一种用于铷原子频标的外层温控和磁屏蔽装置的制作方法

本发明属于原子频标技术领域，更具体涉及一种铷原子频标外层温控和磁屏蔽装置，适用于多种型号及结构的原子频标设计，尤其适用于铷原子频标(铷原子钟)。

背景技术：

铷原子频标是一种重要的时间基准装置，其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(0,0)跃迁频率即为铷原子频标的频率基准。电路系统主要包括微波链路和伺服电路，微波作用是对压控晶体振荡器(简称晶振)输出10mhz信号进行频率合成，产生一个和⁸⁷rb原子基态(0,0)跃迁频率十分接近的微波信号，与原子跃迁频率比较后，输出一个控制电压，来控制晶振的输出频率，最终使微波信号频率与原子跃迁频率相等。从而把原子跃迁频率的稳定性传递给晶振，实现频标。

在这个系统中，铷灯泡、铷吸收泡、铷滤光泡以及微波电路都对温度变化十分敏感，他们的温度变化会直接引起铷原子频标的输出频率变化，恶化其核心指标——频率稳定度。而且这些组件在正常工作时自身就是热源，考虑与外界环境温度的热隔离的同时，必须要兼顾热源的散热问题；另一方面，铷吸收泡中的铷原子能级对所处区域的磁场非常敏感，磁场的波动会直接引起铷原子频标的输出频率变化，因此必须加强磁屏蔽效果；最后，上述几个组件的牢固安装及抗震设计也异常重要，特别是在星载弹载应用领域。因此，如何在牢固安装各个核心组件并保证核心组件有效散热的情况下，稳定控制其工作的环境温度，减小外界磁场的影响是整机设计的关键，可以极大的提升铷原子频标的长期稳定度水平。本发明涉及的铷原子频标外层温控和磁屏蔽装置可以有效的解决这些问题。

在传统的一般民用铷原子频标中，没有外层磁屏蔽和温控结构，温度系数大，易受外界磁场影响，指标低。经检索未发现一种铷原子频标的外层磁屏蔽和温控系统被公开或使用。

技术实现要素：

本发明的目的是在于针对现有技术存在的上述问题，是在于提供了一种用于铷原子频标的外层温控和磁屏蔽装，该装置设计能够在保证核心组件有效散热的情况下，为铷频标的物理系统和敏感电路组件提供稳定的环境温度、优良的磁屏蔽效果，以进一步克服铷频标的温度敏感性和磁敏感性，并牢固安装各个组件，达到了抗震的要求，最终可以显著的提升了铷原子频标的长期稳定度水平。

为了达到上述的目的，本发明采用以下技术措施：

一种用于铷原子频标的外层温控和磁屏蔽装，它由温控底板、磁屏底板、磁屏盖、整机底板、导热垫圈、加热薄膜、热敏电阻、温控电路组成；其特征在于：外磁屏底板安装在温控底板上表面，磁屏盖罩在温控底板上并固定在温控底板侧面；加热薄膜用硅胶(可按需求在市场购买任一种)固定于外温控底板下表面；热敏电阻埋入外温控底板的孔中；加热薄膜和热敏电阻的引线与温控电路相连接；导热垫圈用螺钉安装在外温控底板和整机底板之间；温控电路可安装在温控底板上，或安装在整机底板上。

所述的磁屏底板2和磁屏盖3构成一个密闭的磁屏蔽金属盒体。

通过上述技术措施：本发明可直接用于铷原子频标，用来改善铷频标的温度敏感性和磁敏感性，从而改善铷频标的频率稳定度指标；还可用来增强铷频标的力学结构，降低元器件的工作温度，减小空间辐射对元器件损害，提高铷频标的可靠性和使用环境适应性。

物理系统与核心电路通过螺钉紧密压接在金属材料制作的温控底板上，所以其工作时产生的热量可以快速导入温控底板，再通过导热垫圈从温控底板传导到整机底板，散发出去，从而可以有效将铷频标的物理系统和敏感电路内部温度导出，避免其内部温度过热。

系统工作时，控温电路通电工作时，温控电路利用热敏电阻的负反馈原理，自动调节加热薄膜中的电流，将温控底板的温度控制在某一设定温度上。温控底板用金属材料制作，磁屏底板和磁屏盖用磁屏蔽金属材料制作，三者构成一个密闭的金属盒体。由于金属具有良好的导热性能，当底板温度被控制之后，整个金属盒体的温度也被控制，近似为一个等温体，可为盒内提供一个温度均匀、恒定的温度环境；

就可以实现物理系统和核心电路产生的热量可以有效导出，又保证系统内部环境温度稳定性有极大的提升。

原子钟的工作核心原理是利用了原子跃迁能级的高稳定特点，而原子跃迁能级容易受到温度和静磁场的影响，从而影响原子钟的长期稳定度性能。这种设计可以用简单的设计就同时为原子钟核心部分提供极为稳定的温度环境和纯净的磁场环境，而紧固连接设计，且导热率可以调节的特点可以适用于多种不同的应用场合。用一种简单的设计可以集成实现多种性能改善。

现有的民用以及普通军用铷原子钟没有外层温控设计，在多种应用场合需要外接独立的控温系统、抗震系统或磁屏蔽系统，但是各个系统都需要额外的体积重量来实现，最终导致整机体积大、重量重，且各个系统无法相互配合，反而会相互影响，例如屏蔽和抗震系统会影响温度控制，单独的温度控制系统又会影响抗震系统和磁屏蔽系统的工作性能。而本发明把抗震、外层控温、磁屏蔽系统整合设计，并充分利用相互的特性进行优化互补，且直接设计在铷原子钟内部实现，结构紧凑、易于实现且效果更好。

实验证明采用该系统后，可以满足xyz方向10g的振动需求，内部静磁场降低了500倍以上，核心组件温度波动由10mk减小到0.1mk，极大提高了系统性能。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：

(1)物理系统和电路核心组件处于由温控底板、磁屏底板和磁屏盖构成的金属温控盒内，可以同时实现为其提供稳定的温度环境、良好的磁场环境和抗高能粒子影响。可同时改善铷原子钟的温度敏感性、磁敏感性和抗高能粒子性能。可以大幅改善铷频标的长期稳定度性能；

(2)合理利用由磁屏底板和磁屏盖构成的金属磁屏盒的高热导率低热辐射率特性，大幅改善了外层温控的温度控制效果；

(3)该结构具有牢固的刚性结构，合理安排了各元件的安装方式，空间利用率高。具备强的抗振动、抗冲击、抗加速度能力，具备良好的力学环境适应性；

(4)该结构使得铷频标内部的高温部件和大功率器件发出的热量可以通过金属导热垫圈导出，有效防止系统及元件过热，提高铷频标的可靠性；

(5)采用可调整的导热垫圈设计,使导热热阻可以方便调节。

(6)采用整体整合设计，在略微增加铷钟体积的情况下，就整合了抗震、屏蔽和温度稳定性能。

附图说明

图1为一种用于铷原子频标的外层温控和磁屏蔽装结构示意图。

其中：1－温控底板、2－磁屏底板、3－磁屏盖、4－整机底板、5－导热垫圈、6－加热薄膜、7－热敏电阻(可以按需求配置，市场上购置任一种)、8－外温控电路(根据具体需求可选择lm358等型号温控电路)。

具体实施方式

实施例1：

根据图1可知，一种用于铷原子频标的外层温控和磁屏蔽装置，它由温控底板1、磁屏底板2、磁屏盖3、整机底板4、导热垫圈5、加热薄膜6、热敏电阻7、温控电路8组成。其特征在于：磁屏底板2固定在温控底板1上表面；加热薄膜6、热敏电阻7用胶固定于温控底板1下表面，并且将两者用导线引入温控电路8；导热垫圈5用螺钉安装在温控底板1和整机底板4之间；磁屏盖4罩住温控地板1，磁屏盖4与温控地板1侧面通过螺钉固定。

所述的温控电路8安装在温控底板1上，或安装在整机底板4上。

所述的磁屏底板2和磁屏盖3构成一个密闭的磁屏蔽金属盒体。

通过以上的技术手段，核心组件(包括铷钟物理系统及核心电路(可根据需求选择，一般为自制)通过螺钉固定在温控底板1上表面。可以保证核心组件有效散热的情况下，稳定控制其工作的环境温度、同时屏蔽外界静磁场和高能粒子的影响，可以极大的提升铷原子频标的长期稳定度水平。该设计结构简单易行，大幅度提高了铷原子频标长期稳定度性能的同时，可以大大增强了铷原子频标的环境适应性，有利于提高产品的竞争力、开发通用型产品、降低生产成本。

这种装置具备如下特点：

a、使用螺钉将物理系统和核心电路模块固定在金属的温控底板1上，机械结构牢固可靠，可以满足星载和弹载需求，且可以有效的将物理系统及电路的产生的热量快速传导致温控底板1；

b、磁屏底板2和磁屏盖3构成一个密闭的磁屏蔽金属盒体，盒外的磁场难以穿透盒体进入盒内，盒内磁场受盒外环境磁场变化的影响小；

c、而磁屏底板2和磁屏盖3的设计不仅提供了磁屏蔽环境，同时由于金属具有良好的导热性能，其构成的密闭金属盒体，当温控底板1温度被控制之后，可为盒内提供一个温度均匀、恒定的温度环境，有效减小物理系统及电路的热对流及热辐射。

d、导热垫圈5用金属材料制造。其作用，一是用来支撑由温控底板1、磁屏底板2和磁屏盒3构成的金属盒体，构成一个全金属刚性结构；二是通过适当选取导热垫圈5的直径、材料和个数，可以调节温控底板1与整机底板4之间的导热能力，从而可以对铷频标性能进行优化

e、由温控底板1、磁屏底板2和磁屏盖3构成金属盒体对空间高能粒子辐射具有屏蔽作用。当铷原子频标在空间环境中使用时，利用本装置，可以降低高能粒子辐射导致元器件损伤而失效的风险，提高铷原子频标整机的可靠性。

f、加热薄膜6、热敏电阻7用于加热和温度反馈，且其安装在下表面，避免了和上表面的组件安装的冲突，充分利用外温控底板的空间，可以有效减小外温控底板的尺寸。

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。