专利名称：一种微波腔泡装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及原子频标领域，特别涉及一种微波腔泡装置。
背景技术：
量子系统是原子频标的重要组成部分，用于在微波探询信号的作用下，输出具有鉴频特性的光检信号，通过该光检信号将石英振荡晶体的输出锁定在原子谐振频率上，保证原子频标稳定的输出。典型的量子系统一般由光谱灯和微波腔泡装置两部分构成。现有的微波腔泡装置通常包括滤光泡、吸收泡、微波腔、光电池、加热恒温部件、C 场线圈和磁屏。其工作原理如下在光谱灯激励光的作用下，首先由滤光泡、吸收泡进行滤光和原子共振；光电池探测经滤光泡、吸收泡作用后的透射光，输出光检信号。原子共振所需的微波场和弱静磁场分别由微波腔和C场线圈提供。而加热恒温部件设置在微波腔上， 主要用于为滤光泡、吸收泡提供温度恒定的工作环境。在实现本实用新型的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题因为腔的温度效应非常明显，在环境温度变化较大的情况下，前述加热恒温部件并不能维持微波腔的温度恒定，微波腔的尺寸会受温度影响而发生变化。而微波腔的谐振频率取决于微波腔的形状、尺寸、谐振模式等因素。当微波腔的尺寸变化时，其谐振频率将偏离原子跃迁谱线频率，从而导致原子频标的输出频率的不稳定。
实用新型内容为了在环境温度变化的情况下，提高原子频标的输出频率的稳定度，本实用新型实施例提供了一种微波腔泡装置。所述技术方案如下一种微波腔泡装置，包括集成滤光吸收泡、微波腔、光电池、控温部件、磁感线圈、 磁屏和印制板，所述集成滤光吸收泡位于所述微波腔内，所述磁屏设置在所述微波腔外，所述控温部件安装在所述微波腔上；所述微波腔包括腔盖、腔体和耦合环，所述腔盖的中部设有通光栅；所述耦合环固定在所述腔盖上且位于所述腔盖的中心轴线上；所述光电池和印制板安装在所述腔盖上； 所述磁感线圈设于所述腔体外围；所述集成滤光吸收泡和所述腔体的底部之间夹设有支撑部件，所述支撑部件的膨胀系数大于所述微波腔的膨胀系数。其中，所述控温部件包括热敏电阻和加热丝，所述热敏电阻安装在所述腔盖上，所述热敏电阻的走线方向为所述腔体轴线方向；所述腔体的侧壁上设有凹槽，所述加热丝采用双绞线形式且环绕在所述凹槽内。优选地，所述集成滤光吸收泡的内壁涂有石蜡层。其中，所述磁屏包括内磁屏、外磁屏和底座，所述底座上分别设有用于放置所述内磁屏、外磁屏和微波腔的卡槽，所述内磁屏位于所述微波腔与所述外磁屏之间。进一步地，所述腔盖和所述内磁屏之间设置有第一固定装置，所述内磁屏和所述外磁屏之间设有第二固定装置。[0013]其中，所述磁感线圈包括磁感应线圈筒和绕制在所述磁感应线圈筒外的双层线圈。优选地，所述微波腔采用圆柱形腔的TEOll模设计。其中，所述光电池包括两块光电池，所述两块光电池对称放置于所述耦合环的两侧。优选地，所述支撑部件、微波腔分别采用合金材料制成。进一步地，所述腔盖上还设有调谐螺钉。进一步地，所述微波腔泡装置还包括置于所述集成滤光吸收泡与所述支撑部件之间的底板。本实用新型实施例提供的技术方案带来的有益效果是通过在所述微波腔的底部和集成共振滤光泡之间设置支撑部件，所述支撑部件的膨胀系数大于所述微波腔的膨胀系数；当环境温度升高时，微波腔沿其横截面方向的和轴向方向的尺寸同时变大，同时，支撑部件也伸长，且伸长尺寸大于微波腔的伸长尺寸，从而使实际的腔高反而缩短，在沿横截面方向的尺寸变大的情况下，可以保持微波腔的容积不变，从而可以使微波腔的谐振频率保持不变，同理，当环境温度下降时，微波腔的谐振频率也可以保持不变，从而提高原子频标的输出频率的稳定度。
为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本实用新型实施例中提供的一种微波腔泡装置的结构示意图；图2是图1所示的一种微波腔泡装置的腔盖的结构示意图；图3是图1所示的一种微波腔泡装置的磁感应线圈的结构示意图；图4是图1所示的一种微波腔泡装置的微波腔的加热丝的结构示意图；图5是图1所示的一种微波腔泡装置的微波腔的电磁场分布示意图；图6是图1所示的一种微波腔泡装置的磁屏结构示意图；附图中，各标号所代表的组件列表如下集成滤光吸收泡1，微波腔2，光电池3a，3b，热敏电阻4，加热丝5，磁感线圈6，出线口 7，印制板8，腔盖9，腔体10，调谐螺钉11，耦合环12，支撑部件13，底板14，底座15，磁感应线圈筒16，双层线圈17，固定螺钉18，内磁屏19，外磁屏20，第一固定装置21a，第二固定装置21b，通光栅22，卡槽23。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步地详细描述。如图1和图2所示，本实用新型实施例提供了一种微波腔泡装置，该微波腔泡装置包括集成滤光吸收泡1、微波腔2、光电池、控温部件、磁感线圈6、磁屏和印制板8，所述集成滤光吸收泡1位于所述微波腔2内，所述磁屏设置在所述微波腔2外，所述控温部件安装在所述微波腔2上。所述微波腔2包括腔盖9、腔体10和耦合环12，所述腔盖9的中部设有通光栅22 ；所述耦合环12固定在所述腔盖9上且位于所述腔盖9的中心轴线上；所述光电池和印制板8安装在所述腔盖9上；所述磁感线圈6设于所述腔体10外围，所述集成滤光吸收泡1和所述腔体10的底部之间夹设有支撑部件13，所述支撑部件13的膨胀系数大于所述微波腔2的膨胀系数。其中，所述支撑部件13用于补偿因温度变化引起的腔频变化。其中，所述耦合环 12用于为原子超精细结构的0-0微波共振跃迁提供磁耦合；所述磁感线圈6用于为集成滤光吸收泡1中原子提供能级跃迁及量子化轴；所述控温部件用于为集成滤波吸收泡1提供恒温的工作环境；所述光电池用于检测微波腔2的透光强度，同时完成将光信号转换成为电信号并通过所述印制板8输出。具体地，所述腔体10的内壁与所述集成滤光吸收泡1的外壁紧密配合，且所述集成滤光吸收泡1可以在微波腔2内滑动。更进一步地，所述集成滤光吸收泡1与所述微波腔2同轴设置。具体地，所述微波腔2可以采用导热率高的金属制成，所述支撑部件13可以采用合金材料制成。具体地，所述耦合环12 —端与固定良好的同轴电缆芯线连接、另一端通过固定螺钉(图未示)固定于所述腔盖9的中心轴线上，并置于所述集成滤光吸收泡1顶端。所述同轴电缆芯线用于与外部电路连接，弓丨入微波信号，此为本领域技术人员熟知，在此不再赘述。进一步地，所述腔盖9上还设有调谐螺钉11，所述调谐螺钉11的轴线方向与所述腔体10的轴线方向相同。由于机械加工误差，所述微波腔2的实际谐振频率与计算结果有一定差异，可通过改变调谐螺钉11在腔中的长度来对谐振频率进行微调(微调范围大概在 IOOMHz 之内)。优选地，所述集成滤光吸收泡1的内壁涂有石蜡层，用于减弱原子驰豫效应。所述微波腔泡装置还包括置于所述集成滤光吸收泡1与所述支撑部件13之间的底板14。所述底板14的面积小于所述腔体10的截面积，从而可以沿所述微波腔2的轴线方向移动。所述底板14也可以采用合金材料制造。在本实用新型实施例中，集成滤光吸收泡1采用集成设计，将原先的滤光泡和吸收泡集成为一个泡，这样利于微波腔泡装置的小型化；泡中的工作物质是天然铷(87Rb和 85Rb各占27. 8%和72. 2%)；泡的前半部分主要起滤光作用，后半部分主要起共振作用；并且，为了减小线宽、提高光抽运效率，可在集成滤光吸收泡1中充入缓冲气体。容易知道，集成滤光吸收泡1中的气体也可以是铯等。具体地，参见图3，所述磁感线圈6由磁感应线圈筒16和双层线圈17构成；所述磁感应线圈筒16套设在所述腔体10外，双层线圈17绕制在所述磁感应线圈筒16外。双层线圈17为双层漆包线圈，方便统一从出线口 7出线。结合图1和图4，所述微波腔的腔体10的外侧壁上设有凹槽，所述控温部件包括热敏电阻4和加热丝5，所述热敏电阻4安装在所述腔盖9上，用于感应环境温度，并将感应到的环境温度传送到印制板8上的或外部的控温电路，所述加热丝5环绕在所述凹槽内，控温电路根据热敏电阻4的信号控制加热丝5为微波腔2加热。进一步地，所述热敏电阻4的走线方向为所述腔体10轴线方向，所述加热丝5采用双绞线形式，从而可以消除加热电流所产生的磁场纵向分量，避免了控温部件的剩磁对频标指标的影响。在本实用新型实施例中，微波腔2采用圆柱形腔的TEOl 1模设计，用于为87Rb原子基态精细结构的微波跃迁提供合适的微波场，其共振频率与作为量子鉴频参考的原子跃迁频率是一致的。显然，微波腔2也可以采用TElll模等设计。如图5所示，微波腔2中的磁场分布为沿轴向，且沿轴向方向平行，集成滤光吸收泡1放在腔中央，这样可以获得更强的磁场激励，方便原子超精细0-0跃迁。另外，腔中微波电场分布与圆柱腔的横向切面平行，这样即使圆柱腔的两个端口由于开盖及通光栅22引起的腔筒不密合，也不会切断微波电场而造成电磁损耗，方便微波电场与原子相互作用及受激辐射反馈。具体地，参见图2，所述光电池包括光电池3a与光电池北，所述光电池3a与光电池北对称放置于所述耦合环12的两侧。从图5中可以看出，微波腔中微波磁场的纵向分量的强度在耦合环两侧最强，所以在工作状态下原子共振跃迁信号最强的地方在腔体两边， 故将光电池对称地安装在中心轴线的两侧，这样能获得较好的信噪比。进一步地，所述光电池固定在印制板8上，所述印制板8通过固定螺钉18固定在腔盖9上。所述印制板8上布置了电子元件及线路，用于接收光电池3a、3b的电信号，完成检测功能；还用于与所述加热丝5和所述热敏电阻4构成回路，完成控温。具体地，参见图1和图6，所述磁屏包括内磁屏19、外磁屏20和底座15，所述底座 15上分别设有用于放置所述内磁屏19、外磁屏20和微波腔2的卡槽23，所述内磁屏19位于所述微波腔2与所述外磁屏20之间。该结构可以防止外界磁场(如地磁)对TEOll圆柱腔内原子能及的分裂及“量子化轴”的影响。进一步地，所述腔盖9和所述内磁屏19之间对应设置有第一固定装置21a，从而将所述微波腔2和所述内磁屏19固定在一起，所述内磁屏19和所述外磁屏20之间对应设有第二固定装置21b，从而将所述内磁屏19和外磁屏20固定在一起。具体地，所述第一固定装置21a、第二固定装置21b可为弹簧卡口装置。本实用新型实施例的微波腔泡装置具有以下优点第一、在集成滤光吸收泡和腔体的底部之间设置支撑部件，所述支撑部件的膨胀系数大于所述微波腔的膨胀系数；当环境温度升高时，微波腔沿其横截面方向的和轴向方向的尺寸同时变大，同时，支撑部件也伸长，且支撑部件的伸长尺寸大于微波腔的伸长尺寸，从而使实际的腔高反而缩短，在沿横截面方向的尺寸变大的情况下，可以保持微波腔的容积不变，从而可以使微波腔的谐振频率保持不变，同理，当环境温度下降时，微波腔的谐振频率也可以保持不变，从而提高铷原子频标的输出频率的稳定度。第二、集成滤光吸收泡采用集成设计，将原先的滤光泡和吸收泡集成为一个泡，利于微波腔泡装置的小型化；第三、微波腔采用圆柱形腔的TEOll模设计， 品质因素Q值高，且TEOll模的另一优点是没有轴向电流，这样，即使圆柱腔的两个端口由于开盖及通光栅引起的腔筒不密合，也不会切断微波电场而造成电磁损耗，方便微波电场与原子相互作用及受激辐射反馈；第四、加热丝采用双绞线设计，热敏电阻的走线方向为腔体轴向，基本上消除了加热电流所产生的磁场纵向分量，避免了控温部件的剩磁对原子频标指标的恶化。[0046] 以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
权利要求1.一种微波腔泡装置，包括集成滤光吸收泡(1)、微波腔O)、光电池、控温部件、磁感线圈(6)、磁屏和印制板(8)，所述集成滤光吸收泡(1)位于所述微波腔O)内，所述磁屏设置在所述微波腔( 外，所述控温部件安装在所述微波腔( 上；其特征在于，所述微波腔( 包括腔盖(9)、腔体(10)和耦合环(12)，所述腔盖(9)的中部设有通光栅0 ；所述耦合环(1 固定在所述腔盖(9)上且位于所述腔盖(9)的中心轴线上；所述光电池和印制板(8)安装在所述腔盖(9)上；所述磁感线圈(6)设于所述腔体(10)外围；所述集成滤光吸收泡(1)和所述腔体(10)的底部之间夹设有支撑部件(13)，所述支撑部件(13)的膨胀系数大于所述微波腔O)的膨胀系数。
2.如权利要求1所述的微波腔泡装置，其特征在于，所述控温部件包括热敏电阻(4)和加热丝(5)，所述热敏电阻(4)安装在所述腔盖(9)上，所述热敏电阻的走线方向为所述腔体(10)轴线方向；所述腔体(10)的侧壁上设有凹槽，所述加热丝( 采用双绞线形式且环绕在所述凹槽内。
3.如权利要求1所述的微波腔泡装置，其特征在于，所述集成滤光吸收泡(1)的内壁涂有石蜡层。
4.如权利要求1所述的微波腔泡装置，其特征在于，所述磁屏包括内磁屏(19)、外磁屏 (20)和底座(15)，所述底座(15)上分别设有用于放置所述内磁屏(19)、外磁屏(20)和微波腔⑵的卡槽(23)，所述内磁屏(19)位于所述微波腔(2)与所述外磁屏00)之间。
5.如权利要求4所述的微波腔泡装置，其特征在于，所述腔盖(9)和所述内磁屏(19) 之间设有第一固定装置Ola)，所述内磁屏(19)和所述外磁屏00)之间设有第二固定装置 (21b)。
6.如权利要求1所述的微波腔泡装置，其特征在于，所述磁感线圈(6)包括磁感应线圈筒(16)和绕制在所述磁感应线圈筒(16)外的双层线圈(17)。
7.如权利要求1所述的微波腔泡装置，其特征在于，所述微波腔(2)采用圆柱形腔的 TEOll模设计。
8.如权利要求7所述的微波腔泡装置，其特征在于，所述光电池包括光电池(3a)与光电池C3b)，所述光电池(3a)与光电池(3b)对称放置于所述耦合环(1 的两侧。
9.如权利要求1-8任一项所述的微波腔泡装置，其特征在于，所述腔盖(9)上设有调谐螺钉(11)。
10.如权利要求1-8任一项所述的微波腔泡装置，其特征在于，还包括设置于所述集成滤光吸收泡⑴与所述支撑部件(13)之间的底板(14)。
专利摘要本实用新型公开了一种微波腔泡装置，属于原子频标领域。所述微波腔泡装置包括集成滤光吸收泡、微波腔、光电池、控温部件、磁感线圈、磁屏和印制板，集成滤光吸收泡位于微波腔内，磁屏设置在微波腔外，控温部件安装在微波腔上；微波腔包括腔盖、腔体和耦合环，腔盖的中部设有通光栅；耦合环固定在腔盖上且位于腔盖的中心轴线上；光电池和印制板安装在腔盖上；磁感线圈设于腔体外围；集成滤光吸收泡和腔体的底部之间夹设有支撑部件，支撑部件的膨胀系数大于微波腔的膨胀系数。本实用新型通过通过在所述微波腔的底部和集成滤光吸收泡之间设置支撑部件，且支撑部件的膨胀系数大于微波腔的膨胀系数；可以降低温度变化对微波腔谐振频率的影响，从而提高铷原子频标的输出频率的稳定度。
文档编号H03L7/26GK202160164SQ20112022996
公开日2012年3月7日 申请日期2011年6月30日 优先权日2011年6月30日
发明者刘晓东, 王知权, 詹志明, 雷海东 申请人:江汉大学