一种用于小型氢原子钟的蓝宝石加载微波腔的制作方法

本发明涉及原子钟技术领域。更具体地，涉及一种用于小型氢原子钟的蓝宝石加载微波腔。

背景技术：

原子钟是一种利用原子吸收或释放能量时发出的电磁波来计时的精密时间计量仪器，广泛应用于定位、导航、通信、军事等多个领域。由于这种电磁波非常稳定，再加上利用一系列精密的仪器进行控制，原子钟的计时就可以非常准确。现在用在原子钟里的元素有氢(hydrogen)、铯(cesium)、铷(rubidium)等，原子钟的精度可以达到每2000万年误差1秒，这为天文、航海、宇宙航行提供了强有力的保障。

随着卫星激光测距(slr)、甚长基线干涉(vlbi)等空间大地测量技术的发展，氢原子钟作为目前最实用的地面频率标准，已经应用于世界各国地面观测站的建设中。传统的主动型氢原子钟质量大、体积大，许多学者都在氢原子钟小型化方向上进行探索。采用蓝宝石作为填充介质的谐振腔能有效解决氢原子钟小型化的问题，它不仅能减小谐振腔的体积和质量，还能保持接近传统主动型氢原子钟的频率稳定度。蓝宝石氢原子钟因体积小、可靠性高，在国防、工业中得到了广泛应用。

微波腔是蓝宝石氢原子钟的核心部件，腔内氢原子贮存区域要实现优于1e-6pa的真空度。腔内贮存区域的体积的大小和贮存区域的真空密封的可靠性直接影响整机的可靠性和性能。目前蓝宝石氢原子钟采用的蓝宝石介质加载微波腔贮存体积较小；真空密封形式可靠性较差；贮存区域涂膜工艺实现难度较大。

现有技术方案中，蓝宝石填充介质分为三部分，这三部分通过特殊的工艺手段实现真空密封连接。实现这三部分的真空密封连接的工艺方法难度较大且实现密封处可靠性较差，这种填充介质在使用一段时间后在密封处就会出现真空泄漏。这对蓝宝石氢原子钟是致命的。另外，蓝宝石内部的贮存区域的内壁需要涂覆三层高分子聚合材料，由于实现三块蓝宝石填充介质的真空密封过程会对内壁的高分子涂层造成不同程度的污染，这种污染会对脉泽跃迁信号的寿命产生影响。另外，由于现有技术方案实现的蓝宝石填充介质的可靠性，采用这种形式的蓝宝石氢钟只能应用于地面环境实验室内，对条件较为复杂和车载、机载、航天等环境条件下的应用无法满足。

因此，需要提供一种用于小型氢原子钟的蓝宝石加载微波腔。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种高可靠性、高性能的蓝宝石加载微波腔，以解决传统方案实现工艺复杂、性能和可靠性差的问题。整个腔体外形尺寸与传统方案相同，内部填充体积大大增加。这既保证了原子钟的小型化，同时也提高整机性能和整机的环境适应性。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种用于小型氢原子钟的蓝宝石加载微波腔，包括微波腔筒、蓝宝石填充介质和氢原子贮存泡，其中

蓝宝石填充介质设置于微波腔筒内部，包括楔形叠加连接的第一介质环、第二介质环和第三介质环；

氢原子贮存泡设置于第一介质环、第二介质环和第三介质环围成空间内部。

通过对蓝宝石微波腔的加载与贮存进行分离，同时兼顾可靠性、指标性能提高、成本控制，采用三部分楔形蓝宝石叠加介质环作为微波腔的加载物质，提供了一种高可靠性、高性能的蓝宝石加载微波腔，解决了传统方案实现工艺复杂、性能和可靠性差的问题。在保证整个腔体外形尺寸与传统方案相同的情况下，大大增加了内部填充体积，这既保证了原子钟的小型化，同时也提高整机性能和整机的环境适应性。

可选的，氢原子贮存泡为石英贮存泡。

在介质环内采用国内国际上传统的可用于星载等环境下的石英泡作为原子的贮存区域。

可选的，基于仿真设计蓝宝石填充介质和氢原子贮存泡的尺寸。

本发明的蓝宝石加载微波腔的腔体，在外形尺寸保持不变的情况下，增大了原子贮存区域。

可选的，蓝宝石介质与微波腔点接触。

蓝宝石填充介质由于采用形式简单的楔形介质环，材料成本和加工成本大大降低；蓝宝石填充介质与微波腔实现点接触，没有原设计的与外部连接的热通路，较大程度的提高了蓝宝石的保温特性。

可选的，在石英贮存泡内壁涂膜。

由于贮存泡采用石英泡形式，内壁涂覆质量大大提高，优化了氢原子钟的长期稳定性和频率漂移特性。

可选的，蓝宝石加载微波腔还包括频率调谐装置。

可选的，蓝宝石加载微波腔还包括频率耦合装置。

本发明的有益效果如下：

1、本发明的蓝宝石加载微波腔的原子贮存区域增大，提高脉泽跃迁信号质量；

2、本发明的蓝宝石加载微波腔的蓝宝石与微波腔实现点接触提高微波腔的保温特性，提升整机的温度特性；

3、本发明的蓝宝石加载微波腔的贮存泡涂膜改为在石英泡内壁涂膜的工艺方法，方法成熟较易实现，解决传统方案密封方法对于涂层的污染问题；

4、本发明的蓝宝石加载微波腔的整个腔体实现工艺简单，整体加工成本大幅降低。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出用于小型氢原子钟的蓝宝石加载微波腔剖面结构示意图。

图中，1-微波腔金属筒；2-微波频率调谐装置；3-蓝宝石填充介质环；4-石英贮存泡；5-频率耦合装置。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

本发明提供了一种高可靠性、高性能的蓝宝石加载微波腔，解决了传统方案实现工艺复杂、性能和可靠性差的问题。整个腔体外形尺寸与传统方案相同，内部填充体积大大增加。这既保证了原子钟的小型化，同时也提高整机性能和整机的环境适应性。

根据传统方案的蓝宝石微波腔的缺陷，我们对蓝宝石微波腔的加载与贮存进行分离。同时兼顾可靠性、指标性能提高、成本控制，我们采用三部分楔形蓝宝石叠加介质环作为微波腔的加载物质。在介质环内采用国内国际上传统的可用于星载等环境下的石英泡作为原子的贮存区域。通过仿真确定了环和贮存泡的尺寸。新设计的腔体外形尺寸与原有尺寸相同；原子贮存区域由原来的0.7l增大为1l；蓝宝石填充介质由于采用形式简单的楔形介质环，材料成本和加工成本大大降低；蓝宝石填充介质与微波腔实现点接触，没有原设计的与外部连接的热通路，较大程度的提高了蓝宝石的保温特性。同时由于贮存泡采用石英泡形式，内壁涂覆质量大大提高，这对于氢原子钟的长期稳定性和频率漂移特性都有较大的优化。

下面以一具体的实施例来说明本发明，但不限定本发明的保护范围。

一种用于小型氢原子钟的蓝宝石加载微波腔，包括微波腔筒、蓝宝石填充介质和氢原子贮存泡，其中宝石填充介质设置于微波腔筒内部，包括楔形叠加连接的第一介质环、第二介质环和第三介质环；氢原子贮存泡设置于第一介质环、第二介质环和第三介质环围成空间内部。本发明中用于小型氢原子钟的蓝宝石加载微波腔还包括频率调谐装置和频率耦合装置。

具体地，本实施例中，用于小型氢原子钟的蓝宝石加载微波腔包括微波腔金属铜1、微波腔频率调谐装置2、蓝宝石填充介质环3、适应贮存泡4及频率耦合装置5。

本实施例中，氢原子贮存泡为石英贮存泡并在石英贮存泡内壁涂膜。进一步地，基于仿真设计蓝宝石填充介质和氢原子贮存泡的尺寸，实现了蓝宝石介质与微波腔的点接触。

通过对蓝宝石微波腔的加载与贮存进行分离，同时兼顾可靠性、指标性能提高、成本控制，采用三部分楔形蓝宝石叠加介质环作为微波腔的加载物质，提供了一种高可靠性、高性能的蓝宝石加载微波腔，解决了传统方案实现工艺复杂、性能和可靠性差的问题。在保证整个腔体外形尺寸与传统方案相同的情况下，大大增加了内部填充体积，这既保证了原子钟的小型化，同时也提高整机性能和整机的环境适应性。在介质环内采用国内国际上传统的可用于星载等环境下的石英泡作为原子的贮存区域。基于仿真设计蓝宝石填充介质和氢原子贮存泡的尺寸，在外形尺寸保持不变的情况下，增大了原子贮存区域。蓝宝石填充介质由于采用形式简单的楔形介质环，材料成本和加工成本大大降低；蓝宝石填充介质与微波腔实现点接触，没有原设计的与外部连接的热通路，较大程度的提高了蓝宝石的保温特性。由于贮存泡采用石英泡形式，内壁涂覆质量大大提高，优化了氢原子钟的长期稳定性和频率漂移特性。

工作时，石英贮存泡与下部金属部件实现高可靠的密封连接。经过选态的氢原子进入贮存泡内部，在贮存泡内部实现从高能级向低能级的跃迁动作，同时放出频率为1420.405751mhz的微波信号。由于微波腔的te011模式调谐在该频点，所以原子跃迁的能量就在腔内实现驻波振荡，通过腔上的耦合装置就会得到脉泽信号。

基于这种方案的微波腔有以下优点：1、原子贮存区域增大，提高脉泽跃迁信号质量；2、蓝宝石与微波腔实现点接触提高微波腔的保温特性，提升整机的温度特性；3、贮存泡涂膜改为在石英泡内壁涂膜的工艺方法，方法成熟较易实现，解决传统方案密封方法对于涂层的污染问题；4、整个腔体实现工艺简单，整体加工成本大幅降低。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的属于“第一”、“第二”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法或设备固有的气体步骤或单元。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。