一种铷原子频标泡频控制方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种铷原子频标泡频控制系统，包括物理系统和微波腔，微波腔内设置有内泡，内泡通过玻璃管与外泡连通，外泡设置在外泡加热系统中；物理系统包括加热装置、光谱灯、光检装置；本系统还包括锁相放大器、计数器、微波源。本发明还公开了一种铷原子频标泡频控制方法，制作内泡和外泡；加热微波腔达到预定温度；对外泡进行加热直至晶振输出频率达到预定频率；第一次封割；第二次封割。本发明对电路要求低，便于整机的实现；泡频控制精度高,且易实现。
【专利说明】一种铷原子频标泡频控制方法及系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及原子频标领域，更具体涉及一种铷原子频标泡频控制方法，同时还涉 及一种铷原子频标泡频控制的系统，适用于铷原子频标（铷原子钟）的研制中。
【背景技术】
[0002] 频率准确度表征了原子频标输出频率与标称频率的吻合程度，是描述原子频标性 能的一项重要指标。对于铷原子频标，其频率准确度一般用铷原子频标输出频率与标称频 率的相对方差根值来表征。
[0003] 铷原子频标系统主要由作为鉴频器的物理系统和电路系统组成。物理系统主要由 谱灯和腔泡系统构成，其中铷原子频标工作物质金属 87Rb处于腔泡系统的吸收泡内，87Rb原 子基态（〇,〇)跃迁频率铷原子频标的频率基准。我们称 87Rb基态（0,0)跃迁频率为吸收泡 泡频，本发明涉及的泡频控制即为控制此频率。
[0004] 在典型的铷频标系统中，压控晶体振荡器（简称晶振）输出频率为? (通常为 10MHz)，经683. 46875倍频得到频率为\的信号后，输入物理系统微波谐振腔。去激励原 子跃迁。设吸收泡泡频为u。，则晶振频率u与泡频%满足关系(式1)。 由（式1)可知，晶振输出频率由吸收泡泡频决定，而晶振频率就是铷频标的输出频率。
[0005] 在铷原子频标中，综合器可采取两种设计方案，一种是数字综合器方案，一种是模 拟电路综合器方案。数字综合器方案产生的尾数频率信号的频率可大范围调节。采用这种 方案时，若吸收泡泡频U。不准确，则可以通过调节综合器频率u s来实现对晶振频率u的 精确控制。但这种方案的缺点是电路相位噪声比较大，限制铷钟的频率稳定度指标，而且此 方案使用^的数字集成电路模块抗辐照特性较差，不利于复杂环境使用（如星载环境）。因 此，一般采用模拟电路综合器方案。这种方案相噪小、可靠性高，但存在只能产生固定频率 的缺点，为了保证铷钟输出频率准确度满足要求，使得吸收泡泡频也必须为精确，该方 案即要求加工吸收泡时泡频能够实现精确控制。
[0006] 在铷原子频标系统中，吸收泡中充入了甲烷和氮气作为缓冲气体。引入缓冲气体 后，会引起87Rb基态能级的微小移动，造成吸收泡泡频的移动。这种频移与缓冲气体的气压 成正比，所以称这种频移为压力频移。正是利用这一压力频移特性，通过制造吸收泡时适当 改变缓冲气体压力来实现精确控制泡频。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是在于针对现有技术存在的上述问题，提供了一种铷原子频标泡频 控制方法，该方法能够在实时获知吸收泡泡频的同时连续缓慢地改变吸收泡内压力，从而 改变吸收泡的泡频，达到精确控制泡频。
[0008]本发明的另一个目的在于提供了一种铷原子频标泡频控制系统，该系统可实现在 吸收泡生产过程中在线实时检测并调节泡频，这样使得吸收泡的成品率大幅度提高。
[0009]为了达到上述的目的，本发明采用以下技术措施：
[0010] -种铷原子频标泡频控制系统，包括物理系统，还包括微波腔，微波腔内设置有内 泡，内泡通过玻璃管与外泡连通，外泡设置在外泡加热系统中；物理系统包括对微波腔进行 加热的加热装置、对内泡进行照射的光谱灯、对透过内泡的光谱灯光进行检测并输出光检 信号的光检装置；还包括用于接收光检信号并输出控制电压到晶振的锁相放大器、用于对 晶振的输出频率进行计数的计数器、用于输出微波信号到内泡的微波源，晶振输出的频率 信号作为微波源参考输入。 '
[0011] 一种铷原子频标泡频控制方法，其步骤是：
[0012] 步骤1、制作内泡和外泡，内泡和外泡通过玻璃管相连通；
[0013] 步骤2、将内泡置于微波腔中，将吸收泡的外泡安装至外泡加热系统中独立温控， 通过物理系统的加热装置加热微波腔，使得微波腔中的内泡加热达到 7〇°C，微波源产生微 波信号送入到内泡中，同时光谱灯对内泡进行照射，物理系统的光检装置对透过吸收泡内 泡的光谱灯的光进行探测得到光检信号，光检信号接入到锁相放大器，锁相放大器输出控 制电压控制晶振输出，计数器监测晶振的输出信号频率，通过示波器监测光检信号直至示 波器显示的光检信号频率为272Hz后等待30分钟后进入步骤3 ;
[0014] 步骤3、通过外泡加热系统对外泡进行加热，直至晶振输出频率达到 9, 999, 999· 985 ±0. 01Hz，保持吸收泡的外泡的温度不变40分钟后进入步骤4 ;
[0015] 步骤4、进行一次封割，用手喷枪火头切断连接内泡和外泡的玻璃管；一次切割之 后，等待直至计数器频率不再变化；
[0016] 步骤5、将内泡从微波腔中取出，用喷灯火头对内泡尾部的连接管进行第二 次封割，控制泡尾长度小于2mm ;将切割好的内泡放回微波腔，将吸收泡的内泡的泡 尾置于喷枪火头上加热烘烤，微调泡尾长度直至使的计数器测得的晶振输出频率为 10, 000, 000. 102Hz±0. 01Hz ;
[0017] 步骤6、将封割后制成的内泡在150?环境老化48小时后测量内泡的泡频，选取 10, 000, 000· 073Hz±0. 01Hz 的内泡。
[0018] 因此，通过在吸收泡封割之前预设合理的泡频值，以及在封割操作工程中对各个 环节泡频变化的精确控制，就可以实现对加工出的吸收泡泡频的精确控制。
[0019] 本发明与现有技术相比，具有以下优点：
[0020] 1、对电路要求低，便于整机的实现；
[0021] 2、泡频控制精度高，且易实现
【专利附图】
【附图说明】
[0022] 图1为一种吸收泡双泡结构示意图。
[0023] 图2为一种铷原子频标泡频控制系统的结构示意图。
[0024] 图中，卜物理系统、2-内泡、3-外泡、4-外泡加热系统、5-微波源、6-锁相放大器、 7-计数器、8-晶振、9-示波器、10-微波腔。
【具体实施方式】
[0025] 以下结合附图对本发明的技术方案作进一步详细描述。
[0026] 一种铷原子频标泡频控制方法，其步骤是：
[0027] 步骤1、将吸收泡制成双泡结构（图1)
[0028] 首先将吸收泡制成一个双泡结构（双泡尺寸可以按照具体需求进行制作）（图1)。 吸收泡的内泡和外泡通过玻璃管相连通（一般取直径1. 5mm左右），这样可以保证两泡之内 缓冲气体压力相同。那么其中一个泡内气体压力变化时，另外一个也随之变化，从而实现对 原子跃迁频率的改变。
[0029] 步骤2、铷原子频标泡频控制系统搭建，它包括物理系统1、吸收泡的内泡2、吸收 泡的外泡3、外泡加热系统4、微波源5、锁相放大器6、计数器7、晶振8、示波器9、微波腔10。 吸收泡的内泡2置于铝合金材料制作的圆筒形微波腔10中（可通过微波腔对吸收泡的内 泡2加热），将吸收泡的外泡3安装至操作平台上另一独立的外泡加热系统4中独立温控。 系统通电后，物理系统1加热至工作温度，此过程中微波腔10将被加热，同时微波腔10通 过热传导效应对置于其内部的吸收泡的内泡2加热，使其温度达到70°C。微波源5可使用 agilent公司的E8267D微波源，由晶振8输出的频率信号作为其参考信号，微波源5提供 物理系统1工作所需要的6834. 6875MHz调相微波信号。微波信号送入内泡2,吸收泡的内 泡2中的铷原子受微波信号激励，发生微波共振跃迁，同时物理系统中的光谱灯发光，对吸 收泡的内泡2进行照射，在光抽运、光检测等物理机理作用下，物理系统1对透过吸收泡内 泡2的光谱灯的光进行探测，将输出光检信号（此信号与微波调制相关），把光检信号接入 锁相放大器6,锁相放大器6输出电压控制晶振8输出。示波器9用于监测光检信号，计数 器7精确读取晶振8的输出信号频率。
[0030] 整个系统通电后，物理系统各部件开始加热，等待10?20分钟后，内泡2的温度 基本达到预定温度，打开微波源5输出开关。直到示波器9上出现频率为272Hz信号，说明 铷原子频标泡频控制系统已锁定，待锁定30分钟后，进入步骤3开始进行泡频控制。
[0031] 为使微波源5输出有效的微波信号，agilent公司的E8267D微波源5设置如下： 使用氢钟作为10MHz参考输入，输出频率设置为6834. 6875MHz，在调制选项中设置为调相， 调制频率设置为l36Hz，调相弧度设置为5rad，调制信号模式设置为内调制，调制信号选三 角波输出功率设置为-15dBm。
[0032] 锁相放大器6使用Signal Recovery公司7265,参数设置为灵敏度200mv，积分时 间500ms，基准相位设置为132度。物理系统1输出的光检信号送入锁相放大器6的A端 口，锁相放大器6的同步端口接微波源5的同步输出接口。
[0033] 步骤3、泡频控制过程及步骤
[0034]步骤3· 1、给吸收泡的外泡3加热，使其温度不断升高，泡内气压不断增加， 由于总的压力频移系数为正值，泡频是和吸收泡的内泡2中的压力成正比，所以泡频 不断增加，计数器7显示的晶振8输出频率也不断增加，直到晶振8输出频率达到 9, 999, 999. 985±0. 01Hz为止，此时保持吸收泡的外泡3的温度不变40分钟后进入步骤 3.2。
[0035]步骤3. 2、待步骤3·〖完成后，就可以对待加工吸收泡进行封割。为了保证操作的 一致性，同时减小切割对泡频的影响，要求每次都在玻璃连接管距内泡35mm处封割，用手 喷枪火头迅速切断，此为一次封割。一次切割之后，等待 10分钟直至计数器7频率不再变 化。记录此时计数器7测得的晶振8的输出频率，此时吸收泡泡频 Uq为计数器测得频率 的 683. 46875 倍。 吸，的内泡2从微波腔ig中取出，用喷灯火头对吸收泡的内泡2 二= 了人?割，控制泡尾长度小于2咖。将切割好的吸收泡的内泡 2放 ，，$^|*=、？'、!^1泡2的泡频1；一°并记录。娜收泡的内泡 2泡尾置于喷枪火头 上加"、、供烤，微调泡尾长度，使泡尾缩短，肖空减小。使计数器7测得的晶振输出酵为 10,000,000. 102Ηζ±0.01Ηζ。该步骤可以进一步微调泡频。
[0037]、4、将封割后制成的吸收泡的内泡2在15〇1：环境老化肋小时。之后复测此时吸收 泡的内泡2泡频。若计数器显示晶振输出频率为1〇, 〇〇〇, 〇〇〇· 〇73Ηζ±〇· 〇1Ηζ则为合格品。 否则为不合格品。合格品即可作为铷频标中的吸收泡使用。
[0038]通过以上的控制加工技术，可以实现对吸收泡泡频的精确控制，改善了铷频标系 统的准确度指标，该技术极大地提高了吸收泡的良品率，有利于降低生产成本，提高产品的 竞争力。
[0039]本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领 域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替 代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
【权利要求】
1. 一种铷原子频标泡频控制系统，包括物理系统（1)，其特征在于，还包括微波腔 (10 )，微波腔（10 )内设置有内泡（2 )，内泡（2 )通过玻璃管与外泡（3 )连通，外泡（3 )设置在 外泡加热系统（4)中； 物理系统（1)包括对微波腔（10 )进行加热的加热装置、对内泡（2 )进行照射的光谱灯、 对透过内泡（2)的光谱灯光进行检测并输出光检信号的光检装置； 还包括用于接收光检信号并输出控制电压到晶振（8)的锁相放大器（6)、用于对晶振 (8)的输出频率进行计数的计数器（7)、用于输出微波信号到内泡（2)的微波源（5)，晶振 (8)输出的频率信号作为微波源（5)参考输入。
2. -种利用权利要求1所述的系统进行铷原子频标泡频控制的方法，其特征在于，其 步骤是： 步骤1、制作内泡（2 )和外泡（3 )，内泡（2 )和外泡（3 )通过玻璃管相连通； 步骤2、将内泡（2)置于微波腔（10)中，将吸收泡的外泡（3)安装至外泡加热系统（4) 中独立温控，通过物理系统（1)的加热装置加热微波腔（10)，使得微波腔（10)中的内泡（2) 加热达到70°C，微波源（5)产生微波信号送入到内泡（2)中，同时光谱灯对内泡（2)进行照 射，物理系统（1)的光检装置对透过吸收泡内泡（2)的光谱灯的光进行探测得到光检信号， 光检信号接入到锁相放大器（6)，锁相放大器（6)输出控制电压控制晶振（8)输出，计数器 (7)监测晶振（8)的输出信号频率，通过示波器（9)监测光检信号直至示波器（9)显示的光 检信号频率为272Hz后等待30分钟后进入步骤3 ; 步骤3、通过外泡加热系统（4)对外泡（3)进行加热，直至晶振（8)输出频率达到 9, 999, 999. 985±0. 01Hz，保持吸收泡的外泡（3)的温度不变40分钟后进入步骤4 ; 步骤4、进行一次封割，用手喷枪火头切断连接内泡（2)和外泡（3)的玻璃管；一次切割 之后，等待直至计数器（7 )频率不再变化； 步骤5、将内泡（2 )从微波腔（10 )中取出，用喷灯火头对内泡（2 )尾部的连接管进行第 二次封割，控制泡尾长度小于2mm ;将切割好的内泡（2)放回微波腔（10)，将吸收泡的内泡 (2)的泡尾置于喷枪火头上加热烘烤，微调泡尾长度直至使的计数器（7)测得的晶振（8)输 出频率为 10, 000, 〇〇〇· l〇2Hz±0. 01Hz ; 步骤6、将封割后制成的内泡（2)在150°C环境老化48小时后测量内泡（2)的泡频，选 取 10, 000, 000· 073Ηζ±0· 01Hz 的内泡。
【文档编号】H03L7/26GK104300979SQ201410572868
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年10月23日 优先权日:2014年10月23日
【发明者】梅刚华, 安绍锋, 钟达, 明刚 申请人:中国科学院武汉物理与数学研究所