专利名称：：蓝宝石谐振腔主动型原子钟及其谐振腔的制造方法
技术领域：
：本发明涉及一种氢原子钟，特别涉及一种时间频率技术相关的蓝宝石谐振腔主动型氢原子钟。
背景技术：
：随着我国空间定轨技术的发展，高精密时频设备越来越多的为军工和科研单位所需要。氢原子钟以其出色的中长期稳定性成为地面站应用的主流高精密时频设备。氢原子钟按照是否能够实现脉泽振荡，分为主动型和被动型。传统的主动型原子钟(俗称"大钟"S0HM-4就是这种钟的最新型号)和蓝宝石填充介质主动型原子钟都是能够实现脉泽自激振荡的主动型原子钟。然而传统主动型原子钟是一种体积与重量都较大的原子钟，而其性能与可靠性也是比较优秀的，并在二十世纪70年代开始已有商业产品。主动型氢原子钟，具体结构上大体包括物理部分和电子部分，物理部分包括谐振腔，辐射罩，真空罩，C场，加热炉，磁屏蔽，选态磁铁，电离泡，真空泵等。电子部分包括接受机，电源，频率综合器，隔离放大器，数字显示模块，腔自动调谐模块等。氢原子钟的重量和体积主要是由最核心的内部谐振腔的体积决定的。谐振腔处于物理部分的最内部，它外面包裹着辐射罩，真空罩，C场，加热炉和四层磁屏蔽，其外面的物理辅助配件的大小，由内部谐振腔的大小决定。因此可以说氢原子钟的体积主要取决于其内部谐振腔的体积。现阶段地面主要应用的主动型氢原子钟体积大，重量大(大于200kg)不利于运输和车载。也不利于移动站的建立。因此，需要寻找一种大介电常数(9.3)低损耗(正切损耗在E-5量级或更低)的介质做为谐振腔局部填充物，可以将微波谐振腔小型化，从而主动型氢原子钟的体积与重量将大为减小而性能上接近传统的氢原子钟。蓝宝石是能够满足低正切损耗，大介电常数的最佳的选择。蓝宝石填充介质由于其低正切损耗是现在唯一正在使用的填充介质，其可以保证谐振腔的高Q值，而它的介电常数大则可以使谐振腔的体积减小很多。因此采用蓝宝石谐振腔的主动型氢原子钟以其体积小，指标好而受到我们的关注。但蓝宝石谐振腔的不足之处在于蓝宝石晶体的介电常数随温度变化，使蓝宝石腔的温度系数很高。而且，蓝宝石的介电常数随温度的漂移比较大，因此，谐振腔的温漂系数比较大(50kHz-70KHz)。这些会影响蓝宝石谐振腔的长期稳定性。
发明内容本发明的目的在于提供一种蓝宝石谐振腔主动型原子钟及其蓝宝石谐振腔的制造方法，通过理论计算和有限元软件仿真分析，计算出蓝宝石谐振腔尺寸，实现蓝宝石谐振腔脉泽自激振荡，可以有效的减小主动型氢原子钟的体积和质量。本发明的目的还在于提供一种蓝宝石谐振腔主动型原子钟，可降低蓝宝石谐振腔的温漂系数。3—种蓝宝石谐振腔主动型原子钟，包括蓝宝石谐振腔，该蓝宝石谐振腔由外金属腔筒和蓝宝石筒组成，所述蓝宝石筒外壁半径b与外金属腔筒的筒壁半径a的比0.5《P!《0.56;外金属腔筒的筒壁半径85mm《a《87.5mm;蓝宝石筒外壁半径43.75mm《b《47.6mm;蓝宝石筒内壁半径36.68mm《c《40.6mm，筒高160mm《h《175m。优选的，所述蓝宝石筒的外壁半径b与外金属腔筒的筒壁半径a的比Pl=0.5，外金属腔筒的腔壁半径a=87.5mm;蓝宝石筒外壁半径b=43.75mm;蓝宝石筒内壁半径c=36.68mrn，筒高h=162.9mm。所述蓝宝石谐振腔的蓝宝石筒的上下端面各具有一个2mm厚的SrTi03圆环。优选的该蓝宝石筒外壁半径b与外金属腔筒的筒壁半径a的比P工=0.56，外金属腔筒的筒壁半径a=85mm;蓝宝石筒外壁半径b=47.6mm;蓝宝石筒内壁半径c=40.6mm，筒高h=162.9mm。—种蓝宝石谐振腔主动型原子钟的蓝宝石谐振腔的制造方法，其特征在于，包括如下步骤(1)理论计算能够在理论上满足脉泽自激振荡的蓝宝石谐振腔的尺寸；(2)用高频仿真软件ansoftHFSS对理论计算得到的腔体进行仿真计算；(3)加工所需要的蓝宝石谐振腔；(4)在传统的主动型氢原子钟机架上对其做脉泽振荡实验，实现脉泽自激振荡。步骤(1)中，步骤(1)包括设定蓝宝石谐振腔的外金属腔筒的筒壁半径85mm《a《87.5mm，筒高160mm《h《175m，解蓝宝石谐振腔在TE011模式下的麦克斯韦方程。步骤(3)中进一步包括在蓝宝石筒内壁进行镀银。本发明的蓝宝石谐振腔主动型原子钟使原来直径和高约292mm的谐振腔縮小到直径和高约为175mm。体积减小为原来的约1/4。实现了有效的减小主动型氢原子钟的体积和质量。并且通过采用与蓝宝石谐振腔温度漂移系数相反的SrTi03对特定尺寸的蓝宝石谐振腔进行温度补偿，有效的降低蓝宝石谐振腔的温度系数。为便于理解本发明的这些以及其他特征和优点，以下结合具体实施例和附图对本发明进行详细描述，其中图1是本发明的蓝宝石谐振腔主动型原子钟的蓝宝石谐振腔的示意图；图2是本发明的温度补偿型蓝宝石谐振腔的示意图；图3是a=87.5mm时填充因子随P!变化的曲线图；图4是高频仿真软件ansoftHFSS对蓝宝石腔体进行仿真计算的示意图；图5是蓝宝石谐振腔内的TEO11场型；图6是蓝宝石谐振腔的脉泽振荡信号图；图7是填充了2mm厚的SrTi03圆环的蓝宝石谐振腔的Q值随P:变化曲线图。具体实施例方式参考附图l，本发明的蓝宝石谐振腔主动型原子钟，包括蓝宝石谐振腔，该蓝宝石谐振腔由外金属腔筒1和蓝宝石筒2组成。所述外金属腔筒1通常是铝筒，所述蓝宝石筒的主要成分为AL203。所述蓝宝石谐振腔的蓝宝石筒2外壁半径b与外金属腔筒1的筒壁半径a之间的比0.5《P!《0.56;外金属腔筒1的筒壁半径85mm《a《87.5mm;蓝宝石筒2外壁半径43.75mm《b《47.6mm;蓝宝石筒2内壁半径36.68mm《c《40.6mm，筒高h=162.9mm。优选的，所述蓝宝石谐振腔的蓝宝石筒2外壁半径b与外金属腔筒1的筒壁半径a之间的比P工=0.5，外金属腔筒1的筒壁半径a=87.5mm;蓝宝石筒2的外壁半径b=43.75mm;蓝宝石筒2的内壁半径c=36.68mrn，h=162.9mm。所述蓝宝石谐振腔的设计过程如下首先，确定需要的谐振腔的体积减小到什么程度，我们的目标是减小到5L以下，然后，解蓝宝石谐振腔在TE011模式下的麦克斯韦方程如下r2[>Vo0^)+^v。(r26)]_r。[M>(r0。+罕0(-)]其(1)中;)^(J/1"c)w。"c)—J。(r。c)M(r2c)(2)一&(3)表1a=87.5mm时各个P工值下的蓝宝石尺寸a(mm)b(mm)c(mm)h(咖)Pi=0.487.53526162.9Pi=0.587.543.7536.68162.9Pi=0.687.552.545.97162.9Pi=0.787.561.2554.383162.9当蓝宝石筒2的筒高h，外金属腔筒1的筒壁半径a，(它们可以表征整个蓝宝石谐振腔的体积)决定以后，不同的Pj蓝宝石筒外壁半径b与外金属腔筒的筒半径a之间的比)便代表着不同的能实现TE011模式谐振频率为1.42405GHz的蓝宝石尺寸。上表是在a=87.5mm.，h=162.9mm的前提下(必须设定两个初始的值，才能解超越方程)，体积5为3.92升，满足<5升的要求。不同蓝宝石填充物尺寸可以满足TE011模式振荡频率为1.420405GHz的谐振腔。在这四个尺寸中，我们还需考虑填充因子和Q值，由于Q值随Pl的增加而减小，而填充因子在P工=0.50.6之间变化平缓，且0.5最大。如图3所示，对于Pi<=0.4的情况，填充因子太小而不采纳。优选的蓝宝石腔的尺寸为P工=0.5;a=87.5mm;b=43.75mm;c=36.68mm;h=162.9mm。用高频仿真软件ansoftHFSS对设计的腔体进行仿真计算，如图4所示得到它的振荡频率为1.4358GHz;Q值约为54727。以下为此蓝宝石谐振腔频率随几何尺寸和温度的变化<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>采用上述尺寸设计的蓝宝石谐振腔，其体积为传统大钟的金属腔或石英腔的1/4。接下来，在传统的主动型氢原子钟机架上对该蓝宝石谐振腔做脉泽振荡实验。将蓝宝石谐振腔固定在大钟内部，调节电离泡到发亮的玫瑰红(氢气电离成氢原子)，如图5所示，加大氢气流量和调高C场主场的场强，调节副场与主场的关系。并监控腔频变化，每天调节温度以补偿腔频的漂移(这种漂移是由蓝宝石谐振腔放入大钟后，应力不均引起的，如果专门为其设计配套的物理部分便不会出现)。经过一段时间的调节，在流量为l1.lmA(离子泵电流)的条件下，得到了如图6所示的，-102dbm的脉泽振荡信号。按本发明的另一实施方式，为降低蓝宝石谐振腔的温漂系数，采用与蓝宝石谐振腔温度漂移系数相反的SrTi03对特定尺寸的蓝宝石谐振腔进行温度补偿，如图2所示，温度补偿型的蓝宝石谐振腔主动型原子钟，所述蓝宝石谐振腔的蓝宝石筒2的上、下端面各具有一个2mm厚的SrTi03圆环3。该圆环3可粘结或以其他方式结合于蓝宝石筒2的上、下端面的外侧。优选的，所述蓝宝石谐振腔的蓝宝石筒2外壁半径b与外金属腔筒1的筒壁半径a之间的比Pl=0.56，外金属腔筒1的筒壁半径a二85mm;蓝宝石筒2外壁半径b=47.6mm;蓝宝石筒2内壁半径c=40.6mm，筒高h=162.9mm。SrTi03的介电常数随温度的变化与蓝宝石相反，因此当蓝宝石的介电常数发生变化引起腔频漂移的时候，SrTi03能够引起腔频向相反的方向移动，以补偿温度变化产生的腔频漂移。晶体补偿效果取决于蓝宝石腔本身的尺寸，及补偿晶体的厚度。蓝宝石材料为八1^03单晶体，它是介电常数异性晶体，与光轴垂直和平行分别为9.3和11.6。由于我们要求光轴与Z轴(即与高度h平行的Z轴)平行，那么TE011模式下影响频率的介电常数为9.3。9.3用于上式中蓝宝石腔体尺寸的计算。金属外腔我们采用的是金属铝，为了提升蓝宝石谐振腔的Q值，我们对蓝宝石谐振腔内壁进行了镀银操作。如图7所示，蓝宝石筒补偿SrTi03晶体以后，表征谐振腔损耗的品质因数Q值会下降，当谐振腔的品质因数低于4万时，根据经验谐振腔脉泽信号即使自激振荡也会不稳定。所以补偿的晶体必须低于3mm。而当才用lmm补偿效果不佳，腔频温度漂移依然很大。因此优选为2mm。由上表可见补偿2mm的SrTi03环以后所得到的无载Q值是满足Q值大于40000这个基本要求的。2mmSrTi03晶体环补偿下蓝宝石谐振腔各P工值下的无载Q值<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>并不是所有的蓝宝石谐振腔体都会得到比较理想的补偿效果的，补偿效果决定于蓝宝石谐振腔体的尺寸，然而蓝宝石谐振腔体尺寸变化会引起Q值和填充因子的变化，这两个因素对决定着蓝宝石谐振腔能够实现氢脉泽自激振荡的能力。也可以说决定着蓝宝石谐振腔的优劣。因此我们设计出特定尺寸的蓝宝石谐振腔以满足温度漂移，Q值，填充因子三方面条件来达到最好的补偿效果。由图8可见，当外金属腔筒1的筒壁半径a设定为87.5mm以后在p工=0.54到0.56之间可以得到零温度系数点。当a=85mm时零温度系数点会向右漂移。由上面的Q值与尺寸变化的表可以看出，Pi越大Q值越小，所以为了满足温度补偿效果，我们不需要在85mm的基础上继续减小外腔。接下来讨论填充因子的变化与尺寸的关系。填充因子随蓝宝石谐振腔尺寸的变化关系如图3所示，可以看到在a=87.5mm时填充因子在0.52到0.56之间都比较平坦。为了追求温度补偿效果，这个区域内都可以进行选择。我们最后的得到了a=87.5mm，P:=0.56温漂系数8.23kHz/。C和a=85mrn，P!=0.56温度系数为_4.44kHz/。C两种方案。这两种方案的填充因子和Q值分别为46445和0.5136以及45860和0.5117。衡量脉泽自激振荡的参数为S参数脉泽自激振荡条件为S>5900。将这两种尺寸的S参数定义为SeQ。n'，Q。=(1+|3)计算出的Q都是无载Q值QO。由上两式，我们可以算出上面两种方案的S参数分别为19878.46和19555.47，它们都大于5900都可以实现脉泽自激振荡，并且相差很小。而温度系数85mm比87.5mm的小一倍。且体积小，节省成本，因此优选的，P!=0.56，a=85mrn，b=47.6mm，c=40.6mm，h=162.9mm蓝宝石筒上下端面分别补偿2mm的SrTi03晶体环作为我们的最适合于温度补偿的蓝宝石谐振腔尺寸。显然的，根据以上描述可以对本发明做各种改良和变换。因此，可以理解，在所附权利要求的范围内，除上述特定实施例外，本发明可以采用其他方式实施，而不限于上述说明书中所描述。权利要求一种蓝宝石谐振腔主动型原子钟，包括蓝宝石谐振腔，该蓝宝石谐振腔由外金属腔筒和蓝宝石筒组成其特征在于，所述蓝宝石谐振腔的蓝宝石筒外壁半径b与外金属腔筒的筒壁半径a的比0.5≤ρ1≤0.56；外金属腔筒的筒壁半径85mm≤a≤87.5mm；蓝宝石筒外壁半径43.75mm≤b≤47.6mm；蓝宝石筒内壁半径36.68mm≤c≤40.6mm，筒高160mm≤h≤175m。2.根据权利要求1所述的蓝宝石谐振腔主动型原子钟，其特征在于，所述蓝宝石谐振腔的蓝宝石筒外壁半径b与外金属腔筒的筒壁半径a的比P工=0.5，外金属腔筒的筒壁半径a=87.5mm;蓝宝石筒外壁半径b=43.75mm;蓝宝石筒内壁半径c=36.68mrn，筒高h=162.9mm。3.根据权利要求1所述的蓝宝石谐振腔主动型原子钟，其特征在于，所述蓝宝石谐振腔的蓝宝石筒的上下端面各具有一个2mm厚的SrTi03圆环。4.根据权利要求3所述的蓝宝石谐振腔主动型原子钟，其特征在于，所述蓝宝石谐振腔的蓝宝石筒外壁半径b与外金属腔筒的筒壁半径a的比P工=0.56，外金属腔筒的筒壁半径a=85mm;蓝宝石筒外壁半径b=47.6mm;蓝宝石筒内壁半径c=40.6mm，筒高h=162.9mm。5.—种用于氢原子钟的蓝宝石谐振腔的制造方法，其特征在于，包括如下步骤(1)理论计算能够在理论上满足脉泽自激振荡的蓝宝石谐振腔的尺寸；(2)用高频仿真软件ansoftHFSS对理论计算的腔体进行仿真计算；(3)加工所需要的蓝宝石谐振腔；(4)在传统的主动型氢原子钟机架上对其做脉泽振荡实验，实现脉泽自激振荡。6.根据权利要求5所述的蓝宝石谐振腔的制造方法，其特征在于，步骤(1)中，步骤(1)包括设定蓝宝石谐振腔的外金属腔筒的筒壁半径85mm《a《87.5mm，筒高160mm《h《175m，解蓝宝石谐振腔在TE011模式下的麦克斯韦方程。7.根据权利要求6所述的蓝宝石谐振腔的制造方法，其特征在于，所述蓝宝石谐振腔的外金属腔筒的筒壁半径a=87.5mm;筒高h=162.9mm。8.根据权利要求6所述的蓝宝石谐振腔的制造方法，其特征在于，所述蓝宝石谐振腔的外金属腔筒的筒壁半径a=85mm;筒高h=162.9mm。9.根据权利要求8所述的蓝宝石谐振腔的制造方法，其特征在于，所述还包括在所述蓝宝石筒的上、下端面各填充一个2mm厚的SrTi03圆环。10.根据权利要求5-9任一项所述的蓝宝石谐振腔的制造方法，其特征在于，步骤(3)中进一步包括在蓝宝石筒的内壁进行镀银。全文摘要本发明公开了一种蓝宝石谐振腔主动型原子钟及其蓝宝石谐振腔的制造方法。所述蓝宝石谐振腔主动型原子钟，包括蓝宝石谐振腔，所述蓝宝石谐振腔的蓝宝石筒外壁半径b与外金属腔筒壁半径a之间的比0.5≤ρ1≤0.56；外金属腔筒壁半径85mm≤a≤87.5mm；蓝宝石筒外壁半径42.5mm≤b≤47.6mm；蓝宝石筒内壁半径36.68mm≤c≤40.6mm，筒高h＝162.9mm。所述蓝宝石谐振腔的蓝宝石腔筒的上下端面各具有一个2mm厚的SrTiO3圆环。通过理论计算和有限元软件仿真分析，计算出蓝宝石谐振腔尺寸，实现蓝宝石谐振腔脉泽自激振荡，可以有效的减小主动型氢原子钟的体积和质量。并且可降低蓝宝石谐振腔的温漂系数。文档编号G04F5/14GK101718966SQ200910197928公开日2010年6月2日申请日期2009年10月30日优先权日2009年10月30日发明者代克,张为群,张燕军,蔡勇申请人:中国科学院上海天文台