專利名稱：一種銣光譜燈的大功率啟動方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及時間頻率標準領域，更具體涉及一種原子頻標銣光譜燈的大功率啟動方法，同時還涉及一種原子頻標銣光譜燈的大功率啟動的裝置，尤其適用于原子頻率標準。
背景技術：
銣原子頻標雖然在長穩指標上不如銫頻標和氫頻標，但重量輕、體積小、功耗低等特有優勢再加上較適當的頻率穩定度及漂移指標使它已足以滿足大多數航天、軍用及民用的要求。被動型銣原子頻標由物理系統及電子線路兩大部分組成，其中物理系統包括光譜燈、集成濾光共振泡、微波腔和光電探測器(光電池)、C場、磁屏等組成，電子線路由隔離放大、VCX0、綜合、倍頻混頻、伺服等組成。物理系統提供量子鑒頻基準，電子線路提供微波探詢信號，電子線路與物理系統構成一個頻率鎖定環路，用以將壓控晶體振蕩器VCXO的輸出頻率鎖定在物理系統的量子參考頻率上。物理系統是被動型銣原子頻率源的核心部件，起到鑒頻器的作用，它提供一個頻率穩定、線寬較窄的原子共振吸收線，頻率源正是通過將壓控晶體振蕩器的輸出頻率鎖定在物理系統的原子共振吸收峰上而獲得穩定的頻率輸出的。由此可見頻標的性能指標主要由物理系統決定。在被動型銣原子頻標的物理系統中，抽運光源是一個無極放電的銣光譜燈，作為被動型銣原子頻標的關鍵部件之一，銣光譜燈性能對系統的短期和長期穩定度指標有著直接的影響。從長穩的角度看，主要是光強的穩定性對日漂和日波動的貢獻；從短穩的角度看，主要是光本底噪聲對信噪比的貢獻。燈泡內除了充有金屬銣外，還充有激發電位低、化學性質穩定的惰性起輝氣體(常用的起輝氣體為Kr或Ar)。燈泡放在一個高頻振蕩線圈中，振蕩頻率約在IOOMHz左右，振蕩功率一般在1-5W之間，整個燈由高頻場激勵并維持發光。光譜燈無極放電發光的原理大致如下高頻電場對起輝氣體中本來存在的少量離子和電子加速，使其動能增加，從而與起輝氣體分子碰撞，產生更多的離子和電子，動能較高的離子或電子與起輝氣體分子碰撞就能把起輝氣體分子激發到激發態上去。當它回到基態時就可看到起輝氣體分子發光。但若這種處在激發態的起輝氣體分子與銣原子分子碰撞就可以把激發態能量轉移給銣原子，自己無輻射的回到基態，而把銣原子激發到激發態上去。當銣原子從激發態回到基態時就可看到銣原子發光。當激勵功率大時，光譜燈容易起輝，但是激勵功率越大，燈泡的壽命越短，這是因為激勵功率大，燈泡中銣的損耗大。另外，激勵功率大，產生的熱量多，燈室則不容易被恒溫，同時對系統中其它電路的高頻干擾也大，不易消除。所以，一般在保證燈穩定工作的條件下，應該用盡可能小的激勵功率。另外，為了得到穩定的抽運光，整個燈室包括燈泡和振蕩器電路都應該恒溫，把溫度控制在銣原子穩定發光的溫度上。然而，為了入原子鐘快速鎖定穩定工作，要求銣光譜燈快速起輝并且盡快進入穩定工作區，就需要采用一定措施保證燈泡內的稀有氣體原子被快速的激發和電離從而發光。除了選擇低起輝電壓的稀有氣體填充銣泡外，本發明從電路著手使光譜燈快速起輝。目前，銣光譜燈大功率啟動的方法一般利用電流反饋的電路來調節射頻功率使得光譜燈快速起輝，該方法課參考us. Pat. No. 4721890。另外，也有采用在調節射頻功率的同時采用開機預熱的方式使得光譜燈快速起輝的方法，該方法可參考美國專利US. Pat. No.4456891。
發明內容
本發明的目的是在于提供了一種原子頻率標準用大功率啟動的方法，方法易行， 操作簡便，原理簡單，性能穩定可靠，易于實現。本發明的另一個目的是在于提供了一種原子頻率標準用大功率啟動的裝置，結構簡單，使用方便，此裝置反應靈敏，能使光譜燈快速起輝。一種銣光譜燈的大功率啟動的方法，其步驟是A、通過光電池檢測光譜燈發出的到達置于微波腔底部光電池表面的光強，光電池產生微弱的光電流接入后級的光+、光-端。B、微弱的光電流經過光電流流過采樣電阻R5，在電阻R5上產生電壓差，然后經過運放Ul進行電流-電壓轉換，將光電流轉換為光電壓，得到直流電壓DV。C、光電壓DV通過反相器產生LT信號接入下極三極管的基極，三極管作為一個開關控制是否將大功率電阻并入燈起輝電路從而控制光譜燈的大功率啟動。所述的大功率是指通過提高激勵線圈L2上的射頻電壓從而使得射頻功率增加。一種原子頻率標準用大功率啟動的裝置，它包括以下兩個部分(a)加入大功率啟動裝置和溫度補償措施的激勵電路。(b)通過光檢測將光電流轉換為光電壓轉換電路。大功率啟動裝置包括它包括光譜燈激勵電路I，光電流-電壓轉換電路II，反相器 III，其連接關系是光譜燈激勵電路I通過激勵光譜燈發光，然后發出的光通過通光孔到達置于微波腔底部的光電池，光電池產生光電流與后級的光電流-電壓轉換電路11相連產生直流電壓DV信號。DV與后級的反相器III相連，反相器III輸出為LT信號。LT信號直接與光譜燈激勵電路I的大功率控制端相連控制光譜燈的大功率啟動。本發明所采用的光譜燈激勵電路采用的是串聯型改進電容三端式電路，又稱克拉潑振蕩電路，其主要優點是頻率穩定度高，其電路連接見圖2。激勵電路包括晶體管Q1，三極管Q2，反饋電容Cl，可調電容C2，限流電阻Rl，上偏電阻R2，下偏電阻R3，大功率啟動電阻R4，發射極電感Li，激勵線圈L2，二極管Dl。其連接關系是上偏電阻R2接電源20V，上偏電阻R2另一端和下偏電阻R3串聯，同時上偏電阻R2與用于大功率啟動的R4與Q2的串聯進行并聯，然后電阻R3經二極管Dl接地，共同設置晶體管Ql基極偏置點。晶體管Ql的集電極接20V供電，晶體管Ql的發射極接限流電阻Rl和射極電感Ll接地。晶體管Ql的基極和發射極之間接反饋電容Cl。晶體管Ql的基極接激勵線圈L2和可調電容C2接地。本發明所采用的光電流-電壓轉換電路包括置于微波腔底部的光電池，運放U1， 電阻R5，電阻R6，電阻R7，電阻R8，電阻R9，反相器Al。其連接關系是光電池D2出來的電流信號光+、光-之間串接采樣電阻R5，同時光+端接電阻R6，光-端接電阻R7。電阻R7、電阻R6另一端分別接運放Ul的正、負輸入端，電阻R7的另一端接R9接地。電阻R8接入運放Ul的負輸入端與運放輸出之間。運放輸出信號DV接后級的反相器Al的輸入端。反相器Al的輸出端LT接入后級控制大功率啟動三極管Q2的基極。此光電池除了探測燈是否起輝以外，還用作光檢測，即通過檢測Rb87吸收泡的透射光強的變弱來檢測磁共振。在被動型銣原子頻標光檢測和信號傳送的光電系統中，光電檢測器件的作用是將載有原子共振躍遷信息的光輻射能量變換為電能，并在實現這種變換的過程中完成信息的傳遞。檢測器件是溝通物理系統和電子系統的接口環節，它既是光路元件又是電路元件，有著光學和電子學的雙重屬性。本發明選用硅光電池作為光電探測器， 因其靈敏度在SOOnm比較好。本發明與現有技術相比，具有以下優點和效果其結構簡單，元器件少，性能穩定可靠，控制反應速度靈敏，能夠使得銣光譜燈在短時間內快速起輝。
圖1為一種原子頻率標準用大功率啟動方法示意2為一種原子頻率標準用大功率啟動裝置燈激勵電路示意3為一種原子頻率標準用大功率啟動裝置光電流-電壓轉換電路示意圖。
具體實施例方式實施例1 一種原子頻率標準用大功率啟動方法，其步驟是A、通過光電池檢測光譜燈發出的到達置于微波腔底部光電池表面的光強，光電池產生微弱的光電流接入后級的光+、光-端。B、微弱的光電流經過光電流流過采樣電阻R5，在電阻R5上產生電壓差，然后經過運放Ul進行電流-電壓轉換，將光電流轉換為光電壓，得到直流電壓DV。C、光電壓DV通過反相器產生LT信號接入下極三極管的基極，三極管作為一個開關控制是否將大功率電阻并入燈起輝電路從而控制燈的大功率啟動；下面結合附圖對本發明的具體實施作進一步說明根據圖1可知，一種原子頻率標準用大功率啟動的裝置，它包括光譜燈激勵電路 I，光電流-電壓轉換電路II，反相器III，其連接關系是光譜燈激勵電路I通過激勵光譜燈發光，然后發出的光通過通光孔到達置于微波腔底部的光電池，光電池產生光電流與后級的光電流-電壓轉換電路II相連產生直流電壓DV信號。DV與后級的反相器III相連， 反相器III輸出為LT信號。LT信號直接與光譜燈激勵電路I的大功率控制端相連控制光譜燈的大功率啟動。根據圖2可知，光譜燈激勵電路I包括晶體管Q1，三極管Q2，反饋電容Cl，可調電容C2，限流電阻Rl，上偏電阻R2，下偏電阻R3，大功率啟動電阻R4，發射極電感Ll，激勵線圈L2，二極管D1。其連接關系是上偏電阻R2接電源20V，上偏電阻R2另一端和下偏電阻 R3串聯，同時上偏電阻R2與用于大功率啟動的電阻R4與三極管Q2的串聯進行并聯，然后電阻R3經二極管Dl接地，共同設置晶體管Ql基極偏置點。晶體管Ql的集電極接20V供電，晶體管Ql的發射極接限流電阻Rl和射極電感Ll接地。晶體管Ql的基極和發射極之間接反饋電容Cl。晶體管Ql的基極接激勵線圈L2和可調電容C2接地。本發明的光譜燈激勵電路I中，晶體管Ql采用高頻大功率晶體管，其功率最大值為10W，穩定工作時功率在2W左右。基極-射極反饋電容Cl選取值為150pF的電容。L2 為激勵線圈，其電感量由繞制線圈的材料和圈數以及燈泡的電感量共同決定，激勵線圈一般采用直徑為0. 8mm的銅絲繞5圈左右制成，燈泡鑲嵌于線圈內部。C2采用高Q值的可調電容或固定電容，其值為l_7pF之間。通過調整激勵線圈L2和可調電容C2的值，可以調整整個振蕩電路的振蕩頻率。在通常的條件下光譜燈的激勵頻率愈高愈有利于Ar氣啟輝和 Rb發光，但對于克拉潑電路而言，振蕩頻率過高的條件下振蕩幅度會下降，反而不利于Ar 氣啟輝和Rb發光，因此存在選取最佳頻率的問題，一般使電路工作頻率在135MHz左右比較穩定。電阻R2和電阻R3為激勵電路的上、下偏電阻，其值分別為^Ω和2000。調整上、 下偏電阻的配比可以使晶體管Ql處于不同的工作點。電阻R4的值為1Ω，用于大功率啟動。三極管Q2相當于個一個控制開關，控制燈的大功率啟動。由于對于一般的激勵電路而言，隨著環境溫度上升，激勵管電流IC增大，導致激勵功率增大。本發明中在發射極串入反饋電阻R1，其值為20Ω，構成一個電流負反饋偏置穩電路來穩定激勵管電流。同時基極下偏置電路串入了一個二極管D1，由于二極管具有負的溫度系數，而晶體管具有正的溫度系數，選擇合適特性的二極管用于激勵電路，能很好的對激勵電路進行溫度補償，在設計布板時，使二極管Dl和晶體管Ql處于同一個溫區，利用晶體管和二極管相關參數的溫度特性從而達到溫度補償的效果。根據圖3可知，光電流-電壓壓轉換電路II包括置于微波腔底部的光電池，運放 Ul,電阻R5，電阻R6，電阻R7，電阻R8，電阻R9，反相器Al。其連接關系是光電池D2出來的電流信號光+、光-之間串接采樣電阻R5，同時光+端接電阻R6，光-端接電阻R7。電阻 R7、電阻R6另一端分別接運放Ul的正、負輸入端，電阻R7的另一端接電阻R9接地。電阻 R8接入運放Ul的負輸入端與運放輸出之間。運放輸出信號DV接后級的反相器Al的輸入端。反相器Al的輸出端LT接入后級控制大功率啟動三極管Q2的基極。本發明中電流-電壓轉換電路II的具體工作過程為通過將透過集成濾光共振泡的光照射到光電池上產生的的微弱的光檢測光+、光-電流信號經過運放Ui進行電流-電壓轉換，將光電流轉換為光電壓，得到直流電壓DV，這里光電池的輸出電流和照射到它上面的光強成正比。直流部分直流電壓DV信號作為判斷光譜燈是否起輝的依據。直流電壓DV 經過反相器輸出信號LT則作為控制燈大功率起輝的控制信號。如圖3所示，光電流的值在 40uA-200uA，光電流流過10ΚΩ采樣電阻R5，在電阻R5上產生電壓差為0. 4V-2V。由運放的虛斷特性知，運放輸入端沒有電流流過，則流過電阻R7和電阻R9的電流相等，流過電阻 R6和電阻R8的電流相等。電阻R6與電阻R7的值均為IOK Ω，電阻R8與電阻R9的值均為 40Κ Ω，在運放輸出端會產生的直流電壓DV的范圍為1.6V-8V。然后直流電壓DV經過反相器III，輸出信號LT與燈激勵電路控制端相連。本發明中LT信號控制大功率啟動的原理為如圖2所示，LT信號與后級的三極管 Q2相連，三極管Q2的作用相當于一個開關。當光譜燈未起輝時，光電池上產生的光電流很小，經過光電流-電壓轉換電路產生的直流電壓DV信號為低電平，經過反相器產生的LT信號為高電平，此時三極管Q2導通，大功率啟動開關開啟，此時電阻R4相當于與光譜燈激勵電路的上偏電阻R2進行并聯，晶體管Ql基極的電位升高，流過晶體管Ql基極的電流h增大，從而使得激勵電流Ie增加。激勵電流Ie的增加的主要影響有兩點I.提高了激勵線圈 L2上的射頻電壓II.通過射頻感應加熱使燈泡內凝結的堿金屬快速重新分布從而使激勵電路負載降低，進一步提升了激勵線圈L2上的射頻電壓。激勵線圈L2上的射頻電壓的升高使得射頻功率增加，光譜燈處于大功率啟動狀態，從而更容易起輝。
本發明當光譜燈起輝后，光電池產生的光電流超過一定值后，經過光電流-電壓轉換電路產生的DV電平超過某一確定電平，經過反相器產生的LT信號變為低電平，此時三極管Q2不導通，晶體管Ql基極電位降低，流過晶體管Ql基極的電流L減小，激勵電流Ie 減小，光譜燈恢復正常工作時的功率。
權利要求
1.一種銣光譜燈的大功率啟動的方法，其步驟是A、通過光電池檢測光譜燈發出的到達置于微波腔底部光電池表面的光強，光電池產生微弱的光電流接入后級的光+、光-端；B、微弱的光電流經過光電流流過采樣電阻R5，在電阻R5上產生電壓差，然后經過運放 Ul進行電流一電壓轉換，將光電流轉換為光電壓，得到直流電壓DV;C、光電壓DV通過反相器產生LT信號接入下極三極管的基極，三極管作為一個開關控制大功率電阻并入燈起輝電路控制燈的大功率啟動。
2.權利要求1所述的一種銣光譜燈的大功率啟動裝置，它包括光譜燈激勵電路(I)，光電流-電壓轉換電路(II)，反相器(III)，其特征在于光譜燈激勵電路(I)通過激勵光譜燈發光，發出的光通過通光孔到達置于微波腔底部的光電池，光電池產生光電流與后級的光電流-電壓轉換電路(II)相連產生直流電壓(DV)信號，直流電壓(DV)與后級的反相器 (III)相連，反相器(III)輸出為LT信號，LT信號直接與光譜燈激勵電路(I)的大功率控制端相連。
3.根據權利要求2所述的一種銣光譜燈的大功率啟動裝置，其特征在于所述的光譜燈激勵電路(I)包括晶體管(Q1)、反饋電容(Cl)、可調電容(C2)、限流電阻(R1)、發射極電感(Li)、二極管(D1)，上偏電阻(R2)接電源20V，上偏電阻(R2)另一端和下偏電阻(R3)串聯，上偏電阻(R2)與電阻(R4)及三極管(Q2)的串聯進行并聯，電阻(R3)經二極管(Dl)接地，共同設置晶體管(Ql)基極偏置點，晶體管(Ql)的集電極接20V供電，晶體管(Ql)的發射極接限流電阻(Rl)和射極電感(Li)接地，晶體管(Ql)的基極和發射極之間接反饋電容 (Cl)，晶體管(Ql)的基極接激勵線圈(L2)和可調電容(C2)接地。
4.根據權利要求2所述的一種銣光譜燈的大功率啟動裝置，其特征在于所述的光電流-電壓壓轉換電路(II)包括置于微波腔底部的光電池，運放(U1)，電阻(R5)，反相器 (Al)，光電池(D2)出來的電流信號光+、光-之間串接采樣電阻(R5)，同時光+端接電阻 (R6)，光-端接電阻(R7)，電阻(R7)、電阻(R6)另一端分別接運放(Ul)的正、負輸入端，電阻(R7)的另一端接電阻(R9)接地，電阻(R8)接入運放(Ul)的負輸入端與運放輸出之間， 運放輸出信號(DV)接反相器(Al)的輸入端，反相器(Al)的輸出端(LT)接入三極管(Q2)的基極。
全文摘要
本發明公開了一種銣光譜燈的大功率啟動方法及裝置，其步驟A、通過光電池檢測光譜燈發出的到達置于微波腔底部光電池表面的光強；B、微弱的光電流經過光電流流過電阻，產生電壓差，得到直流電壓；C、光電壓通過反相器產生LT信號接入下極三極管的基極，三極管為開關控制大功率電阻的大功率啟動。光譜燈激勵電路通過激勵光譜燈發光，發出的光通過通光孔到達微波腔底部的光電池，光電池產生光電流與后級的光電流-電壓轉換電路相連產生直流電壓信號，直流電壓與后級的反相器相連，反相器輸出為LT信號。LT信號直接與光譜燈激勵電路的大功率控制端相連。方法易行，穩定可靠，易于實現。結構簡單，使用方便，此裝置反應靈敏，能使光譜燈快速起輝。
文檔編號H05B41/14GK102291905SQ20111009952
公開日2011年12月21日 申請日期2011年4月20日 優先權日2011年4月20日
發明者余鈁, 李超, 楊俊 , 湯超, 盛榮武, 管妮娜, 邢彥超, 金鑫, 高偉 申請人:中國科學院武漢物理與數學研究所