专利名称：原子频率标准器的制作方法
技术领域：
本发明涉及原子频率标准器，更具体地说，涉及包括谐振腔、在谐振腔内用于储存原子或分子元素的存储装置、以及向谐振腔提供热能的加热装置的原子频率标准器。
原子频率标准器是以非常精密和准确的工作频率为特征的器具，其基本谐振系统是在限定能级的两个势阱之间经历跃迁的原子或分子。在J.Vanier和C.Andion编写的“原子频率标准的量子物理学”((1989年由(Bvistol和Phila-delphia)的亚当.希尔格公司出版))一书中描述了频率标准器的一般工作原理。
瑞士专利640370和美国专利4316153分别描述了使用充气光电管和量子放大器脉塞的原子频率标准器的实施例。
为了说明已知的原子频率标准器的操作，现描述和附
图1有关的采用充气光电管的原子频率标准器。
概略示于图1的频率标准器主要包括原子谐振器10、晶体振荡器及连带的倍频器或频率成器电路11、和反馈电路12。原子谐振器10主要由灯泡13、滤清元件14、微波空腔谐振器15、吸收池16和光电管17组成。电源18为激励该振荡器及连带的电路11、灯泡13和控制原子谐振器10的各种元件的温度而提供所必需的能量。一般的加热线圈18a由电源电路18供电和控制。
另一个电源电路19为经由线圈19a把磁场供给微波空腔谐振器15而供电。此外，微波空腔谐振器15被磁屏20b所包围以阻挡外部磁场对原子谐振器10的工作的影响。
在图1所示的原子频率标准器中，由光抽运导致原子(它通常是碱金属，例如钾、钠或铷)的基态超精细能级之间的粒子数反转。假如频率标准器采用铷，则使用现在要加以描述的标准光抽运装置。
吸收池16包括同位素铷87，其光谱包含两个超精细分量A和B，以及适当的缓冲气体(例如氮)吸收池16经由包含铷85蒸气的滤清元件14被铷87灯泡13照亮，其吸收光谱包含超精细分量a和b。当分量B和b完全被分开的时候，分量A和a实际以重合形式存在。因此灯泡13的辐射光谱的分量A基本上被滤清元件14消除，使得到达吸收池16的光主要由分量B的光频组成。只有处于较低超精细能级(F＝1)的吸收池16的铷87的原子吸收光并被迁移至较高能态。
吸收池16中的铷原子已经这样激励以后，它们不是松弛到较高的超精细能级(F＝2)就是由于和缓冲气体的氮分子相撞而松弛到较低的基态超精细能级。由于到达的光立即激发这些原子，就使较低能级(F＝1)减少粒子数至有利于迁入较高能级(F＝2)。因为这抽运光的不平衡，因而导致这两个能级的粒子数反转，而吸收池16实际上成为可透射来自灯泡13的残留辐射的吸收池。
吸收池16被配置在微波空腔谐振器75内，电路11激发空腔谐振器15至接近6835MHz的频率，该频率对应于超精细能级F＝1，mf＝0和F＝2，mf＝0的分离能量，该能量导致同时有这两个能级之间的电磁辐射的发射物的超精细跃迁。参与受激发射的原子一到达较低超精细能级(F＝1)，它们就被光轴运并被迁移到受激态。
在这过程中，磁屏20b使周围外部磁场降至低能级，由电源电路19所激励的磁场线圈19a则产生一小而均匀的轴向磁场。在吸收池16中这样产生的磁场按照已知的塞曼效应移动超精细能级的能量值，从而调准在上述受激发射中所发出的电磁辐射的正确频率。
受激发射的数目愈大，吸入吸收池16的光量就愈大而到达光电管17的光量就愈小。因此，当微波空腔谐振器15的激发信号频率在跃迁频率上时，由光电管17产生的电流为最小。
电路11的石英振荡器21产生5MHz的信号，在调相器22中被调制到由低频发生器23所产生的较低频率(大约100Hz至1KHz)。该调制后信号加到倍增器/合成器24以获得其有受激发射频率6835MHz的信号。为激发微波空腔谐振器15就是采用了这个信号。
由光电管17提供的信号被反馈电路12的放大器25所接收，然后加到相位比较器26，相位比较器26同时从电路11的发生器23接收基准信号，以便在某种意义上完成同步检波使得能够确定加到微波空腔谐振器15的信号的载波频率是否正好对准超精细跃迁频率(6835MHz)上。任何偏移由相位比较器26输出端上的误差信号来指示。这信号被送到积分器27、该积分器是用来控制耦合到石英振荡器21的齐纳二极管28，并为调整石英振荡器21的频率以便保持其倍频对准在铷87的超精细跃迁的频率上。
图1的原子频率标准器的工作频率的稳定性和精密度取决于当原子或分子正承受上述受激发射时，吸收池16中的原子或分子与微波空腔谐振器15的电磁场的相互作用。微波空腔谐振器15的电磁场具有基本上和原子或分子超精细跃迁辐射相同的频率和波长，微波空腔谐振器的实际尺度则与辐射的波长有关。
原子谐振器10的工作频率的稳定性和精密度还取决于对灯泡13、吸收池16和滤清元件14的良好温度控制。这与以下事实有关，即像石英振荡器21的倍频所询问(interrogated)的和照射到光电管17上的光信号所检测的超精细跃迁频率受同时发生的光轴运处理的影响。超精细跃迁频率视乎被吸收光的光谱和强度而定，稍有一点偏移而这本身又是灯泡13、滤清元件14和吸收池16的温度的函数。此外，由于和缓冲气体相撞所造成的超精细跃迁频率的偏移是吸收池16中铷87和缓冲气体的压力和温度的函数。
在一些无需加热和/或温度控制吸收池的原子或分子元素的先有技术原子谐振器中，为了减少微波空腔谐振器的实际尺寸并为加强和定向在微波空腔谐振器内部的吸收池部位的电磁场，已将电极环状地配置于微波空腔谐振器内部的吸收池周围。在吸收池部位中所得到的电磁场密度使微波空腔谐振器的占空因数和品质因数为最佳。占空因数是吸收池内原子或分子元素所占据的空间的全部磁能与谐振器的全部磁能之比;占空因数越高，原子谐振器的响应曲线越好。品质因数是由所研究空腔谐振器的谐振模的频率与其谐振扫描线宽度之比给定，并由储存的能量与经由空腔谐振器丢失的功率之比确定。
但是这种先有技术谐振器的电极是被粘合到吸收池中，并通过使用固着剂(例如适当的树脂)固定在彼此相对的位置上。所用固着剂的介电特性削弱了吸收池部位的电磁场的强度和均匀性。此外使它们和谐振腔壁电绝缘及绝热，并按照取决于这电绝缘和隔热的设计公式加以设计。
这种电极也在微波空腔谐振器内部提供热团(thermalmass)它使得准确控制微波空腔谐振器(和在内部的吸收池)的温度更加困难。该电极起了阻挡热量从微波空腔谐振器壁转移到谐振腔内部和设置在那里的吸收池的作用，从而减少原子谐振器的热响应时间，并当想要减少微波空腔谐振器的加热时，却储存并接着辐射热。
在先有技术原子谐振器中，另外需要提供能量不仅仅为加热吸收池里面的东西(在那里温度是重要的)，同时也为加热微波空腔谐振器中不需要准确控制温度的其他区域。
此外，事实是除了吸收池以外的微波空腔谐振器的区域都在被加热，这意味着，先有技术的原子频率标准器的最初予热时间大于所需时间。
本发明的目的是提供至少减轻或克服先有技术中出现的一些缺点的原子频率标准器。
考虑到这一目的，本发明提供的原子频率标准器包括在密封箱内的谐振腔、用于储存原子或分子元素的所述谐振腔内的存储装置、使所述存储装置置于均匀振荡磁场的影响下的磁场发生装置、用于把所述元素置于预选能态的状态选择装置、用于在预定的频率下从所述预选能态到另一预选能态的跃迁激发装置、和用于向所述密封箱提供热能的加热装置，其特征在于至少一个电极被置于所述存储装置的周围以便借此加强在所述存储装置部位中的所述受激跃迁的所述振荡磁场，所述至少一个电极用一个或更多的导热部件接到所述密封箱以便由此向所述存储装置提供所述热能。
以下的描述更详细地涉及本发明的种种特性。为便于理解本发明，在描述过程中参照了说明一最佳实施例中的原子频率标准器的附图。可是不用说，本发明的原子频率标准器并不局限于附图中所示的该最佳实施例。
附图中图1(已被叙述)概略示出按照先有技术的原子频率标准器;
图2是供本发明的原子频率标准器使用的原子谐振器的横断面侧视图;及图3是图2的原子谐振器的横断面俯视图。
如图2所示，按照本发明的原子频率标准器的结构基本上包括灯泡40、吸收池41、含有器壁43的微波空腔谐振器42、光电管44、电极45a至45d以及连接部件47a至47d。
灯泡40主要包括铷87、或铷87和铷85的混合物，以及适当的触发气体(例如氩)。频率在大约100至150MHz之间的无线频率振荡器的电感负载，被装进接到电缆50的励磁线圈49之内。为了避免信号对吸收池41和光电管44的辐射，栅极51被安排在该组件周围。
标准加热电路(图中未示)包括加热电阻和温度传感器，用来使灯泡保持在恒定温度下，该温度可为140℃。
吸收池41置于面向灯泡40的地方。在图示的实施例中，吸收池41包含铷85和铷87以及可能为氮或氮和甲烷的混合物的适当缓冲气体。吸收池41具有(例如)14mm的直径和25mm的长度，提供大约3cm3的内部容积。
位于吸收池41最靠近灯泡40那部位的铷85原子吸收后者(即灯泡40)的光谱分量A，导致滤光，位于吸收池41离灯泡40最远的部位的铷87原子吸收灯泡40的光谱分量B，这导致为选择铷87原子的状态所需的光抽运。另一方面，可以把同位过滤器和碱性源结合起来以给吸收池41提供预滤光的灯泡。还有另一种可供选择的方法是使用二极管激光器作为光源，由此无需进行任何滤光。
用磁屏52保护微波空腔谐振器42免受外部磁场的影响。微波空腔谐振器42置于由线圈53所产生的均匀磁场、和由微波回路54(其由外部振荡器经由接插件55和同轴电缆56所激励)所产生的微波场的影响下。回路54可包括SRD(阶跃恢复二极管)，它使得由振荡器所提供的信号的频率倍增，从而能利用较低频率的振荡器。
为了使吸收池41的温度保持在其正常工作值(在铷87充气光电管情况下可为85℃，微波空腔谐振器42配置有加热和温度控制装置。为了向微波空腔谐振器42提供热能，可向放在微波空腔谐振器42的器壁43周围的双绕加热导线58供以电流。为了调整微波空腔谐振器42的温度，温度传感器59向加热和温度控制装置提供反馈。
就吸收池41的铷87原子而言，微波空腔谐振器42是在6835MHz的谐振频率下受激，该频率对应于从能级F＝2，mf＝0至能级F＝1，mf＝0的超精细跃迁频率。
由吸收池42的铷87原子对光谱分量B的吸收被光电管44检测。以众所周知的方式使用这吸收信号以便使回路54所发出的询问信号的频率跟踪铷87的能级F＝2，mf＝0至能级F＝1，mf＝0的超精细跃迁频率。
电极45a至45d位于吸收池41周围，围绕着吸收池41的纵轴线57，既增强了吸收池41部位的场强使得在磁场和储存于吸收池41的铷87原子之间产生最佳耦合，又把微波空腔谐振器42的振荡磁场吸持在相对于吸收池41内磁定向的铷87原子的理想和均匀取向的方位。必须理解，电极45a至45d只是可使用电极的图解说明，而不同于图示方式围绕吸收池的其他电极取向也是可能做到的。可用任何数目围绕吸收池41的电极，而这样使用的每个电极可在形状、大小和与其他电极的间距方面均可不同。
连接部件47a至47d把电极45a至45d连接到微波空腔谐振器42的壁43，并把该电极支撑在彼此相关的固定位置上，而不必使用树脂或其他定位装置，而该树脂或定位装置干扰吸收池42部位的振荡磁场的均匀性和强度。
连接部件47和48是由导热材料制成而且最好具有与电极邻接的接触表面，为了有效地把来自微波空腔谐振器42器壁43的、由加热线圈58所提供的热能转移到电极45a至45d，该表面实质上等于相应电极的表面。
最好，连接部件47a至47d几乎充满在电极的外表面和壁43的内表面之间的整个空间，从而进一步加强热能的转移。这样吸收池41就可直接由电极45a至45d加热，将原子谐振器的予热时间减至最小，减少伴生的频率误差，并保证吸收池41内铷和缓冲气体的温度的更准确控制和一致性。此外，当仅仅是池41而不是整个微波空腔谐振器需要保持在所需温度时，则可减小为加热吸收池41所必需的功率。
在微波空腔谐振器42内存在适当的振荡磁场的情况下，电极构成一种允许电流在电极内部循环流通的辅助(peripheral)电路，由此赋予一定的电感特性。辅助电流也在吸收池41的线圈纵轴线的周围电极之间流通，从而确定了由于电极末端之间显著的介电间隙所造成的一定电容量。那些电极的适当定位和大小影响这些电容和电感的数值，因而可以确定微波空腔谐振器42的主谐振频率。
由于这些电容，导致在间隙之间出现一定的电场。这些电容的数值(从而微波空腔谐振器42的谐振频率)就这样受这电场穿过其中的材料的介电值的影响。器壁的介电常数最好不同于不存在吸收池41时电场穿过其中的材料的介电常数。由此可见，池41和电极45a-45d的相对移动将改变穿过池41的电场的比例，从而改变由电极45a-45d所产生的电容，同时改变微波空腔谐振器42的谐振频率。
图2所示原子频率标准器包括用于装定相对于电极45a-45d的存储装置41的定位装置70。定位装置70包括配有其内表面上有螺纹73的环形套筒72的帽盖部件71。密封箱43的外表面也带有用于和帽盖71的螺纹73配合的螺纹74。吸收池41被固定在帽盖71的内表面75上。这样，帽盖71和密封箱42的相对拧紧或拧松导致吸收池41分别被嵌入电极45a-45d之间的位置或从其内取出，从而改变穿过吸收池41的电场的比例。吸收池41的壁厚度、电极45a-45d的尺寸和会影响微波空腔谐振器42的谐振频率的频率标准器内部的其他元件尺寸的变化均可通过调整吸收池41的位置加以补偿。
可以用任何简便装置把吸收池41固定到帽盖71上。但是若池41不是通过帽盖71支承例如，若频率标准器固定在与图2所示位置相反的位置上，则池41就不必固定在帽盖71上。此外，为了得到在密封箱43范围内，池41和电极45a-45d之间的相对移动，可以用其他方式配置图2所示的原子频率标准器。例如，可以把吸收池41固定在与容器60和61的内壁配合的帽状部件上。这些和其它机械等同物可被本领域技术人员用来组成本发明的一部分。
本发明的一个实施例是用四个电极实现的这些电极各有0.8mm的厚度和沿线圈58的纵轴方向的12mm的长度。各电极间的间隙是0.6mm。所用吸收池的壁厚在0.2到0.3mm之间，并且是由介电常数为4.5的材料制成。在这典型布局中，频率标准器的牵引范围或换句话说，吸收池41被全部嵌入电极45a-45d之间时微波空腔谐振器42的谐振频率与池41全部取出时的谐振频率相比较的差数，达到400MHz。
在本发明的另一实施例中，连接部件47a-47d连同电极45a-45d可用来支撑微波空腔谐振器42内的吸收池41。可以把其中一个或多个电极固定到吸收池上使这样的支承成为可能。换句话说，两个或更多电极的，或者其中一个或多个电极同微波空腔谐振器的器壁的物理关系可用于连接它们之间的池和支撑吸收池41。照这样，可以把吸收池定位在微波空腔谐振器42之内以使吸收池41部位的振荡磁场达到最大限度。
在图2和3所示的配置中，发现由电极45a-45d和部件47a-47d的谐振结构所产生的振荡磁通量在微波空腔谐振器42的中心达到最佳值。这样就可在没有引入会导致额外介电损耗和磁场干扰的其他支承部件的情况下，安置吸收池41。
为了增强结构刚度和便于制造本发明的原子频率标准器，可以把支承部件47a-47d同微波空腔谐振器42的器壁43构成一个整体。以相同方式，电极45a-45d也可与支承部件47a-47d构成一个整体。
由外壳60和盖子61所组成的容器可便利地置于真空之下，因此提供了胜过已知原子频率谐振器的若干有利条件。这些有利条件是首先，消除了在灯泡40和池41之间的转换所引起的热流使其能更精确地控制温度;其次，把容器置于真空之下使灯泡40和池41能够处于更靠近的位置上而没有要缩减原子频率标准器容积的风险;第三，改善了可以使用该标准器的温度范围和原子谐振器的频率稳定度;及第四，原子频率标准器所需功率消耗量被进一步减少。
最好，在容器内部的原子频率标准器的各种元件(例如光源40和微波谐振器43)可通过低导热性分隔器80和81接到容器60和61(如图2所示)。这样，可以使在容器内的频率标准器与容器隔热，而不受在容器外的周围压力和温度改变引起的温度差异和物理膨胀方面的同样变化的支配。
也可以用低导热性气体(例如氙或其他适当的重分子气体)填满容器而不是把容器置于真空之下。这气体可以处在大气压力下。用氙填满该容器能够得到和将容器置于真空下的同样优点。同时，在这情况下，不必使用具有低漏气特性的材料。
最后，不用说，对该原子频率标准器可能作出并未脱离所附权利要求书限定的本发明范围的各种各样变更和/或改型。更具体地说，必须认识到，本发明并不限于诸如铷充气光电管标准的无源原子频率标准器的范围，而是适用于所有可使用振荡磁场增强电极的原子频率标准器。
权利要求
1.一种原子频率标准器包括在密封箱(43)内的谐振腔(42)，在所述谐振腔(42)内用于储存原子或分子元素的存储装置(41)，使所述存储装置(41)置于均匀振荡磁场影响下的场发生装置(53)，用于将所述元素置于预选能态的状态选择装置(40)，用于在预定频率下从所述预选能态到另一预选能态的跃迁激发装置(54)，及用于向所述密封箱(43)提供热能的加热装置(58)，其特征在于至少一个电极(45a-45d)置于所述存储装置(41)的附近以便由此增强在所述存储装置(41)的部位所述受激跃迁的所述振荡磁场，所述至少一个电极(45a-45d)通过一个或更多导热部件(47a-47d)接到所述密封箱(43)以便由此向所述存储装置(41)提供所述热能。
2.根据权利要求1的原子频率标准器，其特征在于所述部件(47a-47d)与所述密封箱(43)是连成一个整体的。
3.根据权利要求1或2的任一原子频率标准器，其特征在于所述部件(47a-47d)与所述至少一个电极(45a-45d)连成一个整体。
4.根据上述任一权利要求的原子频率标准器，其特征在于所述原子频率标准器是无源频率装置，所述存储装置(41)包括装有气态碱金属的充气光电管。
5.根据上述任一权利要求的原子频率标准器，其特征在于所述存储装置(41)包含有铷和缓冲气体。
6.根据上述任一权利要求的原子频率标准器，其特征在于所述状态选择装置(40)和所述存储装置(41)置于真空条件下的容器(60，61)内。
7.根据权利要求1-6中的任一原子频率标准器，其特征在于所述状态选择装置(40)和所述存储装置(41)置于充满低导热气体的容器(60，61)内。
8.根据权利要求6或7的任一原子频率标准器，其特征在于所述状态选择装置(13)和所述密封箱(43)通过低导热分隔器(80，81)被接到所述容器(60，61)上。
9.根据上述任一权利要求的原子频率标准器，其特征在于所述状态选择装置(13)包括具有预定光谱分量的光源(40)，该光谱分量在所述光源(40)中通过光抽运引起粒子数反转。
10.根据权利要求9的原子频率标准器，其特征在于所述光源(40)包括碱金属灯。
11.根据权利要求9的原子频率标准器，其特征在于所述光源(40)包括碱源和同位素过滤器。
12.根据权利要求9的原子频率标准器，其特征在于所述光源(40)包括二极管激光器。
13.根据上述任一权利要求的原子频率标准器，其特征在于在所述谐振腔(42)内部用所述部件(47a-47d)支撑所述至少一个电极(45a-45d)。
14.根据上述任一权利要求的原子频率标准器，其特征在于在所述谐振腔(42)内部用所述至少一个电极(45a-45d)支撑所述存储器装置(41)。
15.根据上述任一权利要求的原子频率标准器，其特征在于所述存储装置(41)被支撑在所述谐振腔(42)内部的中心位置。
16.根据上述任一权利要求的原子频率标准器，其特征在于所述电极(45a-45d)各具有许多末端，相邻的所述末端间通过电场，至少某些所述电场穿过所述存储装置(41)，其中所述原子频率标准器另外包括用于固定相对于所述至少一个电极(45a-45d)的所述存储装置(41)的定位装置(70)，以便改变穿过所述存储装置(41)的所述电场的比例。
17.根据权利要求16的原子频率标准器，其特征在于所述定位装置(70)在许多位置上可与所述密封箱(43)可拆卸地接合。
18.根据权利要求16或17的任一原子频率标准器，其特征在于所述定位装置(70)和所述密封箱(43)可利用共同起作用的螺纹相互接合，其中所述存储装置(41)的所述定位由所述定位装置(70)和所述密封箱(43)的拧紧和拧松来实现。
19.根据权利要求16-18中的任一原子频率标准器，其特征在于所述定位装置(70)包括具有内表面和外表面的帽盖，所述帽盖可固定到所述密封箱(43)，所述存储装置(41)可与所述内表面接合。
全文摘要
一种原子频率标准器包括在密封箱43内的谐振腔42，在腔42内用于储存原子或分子元素的装置41，使装置41置于均匀振荡磁场影响下的场发生装置53，用于将所述元素置于预选能态的装置40，用于在预定频率下激发跃迁的装置54，及用于向密封箱提供热能的装置58，特点是至少一个电极(45a-45d)置于装置41的附近以便由此增强装置41部位的所述受激跃迁振荡磁场，所述电极通过导热部件(47a-47d)接到密封箱以便由此向装置41提供热能。
文档编号H03L7/26GK1079346SQ93103209
公开日1993年12月8日 申请日期1993年3月15日 优先权日1992年3月16日
发明者H·施韦达, G·布斯卡, P·罗沙特 申请人:纳沙泰尔州观象台