一种H面弯曲π相位差环形拉姆齐微波腔的制作方法

本发明涉及原子钟研究领域，特别是涉及一种用于束型原子钟的h面弯曲π相位差环形拉姆齐微波腔。

背景技术：

准确度和稳定度是评估原子钟性能的两个关键指标。相比气室型原子钟，束型原子钟因其避免了原子间，以及原子和玻璃气室壁间的碰撞效应，在准确度上显著优于气室钟，同时还保持着工程化原子钟的最佳长期稳定度记录。最著名的束型原子钟当属原惠普公司开发的著名磁选态铯原子钟，该原子钟自上世纪60年代开发成功后，又经过了几次改进，现已商品化生产数十年，其性能优异，可靠性高，广泛应用于全球的守时授时体系，并长期定义了标准时间——“秒”(l.s.cutler“fiftyyearsofcommercialcaesiumclocks”，metrologia，42，s90-s99，2005)。国际上其他希望建立自主导航系统和时频体系的国家都在投入相当精力进行技术和工艺攻关，以期尽快实现铯束钟的科学和工程应用。

铯束钟性能的优异以其各项不确定度的准确评估为基础，提高准确度的过程本质上就是首先找到不确度的来源，然后对其进行定量评估，并据此找到降低该项不确定度的方法。目前已确认的影响束钟的不确定来源有约十项，包括静磁场相关频移、腔相移(包括端端腔相移和分布腔相移)、二阶多普勒频移、二阶塞曼频移、黑体辐射频移、腔牵引效应、邻钟跃迁牵引(拉比牵引和拉姆齐牵引)、光频移、微波谱和伺服系统引起的频移等。在以上各不确定来源中，最大的不确定度来自于腔相移(b.boussert等“frequencyperformancesofaminiatureopticallypumpedcesiumbeamfrequencystandard”ieeetransactionsonultrasonics，ferroelectrics，andfrequencycontrol，46(2)，1999)。换言之，目前束型钟准确度的进一步提高主要受限于提供分离振荡场的拉姆齐微波腔，故国际上一直在尝试改进拉姆齐腔的设计。

在这一背景下，先后出现了零相位差u形腔(r.e.drullinger“opticallypumpedprimaryfrequencystandards”，44thannualsymposiumonfrequencycontrol，pp76-81，1990)和π相位差u形腔(c.audoin等“propertiesofanopticallypumpedcesium-beamfrequencystandardwithφ＝πbetweenthetwooscillatoryfields”，ieeetransactionsoninstrumentationandmeasurement，43(4)，1994)。其中π相位差拉姆齐腔由于在原子-微波共振处原子跃迁几率最小，使得散粒噪声更小，钟信号相对更优。但无论采用哪种u形拉姆齐腔，束型钟的腔相移依然十分显著。

上世纪九十年代，拉比奖得主，物理学家andreademarchi从理论上建议了一种环形拉姆齐腔，指出在相同加工精度下其带来的腔相移明显小于传统u形腔(a.demarchi等“anewcavityconfigurationforcesiumbeamprimaryfrequencystandards”，ieeetransactionsoninstrumentationandmeasurement，37(2)，1988)。而后，美国国家标准技术研究院的基准原子钟便采用了e面弯曲零相位差环形拉姆齐腔(w.d.lee等“theaccuracyevaluationofnist-7”，ieeetransactionsoninstrumentationandmeasurement，44(2)，1995)，日本国家计量院则采用了h面弯曲零相位差环形拉姆齐腔(k.hagimoto等“reevaluationoftheopticallypumpedcesiumfrequencystandardnrlm-4withanh-bendringcavity”，ieeetransactionsoninstrumentationandmeasurement，57(10)，2008)。以上零相位差环形拉姆齐腔的使用使得腔相移相关不确定度降低了半个数量级以上，但该项不确定度目前仍是束型钟的主要不确度来源之一。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种h面弯曲π相位差环形拉姆齐微波腔，降低腔相移，提高束型原子钟的准确度。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种h面弯曲π相位差环形拉姆齐微波腔，所述微波腔包括：直矩形波导、环形腔体、探针座、探针和截止波导管；所述直矩形波导的开放终端分别与所述环形腔体连接，所述环形腔体由矩形截面波导呈h面弯曲闭合而成；所述直矩形波导e面中央位置开设有一个圆孔，所述探针座安装于所述圆孔上方；所述探针内嵌于所述探针座中，所述环形腔体上对称地开设有供原子束通过的束孔，所述截止波导管分别与所述束孔连接；所述直矩形波导工作在奇次模式，所述环形腔体工作在偶次模式。

可选的，所述直矩形波导、所述环形腔体和所述截止波导管采用无氧铜材质。

可选的，所述直矩形波导和所述环形腔体的截面尺寸相同。

可选的，所述探针采用同轴探针。

可选的，所述同轴探针包括外导体、中间层介电材料和内导体，所述外导体、所述中间层介电材料和所述内导体均固定于所述探针座内部，所述内导体通过所述圆孔深入到所述直矩形波导的内部。

可选的，所述直矩形波导的工作模式为te10m模，其中纵向模式数m为奇数。

可选的，所述环形腔体的工作模式为te10n模，其中角向模式数n为偶数。

可选的，所述环形腔体和所述截止波导管的数量均为两个。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供一种h面弯曲π相位差环形拉姆齐微波腔，所述微波腔包括：直矩形波导、环形腔体、探针座、探针和截止波导管；所述直矩形波导的开放终端分别与所述环形腔体连接，所述环形腔体由矩形截面波导呈h面弯曲闭合而成；所述直矩形波导e面中央位置开设有一个圆孔，所述探针座安装于所述圆孔上方；所述探针内嵌于所述探针座中，所述环形腔体上对称地开设有供原子束通过的束孔，所述截止波导管分别与所述束孔连接；所述直矩形波导工作在奇次模式，所述环形腔体工作在偶次模式，使得所述两束孔位置处的微波磁场相位差为π。本发明h面弯曲π相位差环形拉姆齐微波腔可有效降低束型原子钟的分布腔相移，提高束型原子钟的准确度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明拉姆齐微波腔纵向剖面示意图；

图2为本发明拉姆齐微波腔横向剖面图；

图3为本发明拉姆齐微波腔三维结构图；

图4为本发明拉姆齐微波腔中直波导段微波电场分布；

图5为本发明拉姆齐微波腔中环形腔区域微波电场分布；

图6为本发明拉姆齐微波腔中微波磁场分布；

图7为本发明拉姆齐微波腔中原子束行进路径上的微波磁场分布。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种h面弯曲π相位差环形拉姆齐微波腔，降低腔相移，提高束型原子钟的准确度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明拉姆齐微波腔纵向剖面示意图。图2为本发明拉姆齐微波腔横向剖面图。图3为本发明拉姆齐微波腔三维结构图。如图1、2和3所示，一种h面弯曲π相位差环形拉姆齐微波腔，所述微波腔包括：直矩形波导1、环形腔体2、探针座4、探针5和截止波导管7；所述直矩形波导1的开放终端分别与所述环形腔体2连接，所述直矩形波导1的e面中央位置开设有一个圆孔3，所述探针座4安装于所述圆孔3上方；所述探针5内嵌于所述探针座4中，所述环形腔体2上对称地开设有供原子束通过的束孔6，所述截止波导管7分别与所述束孔6连接；所述直矩形波导1工作在奇次模式，所述环形腔体2工作在偶次模式。

所述直矩形波导1、所述环形腔体2和所述截止波导管7采用无氧铜材质。所述环形腔体2和所述截止波导管7的数量均为两个。两环形腔体2由矩形截面波导呈h面弯曲闭合而成，直矩形波导1和两环形腔体2的截面尺寸相同。直矩形波导1和两环形腔体2的主要作用是在所发明腔体内部维持激励原子束钟跃迁所需的微波磁场。

所述探针5采用同轴探针。所述同轴探针5包括外导体51、中间层介电材料52和内导体53，所述外导体51、所述中间层介电材料52和所述内导体53均固定于所述探针座4内部，所述内导体53通过所述圆孔3深入到所述直矩形波导1的内部。同轴探针5的作用是将微波信号通过内导体53，以电耦合方式耦合进入直矩形波导1中，使得直矩形波导1中的电磁场模式为te10m模，其中纵向模式数m为奇数，两开放终端位置处的微波磁场相位相反。

直矩形波导1中的电磁场经过其两个开放终端，以磁耦合方式耦合进入两个环形腔体2中，使得两个环形腔体2中的电磁场模式均为te10n模，其中角向模式数n为偶数。

直矩形波导1中的奇次模电磁场分布和两环形腔体2中的偶次模电磁场分布共同使得两个束孔6之间的微波磁场相位差为π。两个束孔6之间的距离为所发明拉姆齐微波腔的漂移区。

截止波导管7的作用是提供原子束通道，并减少束孔6处的微波泄漏。

直矩形波导1和两环形腔体2一起构成了h面弯曲π相位差环形拉姆齐微波腔的本体结构。该本体结构在同轴探针5的内导体53的电激励下，可在原子-微波两个互作用区，即两束孔6内产生大小相等，但方向相反的微波磁场分布。该微波磁场为通过束孔6和截止波导管7的原子发生基态磁偶极钟跃迁提供了分离振荡场。

具体实施例1：

以适用于铯束原子钟的9.2ghzh面弯曲π相位差环形拉姆齐微波腔为例，它的直矩形波导和环形腔体的横截面尺寸均为22.86mm×10.16mm。工作过程中，铯原子束首先经过截止波导管进入第一个原子-微波互作用区(束孔)，然后经过束孔之间的漂移区进入第二个原子-微波互作用区，即实现了原子束的空间分离振荡激励，并从截止波导管离开本发明拉姆齐微波腔。为使两个束孔(原子-微波互作用区)之间的微波磁场大小相等，方向相反，即具有π相位差，需将直矩形波导和环形腔体内的微波场工作模式分别设计成奇次模工作和偶次模工作。

图4为本发明拉姆齐微波腔中直波导段微波电场分布。图5为本发明拉姆齐微波腔中环形腔区域微波电场分布。当直矩形波导的纵向长度约为112mm，环形腔角向总长度约为141mm时，直波导段和环形腔内的场模式分别为te105模(如图4中微波电场的分布图所示)和te106模(如图5微波电场的分布图所示)，此时，本发明拉姆齐腔的谐振频率约为9.2ghz。由图4可见，位于直波导e面中央的探针内导体处于电场最强位置，其以电激励的方式在直矩形波导内激励起te105模微波场分布。同时，在直矩形波导的两个开放终端位置微波磁场最强，通过终端磁耦合，两环形腔体内被激励起偶次模te106模。由于te105模在直矩形波导两开放终端位置处分布的微波磁场大小相等，方向相反，故使两个原子-微波互作用区位置处的磁场亦同步大小相等，方向相反，即相位差为π。图6为本发明拉姆齐微波腔中微波磁场分布。图7为本发明拉姆齐微波腔中原子束行进路径上的微波磁场分布。通过这两幅图，可更直观地确认本发明拉姆齐微波腔在两个互作用区处的微波磁场相位差为π。

在降低腔相移上，环形拉姆齐腔比u形拉姆齐腔更优，而在环形拉姆齐腔中，π相位差环形拉姆齐腔又优于零相位差环形拉姆齐腔。基于此，本发明提供了一种用于束型原子钟的h面弯曲π相位差环形拉姆齐微波腔。该发明中拉姆齐腔的直波导段工作在奇次模式下，环形腔部分工作在偶次模式下。直波导段内的微波场由位于其e面中央的同轴探针以电激励方式耦合入腔，而环形腔部分的微波场则由直波导段的两个开放终端经磁耦合方式耦合入腔。由于直波导两个开放终端位置处的微波磁场之间相位差为π，使得两个原子-微波互作用区之间的相位差同样为π，这是本发明拉姆齐腔的主要特点。与此同时，本发明拉姆齐腔的微波馈入探针位于原子钟物理系统——真空束管内部，这使c场线圈和磁屏蔽罩的结构得以简化，同时提高了c场均匀性和磁屏蔽效果。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的系统及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。