专利名称：一种氢原子钟用的微波腔的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种氢原子钟用的微波腔，更具体涉及一种可直接用于被动 型氢原子钟中的微波谐振腔。
背景技术：
时间是一个基本物理量，对时间的计量始终伴随乃至推动着科学的发 展。二十世纪初期，原子跃迁振荡被发现可以用于时间计量，之后各种类型 的原子钟相继问世。在科学技术迅速发展的今天，原子钟的应用已经深入到 社会的许多领域，包括科技，经济以及军事应用等诸多方面。氢原子钟是目 前性能最高的一级频标之一，而且在一级频标中应用最为广泛。氢原子钟分 为主动型氢原子钟与被动型氢原子钟，其中被动型氢原子钟的性能仅比主动 型氢原子钟略低，但体积与重量显著减小，具有更好的适用性和经济性。被动型氢原子钟的工作原理是利用氢原子基态(F=l, m产0)和(F = 0， mF=0)两超精细能级之间的跃迁频率来锁定晶振。氢原子经过原子制备系统 和准直系统后，(F=l， mF=0)态的氢原子射入微波谐振腔中的储存泡，将 适当频率的微波信号注入微波谐振腔，使腔内产生微波谐振，这样原子在泡 中运动过程中就能发生受激辐射，使腔内微波能量增加，通过检测微波谐振 腔内的微波能量就可以将电路系统输出的微波信号锁定在原子跃迁谱线上， 从而可以得到具有高稳定度和高准确度的输出信号。由此可见，被动型氢原 子钟的核心是其物理部分,包括微波谐振腔、原子制备系统和选态系统等，其 中微波谐振腔占据了原子钟的大部分体积，同时其Q值、填充因子等性能直 接决定了钟的整机性能。被动型氢原子钟中的微波腔应当体积尽可能小，而对其腔Q值要求不 高，所以，这类微波腔一般都采用了具有感容结构的非标准腔结构，如由文 献Harry E. Peters, "Small, Very small, and Extremely Small Hydrogen Maser，" Proc.32nd Annual Symposium on Frequency Contro1,469, (1978)所描述的极片腔；由文献F丄.Walls, J.B. Lewis and S.B. Crampton， "Compact Cavity for Hydrogen Frequency Standard," Proc. 33 rd Annual Symposium on Frequency Control，543，(1979)所描述的极片腔；由文献N.A.Demidov. A.A.Belyaev, B.A.Sakharov， A.A.Uljanov, " Passive Hydrogen Maser Frequency Stability And Accuracy Investigations" Proc.7th European Frequency and Time Forum Neuchatel, 1,(1993)中描述的磁控管腔；以及由文献Mei Ganghua， Zhong Da， An Shaofeng, et al. Miniatured microwave cavity for atomic frequency standard [P]. U S Patent: 6 225 870 Bl， 2001.所描述的开槽管腔。这几种腔的相似之处在于，都具有由轴 对称于微波腔中轴线分布的电极和电极间隙构成的感容结构，由这种感容结 构诱导微波场。其中电极的作用相当于电感，电极间隙的作用相当于电容。 微波腔的谐振频率由腔内的感容结构参数决定。这类腔结构的优势是体积 小，场型合理，腔Q值较高。但是早期的电极腔的电极是粘贴在原子储存泡 的泡壁上，所以加工精度差，频率调节困难；磁控管腔的电极直接连接在腔 壁上，造成加工精度要求高，腔频调节比较困难；开槽管腔应用在被动型氢 钟上时存在Q值略低，机械强度不足的问题。发明内容本发明的目的是在于提供一种氢原子钟用的微波腔，克服目前微波腔加 工精度差、频率调节困难、机械强度不足的技术问题。 为了达到上述目的，本发明的技术方案如下一种氢原子钟用的微波腔，包括电极管、圆柱腔体、原子储存泡；所述原子储存泡安装在腔底座上，电极管套装于原子储存泡外并连接在圆柱腔体上作 为圆柱腔体的顶端。所述电极管上设有数片轴对称分布的电极，电极通过金属立柱与电极管 相连。电极上设有金属加强筋。所述腔底座通过螺钉连接在圆柱腔体作为微波腔的底端。 电极管顶部安装有调频旋钮。 圆柱腔体的侧面安装有微波耦合环。 腔底座上安装有变容耦合环。圆柱腔体和腔底座上饶制有加热线圈。本发明的微波腔具有结构简单，机械强度高，易加工的特点，其微波场 场型分布均匀，腔频易调，可用于制作高性能被动型氢原子钟。
图1为本发明的氢原子钟用微波腔的结构示意图； 图2为本发明的氢原子钟用微波腔内电极管的结构示意图； 图3为图2中的电极管周围产生的微波谐振场型示意图。
具体实施方式
下面根据图1至图3，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述，使能 更好地理解本发明的功能、特点及结构。图1为本发明的氢原子钟用微波腔的结构示意图。如图1所示，本发明的 氢原子钟用微波腔由电极管l、圆柱腔体2、腔底座3、原子储存泡4、调频旋 钮5、微波耦合天线6、变容耦合环7、加热线圈8构成。电极管1和圆柱腔 体2通过螺钉连接，腔底座3和圆柱腔体2也通过螺钉连接。原子储存泡4安装在腔底座3上，用于储存氢原子，以参与微波共振跃 迁。电极管1套装于原子储存泡4外，通过螺钉9连接在圆柱腔体2上，用于 诱导产生环绕其周围的微波场，产生的微波场类似于TE011模式，可用于激 发原子储存泡4内氢原子的微波共振跃迁。调频旋钮5通过螺纹方式安装在电 极管1上，用于微调腔频。圆柱腔体2安装在电极管1夕卜，作为微波腔的腔 体。腔底座3通过螺钉9连接在圆柱腔体2上，作为微波腔的一个端面。加热 线圈8a分别绕制在圆柱腔体2上，加热线圈8b绕制在腔底座3上，通电后可 加热微波腔，用于保持微波腔温度的稳定。微波耦合环6通过螺钉9安装在 圆柱腔体2的侧壁上，用于将微波信号导入微波腔中，微波耦合环6:通过螺 钉9安装在圆柱腔体2的侧壁上，用于探测腔内的微波信号。变容耦合环7 通过螺钉安装在腔底座3上，用于稳定腔频。通过以上方式就可以组装一套 完整的被动型氢钟微波腔。本发明的特点还在于电极管1上固定有数片轴对称分布的电极11，这些 电极11上设计了一定高度的金属加强筋12以保证其强度，电极11通过金属立柱13与电极管1上端相连，电极管1装入圆柱腔体2，这样电极相当于电 感，电极之间存在一定间隙，相当于电容。通过这种感容结构，使微波在微 波腔中产生谐振。微波通过微波耦合环进入微波腔中，在感容结构的作用 下，在微波腔内产生了环绕电极的微波谐振。微波场型如图3所示。产生的 微波场类似于TE011模式，在原子储存泡4附近的微波磁场呈轴向均匀分 布，满足激发泡内氢原子发生微波共振跃迁的要求。由于采用金属立柱13来 支撑电极11，同时利用金属加强筋12对电极11进行加强，所以这种结构较 传统的极片腔和开槽管腔更加坚固，加工精度更高。同时，金属立柱13和金 属加强筋12占用的腔体积较小，对微波腔内的微波场型影响较小，所以这种 结构的腔Q值较磁控管腔和开槽管腔更高，能够达到10000以上。电极管1 的设计可以使电极11与腔体分离加工，通过调节电极11间隙可以方便地粗调 微波腔内的共振频率。这样，即保证了腔结构的加工精度，又可以很方便地 进行腔频调节，对加工的要求较磁控管腔大为降低，所以便于加工制造。通 过调节调频旋钮5在电极管1上的位置，可以实现微调腔频，确保腔内微波共 振频率与氢原子跃迁频率保持一致，所以腔频容易调节。综上所述，本发明与现有技术相比，具有以下优点腔Q值高，结构强 度高，微波场的场型均匀，腔频调节方便，结构简单，易加工。前面提供了对较佳实施例的描述，以使本领域内的任何技术人员可使用 或利用本发明。对该较佳实施例，本领域内的技术人员在不脱离本发明原理 的基础上，可以作出各种修改或者变换。应当理解，这些修改或者变换都不 脱离本发明的保护范围。
权利要求
1、一种氢原子钟用的微波腔，包括电极管、圆柱腔体、原子储存泡；其特征在于，所述原子储存泡安装在腔底座上，电极管套装于原子储存泡外并连接在圆柱腔体上作为圆柱腔体的顶端。
2、 根据权利要求l所述的一种氢原子钟用的微波腔，其特征在于，所述 电极管上设有数片轴对称分布的电极，电极通过金属立柱与电极管相连。
3、 根据权利要求2所述的一种氢原子钟用的微波腔，其特征在于，电极 上设有金属加强筋。
4、 根据权利要求l所述的一种氢原子钟用的微波腔，其特征在于，所述 腔底座通过螺钉连接在圆柱腔体作为微波腔的底端。
5、 根据权利要求1至4中任一权利要求所述的一种氢原子钟用的微波腔， 其特征在于，电极管顶部安装有调频旋钮。
6、 根据权利要求1至4中任一权利要求所述的一种氢原子钟用的微波腔， 其特征在于，圆柱腔体的侧面安装有微波耦合环。
7、 根据权利要求1至4中任一权利要求所述的一种氢原子钟用的微波腔， 其特征在于，腔底座上安装有变容耦合环。
8、 根据权利要求1至4中任一权利要求所述的一种氢原子钟用的微波腔， 其特征在于，圆柱腔体和腔底座上饶制有加热线圈。
全文摘要
本发明公开了一种氢原子钟用的微波腔，包括电极管、圆柱腔体、原子储存泡；所述原子储存泡安装在腔底座上，电极管套装于原子储存泡外并连接在圆柱腔体上作为圆柱腔体的顶端。本发明的微波腔具有结构简单，机械强度高，易加工的特点，其微波场场型分布均匀，腔频易调，可用于制作高性能被动型氢原子钟。
文档编号H01P7/06GK101567691SQ20081003642
公开日2009年10月28日 申请日期2008年4月22日 优先权日2008年4月22日
发明者戴家瑜, 林传富, 谢勇辉, 陈文星 申请人:中国科学院上海天文台