专利名称：微重力环境下冷原子钟的微波腔的制作方法
技术领域：
本发明涉及原子频标和微波技术，特别是一种微重力环境下冷原子钟的微波腔。
背景技术：
时间(或频率)是最基本物理量之一，也是目前测量精度最高的基本物理量。我 们知道任何物理量的计量都要用不同的尺度来测量，时间也是用尺度测量的。目前，喷泉原 子钟是世界上最精确的时间频率标准。在重力场环境下，原子在俘获区被磁光阱俘获和冷 却后，通过移动光学黏胶的方法被以一定的初速度垂直上抛。在上抛和下落过程中两次通 过一个柱形微波腔并与其中的微波场发生作用，最后在探测区微波作用后的信号原子被检 测到，经过光电转换和放大就得到原子钟的鉴频曲线——Ramsey干涉条纹。原子钟最重要 的指标——频率不稳定度与Ramsey干涉条纹中心谱线的线宽成正比关系。谱线的线宽越 窄，频率不稳定度越低，也就是原子钟越稳定。谱线的线宽可以由下式给出<formula>formula see original document page 3</formula>⑴式中Δν为Ramsey中心谱线的线宽，T为两次微波作用之间的原子渡越时间。由 此可见，原子两次微波作用之间的间隔时间越长，Ramsey中心谱线的线宽越窄，从而原子钟 的稳定度就越高。增加两次微波作用之间的原子渡越时间成为提高原子钟稳定度的有效途 径。但是在重力环境下，原子喷泉的抛射高度与渡越时间成平方关系，大幅度地提高渡越时 间就意味着需要建立一个更高高度的原子喷泉装置，这在技术上变得难以实现。而在微重 力环境下，我们可以通过控制原子的运动速度来得到更长的渡越时间，从而可以建成更为 稳定的冷原子钟。喷泉原子钟通常所使用的柱形微波腔，如图1(引自边风刚博士论文“小喷泉冷原 子铷钟的总体结构设计与空间冷原子铷钟的初步研究”)所示。图中标号定义如下截止波 导01、柱形腔体02、微波作用区03、耦合波导04、微波馈线装配孔05和微波耦合孔06。微 波能量从微波馈线经过两个耦合波导04对称耦合到微波腔体内，并在微波作用区3内形成 稳定的微波振荡场。在微重力状态下，原子只能单方向运动，只有一个微波作用区的柱型微 波腔不能完成Ramsey过程所需要的两次微波作用。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有技术只有一个微波作用区的喷泉原子钟所通 常使用的柱形微波腔在微重力环境下不适用的问题，提供一种微重力环境下冷原子钟的 微波腔，具有两个微波作用区，以解决在微重力环境下冷原子钟微波与原子相互作用产生 Ramsey过程需要原子与微波场进行两次作用的关键技术。由于在微重力环境下，原子被给予初始速度后，只能单方向运动，而产生Ramsey 过程需要原子与微波场进行两次作用，这就需要微波腔有两个相同的微波作用区。作用区 内有稳定的振荡场，并且在两个微波作用区之间的原子的轨道上有截止波导以保证原子在两次微波作用之间不受微波场的干扰。而本发明可以很好的解决这个问题。本发明的技术方案如下一种微重力环境下冷原子钟的微波腔，特点在于其构成包括耦合波导、微波腔体和盖板，所述的微波腔体为“中”字形结构，该微波腔体和盖板结合在一起形成一个矩形微 波腔，该微波腔体的长度方向的中轴线上有中心截止波导，该微波腔体的两端沿中轴线各 延伸一个端截止波导，所述的中心截止波导将所述的矩形微波腔对称地分成连通的4个区 域位于中心截止波导两侧的两个导波区和位于中心截止波导两端的两个微波作用区，所 述的耦合波导竖直地固定在所述的盖板的对称中心位置，该耦合波导的侧壁上开有微波馈 线装配孔，所述的盖板的对称中心位置沿长度方向开有微波耦合缝，构成所述的耦合波导 与所述的矩形微波腔的微波耦合通道。在所述的盖板上对称于所述的耦合波导的两侧对应于所述的导波区的位置各开 有一个螺孔，孔中装有腔频调谐螺钉。所述的耦合波导、微波腔体和盖板之间采用焊接固定。所述的导波区的宽度与微波真空波长之比等于力/2。本发明的技术效果本发明微重力环境下冷原子钟的微波腔具有结构简单稳定，腔相移小，腔频易调 节等特点，适用于微重力环境下的冷原子钟。
图1是现有的喷泉原子钟柱型微波腔的结构示意2是本发明微重力环境下冷原子钟的微波腔的横向AA剖面示意3是本发明微重力环境下冷原子钟的微波腔的纵向BB剖面示意4是本发明微重力环境下冷原子钟的微波腔的微波腔体俯视中1、微波馈线装配孔2、微波耦合缝3、腔频调谐螺钉4、盖板5、导波区6、微波腔体7、中心截止波导8、耦合波导9、微波作用区10、端截止波导
具体实施例方式下面根据图2至图4给出本发明的一个具体实施例，并给予详细陈述，以能够更好 的理解本发明的功能、特点和结构。请参阅图2至图4，图2至图4给出本发明的一个具体实施例，由图可见，本发明微重力环境下冷原子钟的微波腔，其构成包括耦合波导8、微波腔体6和盖板4，所述的微波腔体6为“中”字形结构，该微波腔体6和盖板4结合在一起，其内形成一个矩形微波腔，该微 波腔体6的长度方向的中轴线上有中心截止波导7，该微波腔体6的两端沿中轴线各延伸 一个端截止波导10，所述的中心截止波导7将所述的矩形微波腔对称地分成连通的4个区 域位于该中心截止波导7两侧的两个导波区5和位于中心截止波导7两端的两个微波作 用区9，所述的耦合波导8竖直地固定在所述的盖板4的对称中心位置，该耦合波导8的侧 壁上开有微波馈线装配孔1，所述的盖板4的对称中心位置沿长度方向开有微波耦合缝2， 构成所述的耦合波导8与所述的矩形微波腔的微波耦合通道。在所述的盖板4上对称于所述的耦合波导8的两侧对应于所述的导波区5的位置 各开有一个螺孔，孔中装有腔频调谐螺钉3。所述的耦合波导8、微波腔体6、盖板4采用银焊的方式焊接在一起。这样在增加 整个微波腔强度的同时，又可以使整个腔体受力均勻，不易发生形变。耦合波导8是一个矩形波导，在其侧壁上开了 一个微波馈线装配孔1，微波馈线从 这个孔被装配到耦合波导8上，并通过微波馈线装配孔1在耦合波导8外的侧壁上的螺孔 用螺钉来固定。盖板4的中心位置被开出一条微波耦合缝2，用作微波能量从耦合波导8进入微波 腔的通道。另外在盖板4纵向中线上对称于耦合波导8开了两个螺孔，腔频调谐螺钉3通过 这两个螺孔来调节微波腔的腔频。两个螺母被用来保证两边腔频调谐螺钉3的旋入深度相等。矩形微波腔被中心截止波导7分割成4个区域，分别是两个导波区5和两个微波 作用区9。导波区的设计采取力/2的设计原则，即导波区的宽度与微波真空波长之比等于 V2/2。原子进出微波腔是通过矩形微波腔两端的端截止波导10，而中心截止波导7是为了 保证原子在微波作用区9的两次微波作用之间不受微波场的干扰。微波能量通过安装在微波馈线装配孔1的同轴电缆馈入耦合波导8，再经过微波 耦合缝2进入矩形微波腔，经过导波区5在两个微波作用区9形成稳定的TE2tll模式的微波 振荡场。微波腔的对称设计和单缝耦合结构保证了微波作用区9内在原子经过的区域场形 均勻分布和两个微波作用区的振荡场之间的相位差非常小，满足冷原子钟的使用要求。微 波腔内的振荡场分布可通过专业电磁场仿真软件HFSS仿真得到。整个微波腔可使用无氧 铜加工，或者使用较轻的无磁材料加工以减轻其重量，但需要在其内部进行镀银或镀铜处 理以保证微波腔的品质因数不致过低。综上所述，本发明具有结构简单稳定、腔相移小、腔频易调节等优点，解决了在微 重力环境下冷原子钟原子与微波场相互作用的关键技术。
权利要求
一种微重力环境下冷原子钟的微波腔，特征在于其构成包括耦合波导(8)、微波腔体(6)和盖板(4)，所述的微波腔体(6)为“中”字形结构，该微波腔体(6)和盖板(4)结合在一起，其内形成一个矩形微波腔，该微波腔体(6)的长度方向的中轴线上有中心截止波导(7)，该微波腔体(6)的两端沿中轴线各延伸一个端截止波导(10)，所述的中心截止波导(7)将所述的矩形微波腔对称地分成连通的4个区域位于中心截止波导(7)两侧的两个导波区(5)和位于中心截止波导(7)两端的两个微波作用区(9)，所述的耦合波导(8)竖直地固定在所述的盖板(4)的对称中心位置，该耦合波导(8)的侧壁上开有微波馈线装配孔(1)，所述的盖板(4)的对称中心位置沿长度方向开有微波耦合缝(2)，构成所述的耦合波导(8)与所述的矩形微波腔的微波耦合通道。
2.根据权利要求1所述的微重力环境下冷原子钟的微波腔，其特征在于在所述的盖板 (4)上对称于所述的耦合波导(8)的两侧对应于所述的导波区(5)的位置各开有一个螺孔， 孔中装有腔频调谐螺钉(3)。
3.根据权利要求1或2所述的微重力环境下冷原子钟的微波腔，其特征在于所述的耦 合波导(8)、微波腔体(6)和盖板(4)之间采用焊接固定。
4.根据权利要求1或2或3所述的微重力环境下冷原子钟的微波腔，其特征在于所述 的导波区的宽度与微波真空波长之比等于力/2。
全文摘要
一种微重力环境下冷原子钟的微波腔，由耦合波导、微波腔体和盖板构成，该微波腔体和盖板结合形成一个矩形微波腔，该微波腔体的长度方向的中轴线上有中心截止波导，该微波腔体的两端沿中轴线各延伸一个端截止波导，所述的中心截止波导将所述的矩形微波腔对称地分成连通的4个区域位于中心截止波导两侧的两个导波区和两端的两个微波作用区，所述的耦合波导竖直地固定在所述的盖板的对称中心位置，该耦合波导的侧壁上开有微波馈线装配孔，所述的盖板的对称中心位置的微波耦合缝，构成所述的耦合波导与所述的矩形微波腔的微波耦合通道。本发明解决了在微重力环境下冷原子钟微波与原子相互作用的关键技术。
文档编号G04F5/14GK101807043SQ20101012959
公开日2010年8月18日 申请日期2010年3月19日 优先权日2010年3月19日
发明者刘亮, 张富鑫, 李唐, 王育竹, 高源慈 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所