磁补偿原子钟的制作方法

本实用新型涉及一种原子钟，具体涉及一种磁补偿原子钟。

背景技术：

原子钟是一种利用原子吸收或释放能量时发出的电磁波来计时的装置。由于原子钟能够精确、稳定的计时，现已广泛应用于天文、航海、宇宙航行等领域。随着技术的日臻成熟，原子钟正向着小体积、低功耗、低成本的方向发展，而这种原子钟的微型版本也被称作芯片级原子钟(csac)。芯片级原子钟主要是基于相干布局囚禁原理，通过利用微波频率信号调制激光器，使激光器产生具有特定光频差的相干双色光，并将频率锁定在原子钟碱金属基态的跃迁频率上，将得到的电磁感应透明谱线作为最终的微波鉴频信号。芯片级原子钟需要高精度的均匀外加磁场，给原子提供量子化轴方向，同时使原子的超精细结构能级产生塞曼分裂，从而在光与原子的相互作用下产生跃迁。但由于外部磁场及杂散磁场的存在，导致能级间的频率不稳定，影响光与原子的相互作用，导致跃迁频率不稳，影响到原子钟的精确性及稳定性。

为了提高原子钟的稳定性，现有技术通常采取的解决方式为提高原子钟的磁屏蔽能力，如在原子腔室、物理单元周围或是整个原子钟外围设置磁屏蔽装置，常用材料为高磁导率的软磁金属。该类技术方案大都采取单层屏蔽结构，且屏蔽装置所采用的形状大都为长方体。这类技术方案存在的技术问题是，尽管屏蔽装置能够减少进入原子钟内部的磁通量，起到一定的屏蔽作用，但远不能屏蔽地磁场的干扰。

当然，为了解决单层屏蔽结构不足以屏蔽地磁场干扰的技术问题，现有技术中也提出了专门性的解决方案。《测试技术学报》2019年第33卷第4期中《芯片原子钟磁屏蔽系统的设计与仿真》一文便提出了专门的解决思路，即多层磁屏蔽结构。该文利用仿真系统模拟圆柱体磁屏蔽和球体磁屏蔽的屏蔽效果，以及不同组合方式下，多层屏蔽结构的屏蔽效果，得出以下结论。一是几何外形不同的磁屏蔽装置屏蔽效果各不相同，球体磁屏蔽的整体屏蔽效果优于圆柱体磁屏蔽的屏蔽效果，因为曲面相较平面更有利于磁力线的通过，因此利用该原理，可进一步推知球体及圆柱体磁屏蔽的屏蔽效果均优于长方体磁屏蔽的屏蔽效果；二是，屏蔽层之间的距离是影响多层屏蔽结构的屏蔽能力的因素之一，该距离与屏蔽结构的屏蔽能力成正比关系。但该文并未提供实际的结构模型，仅提供一种情境模拟；同时，文中所使用的球体或圆柱体的外形，尤其是球体外形很难用于磁屏蔽装置，虽然屏蔽效果好，但占用空间较大、相比长方体结构，稳定性较差，不利于原子钟实现小型、便携的效果。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种磁补偿原子钟，具有利用双层屏蔽结构强化对外部磁场的屏蔽能力及提升原子钟抗摔、抗震能力，以及采用梭形屏蔽壳，在提升磁屏蔽能力基础上最大限度节省空间的技术效果。

本实用新型为实现上述目的所采取的技术方案为：

一种磁补偿原子钟，包括外层屏蔽壳、内层屏蔽壳、弹簧悬空架、物理单元、电子单元。物理单元由激光器、波片、偏振分束棱镜、磁场线圈、原子气室、导电加热玻璃、光电二极管组成，并经封装成为模块；电子单元为集成电路板，包括用于控制激光器的激光信号发生电路，用于控制磁场线圈及导电加热玻璃的数模转换电路，以及用于接收光电二极管输出信号的控制器电路。外层屏蔽壳由屏蔽壳体、屏蔽壳盖组成，屏蔽壳体及屏蔽壳盖为配合设置且固定连接后形成空腔，外层屏蔽壳及其空腔形状均为长方体；内层屏蔽壳由一号壳体、二号壳体组成，一号壳体及二号壳体为配合设置且固定连接后形成空腔；弹簧悬空架数量为两个，对称设置于内层屏蔽壳两侧且与外层屏蔽壳的空腔为配合设置；弹簧悬空架上设置有托架，托架与内层屏蔽壳为配合设置；内层屏蔽壳外部尺寸小于外层屏蔽壳的内部尺寸，且通过两侧的弹簧悬空架及其上设置的托架悬在外层屏蔽壳的空腔内；外层屏蔽壳与内层屏蔽壳间为空气腔。

将本实用新型置于磁场环境中时，屏蔽外壳与空气腔中的空气可视为并联磁路，与空气腔中的空气相比，磁力线更倾向于选择磁阻较小的屏蔽外壳通过，从而减少进入原子钟内部的磁通量。同时，由于内层屏蔽壳与外层屏蔽壳之间的距离大小与磁屏蔽能力呈正比关系，因此，通过调整外层屏蔽壳及弹簧悬空架的尺寸大小，来调节内层屏蔽壳与外层屏蔽壳之间的距离，从而调节原子钟的磁屏蔽能力，以适配不同强度的外部磁场。

优选地，一号壳体、二号壳体均为曲面壳体且形状对称，共同组成的内层屏蔽壳呈梭形。

本实用新型的外层屏蔽壳采用长方体形状，有利于原子钟的装配及稳定放置。内层屏蔽壳采用的梭形结构，由两个对称曲面组成，其形状在各个方向上均表现为中间宽两端尖。这一形状的屏蔽壳主要实现两个技术效果：一是充分利用曲面较平面更有利于磁力线通过的原理，设计了这种梭形屏蔽壳，梭形屏蔽壳各方向的截面均呈曲线，相比平面结构更容易使磁力线通过；二是，梭形有别于球形，通过曲面形状变化，可压缩内层屏蔽壳的高度，从而适配任何长方体空间，如本实用新型中外层屏蔽壳内部的空腔。尽管磁屏蔽能力弱于球体屏蔽壳，但可以实现节省空间的技术效果。

优选地，弹簧悬空架为长方体多层框架，每层框架均由固定杆固定连接而成，相邻框架间固定连接有弹簧伸缩杆；弹簧伸缩杆与各层框架为垂直设置，各层框架均可沿着弹簧伸缩杆的轴向进行相对运动。

优选地，弹簧悬空架最外层框架上固定连接有托架，托架位于该层框架围成的平面上；托架与弹簧悬空架通过弹簧伸缩杆固定连接，托架可可沿着弹簧伸缩杆的轴向在外层框架围成的平面上进行相对运动。

弹簧悬空架主要起到两个作用：一是将内层屏蔽壳悬在外层屏蔽壳内的空腔中，且由于内层屏蔽壳的外部尺寸小于外层屏蔽壳的内部尺寸，因此，能够在内层屏蔽壳与外层屏蔽壳间形成空气腔。同时，弹簧悬空架可以使两层屏蔽壳之间的空气腔成为对称腔体，使得原子钟所处的外部磁场在屏蔽壳的干预下，其磁力线的变化是对称的，使得本实用新型对称部位的磁屏蔽能力不会存在明显的强弱差别；二是原子钟作为精密仪器，受到外力诸如冲击、摔落等情形的影响时，容易发生损坏，本实用新型利用弹簧伸缩架，可提供两个方向的缓冲，同时，弹簧伸缩架本身也具备一定的弹性形变能力，因此可以在前述情况发生时，起到缓冲、减震的作用，降低原子钟内物理单元、电子单元受到损坏的可能性。

优选地，物理单元经封装成为模块后，固定连接在电子单元中部；电子单元上设置有连接通孔，一号壳体或二号壳体中至少有一者在内侧腔壁上设置有凹台，凹台上设置有螺纹孔，凹台与电子单元为配合设置，连接通孔与螺纹孔为配合设置，电子单元与内层屏蔽壳通过连接通孔与螺纹孔固定连接；螺纹孔为盲孔。

物理单元固定连接在电子单元中部，主要是为了充分利用梭形屏蔽壳的内腔空间。

优选地，一号壳体与二号壳体上均配合设置有导线开口，一号壳体与二号壳体固定连接时形成导线通道；屏蔽壳盖内侧固定连接有接头板，接头板上的接头通过屏蔽壳盖上设置的接头通道延伸到外层屏蔽壳外。

优选地，屏蔽壳体与屏蔽壳盖、一号壳体与二号壳体均采用止口连接的方式，且接缝处均设置有连接片，连接片上配合设置有通孔；屏蔽壳体与屏蔽壳盖、一号壳体与二号壳体均通过连接片固定连接。

采用止口结构，一是为了定心、连接；二是对于屏蔽壳体与屏蔽壳该、一号壳体与二号壳体而言，采用止口结构相比将前述部件直接拼接在一起，能够增加前述部件之间的接触面积，从而减少部件间的连接缝隙对屏蔽壳屏蔽能力的影响。

优选地，物理单元上的封装材料具体为坡莫合金；磁场线圈具体为励磁线圈。

本实用新型所采用的坡莫合金为现有技术，主要利用该金属在居里温度下，其磁感应强度随温度升高而近似线性的急剧减少这一特点，使得物理单元的磁场强度在一定的温度范围内恒定，从而减少测量误差。通过励磁线圈及数模转换电路的配合，通过测量主量子跃迁频率峰值间的差异，从而调节物理单元内的磁场大小，进一步对磁场受到的外部影响进行补偿，该方案属于公开号为cn108255047a的专利文献中所披露的现有技术。通过屏蔽加补偿的双重作用，提升本实用新型的精确性及稳定性。

本实用新型具有如下有益效果：

1、本实用新型通过在双层屏蔽壳间形成空腔，使本实用新型相较单层屏蔽结构的原子钟，具备更好的屏蔽效果。

2、本实用新型内层屏蔽壳采用梭形结构，在充分利用外层屏蔽壳内部空间的基础上，相较平面结构的屏蔽壳，提升了内层屏蔽壳屏蔽能力。

3、本实用新型通过采用弹簧悬空架，解决了原子钟受到外力易受损坏的技术问题，增加了缓冲、减震的功能，降低了本实用新型内物理单元、电子单元受到损坏的可能性。

附图说明

图1为外层屏蔽壳爆炸视图。

图2为屏蔽壳盖俯视图、主视图、全剖左视图。

图3为接头板主视图。

图4为屏蔽壳体俯视图、主视图、全剖左视图。

图5为一号壳体正视图、左视图、全剖仰视图。

图6为二号壳体正视图、左视图、全剖仰视图。

图7为悬空架示意图。

图8为物理单元及电子单元连接主视图、左视图、仰视图。

图9为内层屏蔽壳与物理单元、电子单元连接示意图。

附图标号：1-外层屏蔽壳；11-屏蔽壳体；12-屏蔽壳盖；121a-接头通道；121b-接头；13-接头板；14-连接片；21-一号壳体；211-导线开口；22-二号壳体；23-凹台；231a-螺纹孔；231b-连接通孔；3-弹簧悬空架；31-托架；32-固定杆；33-弹簧伸缩杆；4-物理单元；5-电子单元。

具体实施方式

实施例1：如图1～8所示，一种磁补偿原子钟，包括外层屏蔽壳1、内层屏蔽壳、弹簧悬空架3、物理单元4、电子单元5。物理单元4由激光器、波片、偏振分束棱镜、磁场线圈、原子气室、导电加热玻璃、光电二极管组成，并经封装成为模块；电子单元5为集成电路板，包括用于控制激光器的激光信号发生电路，用于控制磁场线圈及导电加热玻璃的数模转换电路，以及用于接收光电二极管输出信号的控制器电路。外层屏蔽壳1由屏蔽壳体11、屏蔽壳盖12组成，屏蔽壳体11及屏蔽壳盖12为配合设置且固定连接后形成空腔，外层屏蔽壳及其空腔形状均为长方体；内层屏蔽壳由一号壳体21、二号壳体22组成，一号壳体21及二号壳体22为配合设置且固定连接后形成空腔；弹簧悬空架3数量为两个，对称设置于内层屏蔽壳两侧且与外层屏蔽壳1的空腔为配合设置；弹簧悬空架3上设置有托架31，托架31与内层屏蔽壳为配合设置；内层屏蔽壳外部尺寸小于外层屏蔽壳1的内部尺寸，且通过两侧的弹簧悬空架3及其上设置的托架31悬在外层屏蔽壳1的空腔内；外层屏蔽壳1与内层屏蔽壳间为空气腔。

实施例2：基于实施例1，如图5、图6所示，一号壳体21、二号壳体22均为曲面壳体且形状对称，共同组成的内层屏蔽壳呈梭形。

实施例3：基于实施例1，如图7所示，弹簧悬空架3为长方体双层框架，每层框架均由固定杆32固定连接而成，两层框架间固定连接有弹簧伸缩杆33；弹簧伸缩杆33与该两层框架均为垂直设置，该两层框架均可沿着弹簧伸缩杆33的轴向进行相对运动。弹簧悬空架3在任意一层框架上固定连接有托架31，托架31位于该层框架围成的平面上；托架31与弹簧悬空架3通过弹簧伸缩杆固定连接，托架31可可沿着弹簧伸缩杆33的轴向在外层框架围成的平面上进行相对运动。当弹簧悬空架3连接至内层屏蔽壳两端，并随着内层屏蔽壳一同置入外层屏蔽壳1内部时，弹簧伸缩架3均处于半压缩状态，尤其是连接托架31的弹簧伸缩杆33，经计算调整，其处于半压缩状态时，内层屏蔽壳恰处于外层屏蔽壳1内腔的中心位置。由于弹簧伸缩架33处于半压缩状态，尚余一定的压缩余量，因此可以起到缓冲、减震的作用。

实施例4：基于实施例1，屏蔽壳体11与屏蔽壳盖12、一号壳体21与二号壳体22均采用止口连接的方式，且止口间为过盈配合，壳体部件间的连接更为紧密，且接缝较小。

本实用新型中物理单元、电子单元的具体设计在现有技术中有很多，如《芯片原子钟磁屏蔽及c场技术研究》(中北大学硕士学位论文，2019年5月30日)，具体参考第24页-第33页；《芯片原子钟mems原子气室数字温控系统设计》(半导体技术第44卷第6期)；《用于磁性补偿的芯片级原子钟的方法和装置》(公开号：cn108255047a)等。可根据实际情况自行选择。