专利名称：铷原子频标微波谐振腔的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种铷原子频标微波谐振腔领域，更具体涉及一种铷原子频标微波谐振腔，可直接用于铷原子频标中。
背景技术：
随着现代科技的发展，许多领域都需要更加稳定而精确的时间频率信号，传统的机械定时和晶振定时已经不能满足需要。原子频标具有极高的稳定度和准确度，所以得到了越来越广泛的运用。其中铷原子频标体积小，重量轻，性能较好，故占有了很大的市场份额。
铷原子频标由物理部分和电路部分构成。物理部分决定了铷原子频标的主要性能。物理部分由产生抽运光的铷光谱灯和腔泡系统组成。腔泡系统包括用于存储微波场的微波谐振腔，存储铷元素的铷吸收泡和铷滤光泡，检测光信号的光电池以及C场线圈等。铷原子被抽运光照射后，使得铷原子基态两个超精细能级之间发生粒子数反转，即上能级的粒子数高于下能级。当储存于微波谐振腔中的微波频率与两能级频率间隔相吻合时，铷原子将从上能级跃迁至下能级，即发生微波跃迁。微波跃迁发生时，光电池探测到的光强信号将发生变化，称为光检信号。铷原子频标正是利用这一光检信号产生的误差信号，将微波频率锁定在铷原子跃迁谱线上，得到标准频率输出。由此可见，微波谐振腔是激励铷原子微波跃迁的核心部件，它的性能对铷频标的性能影响很大。
早期使用的铷原子频标微波腔多为标准腔，如TE111腔，TE011腔等。这类腔的体积较大。为了减小体积，出现了几种非标准腔。包括由W.Froncisz和JamesS.Hyde所描述的环隙腔(The Loop-gap resonatorA new microwave lumped circuitESR sample structure[J].J Mag.Reson.，1982，47515～521)；由T.Sphicopoulous和F.Gardiol所描述的开槽管腔(Slotted tube cavitya compact resonator withempty core[J].IEEE Proc，1987，134(5)405～410)；由H.Schweda等所描述的磁控管腔(Atomic frequency standard[P].US Patent387 881，1995)。这几种腔的共同特点是都用了一种感容结构，这种感容结构由环绕微波腔中轴线并等距离分布的金属极片构成，其中极片的作用相当于电感，极片间隙的作用相当于电容，腔的谐振频率由感容结构的几何参数决定。这类微波腔的优势是体积小，场模式优越。缺点是加工精度要求高，装配和腔频调节比较困难。Mei Ganghua等发明了一种新结构的开槽管腔(Miniatured microwave cavity for atomic frequency standard[P].US Patent6225870B1，2001)。这种腔的感容结构通过直接在金属圆筒上开槽实现，除了保留前面几种腔的优点外，还具有结构简单，加工容易，Q值高的优点。
发明内容
本实用新型的目的是在于提供一种铷原子频标微波谐振腔，这种微波谐振腔具有结构简单，易加工，微波场模式优越，场分布均匀，微波填充因子大，腔频易调的优点。它可直接用于制作高性能铷原子频标。
本实用新型的特点在于一种铷原子频标微波谐振腔，它由圆柱腔体(3)、介质环(4)、端盖(7)、耦合环(8)、加热三极管(11)、C场线圈(12)构成，其特征是铷滤光泡(5)和铷吸收泡(6)插入支撑管(2)中，介质环(4)插入支撑管(2)和圆柱腔体(3)之间，谐振环(1)插入介质环(4)和铷吸收泡(6)之间。谐振环(1)为圆环状，谐振环(1)与支撑管(2)之间有间隙。通过微波腔内的谐振环(1)和支撑管(2)，使得本实用新型具有于以往微波谐振腔不同的感容结构。谐振环(1)和支撑管(2)相当于电感。谐振环(1)与支撑管(2)之间有一定间隙，相当于电容。通过调整这种感容结构的几何参数，使微波谐振腔在所需要的特定频率产生谐振。
微波通过耦合环耦合到微波谐振腔内。由谐振环(1)诱导在其四周产生环绕它的微波场。如图2所示。谐振环(1)为圆环状。产生的微波场类似于TE011模式，模式优越，有利于激励吸收泡内铷原子的微波共振跃迁。通过改变谐振环(1)的高度L，可以调整腔内的微波场场型分布，以充分激励吸收泡内的铷原子，从而获得最大的微波共振信号，进而提高系统的信噪比。通过改变谐振环(1)与支撑管(2)之间的间隙W(图2)，可以方便地调整腔内的谐振频率，确保微波共振频率与铷原子跃迁频率保持一致。这种微波谐振腔保留了上述几种腔体积小、模式优越、Q值高等优点，而且避免了上述腔结构中极片占用微波分布空间的缺点，因而具有更高的微波填充因子，并且微波谐振腔中的微波场分布更均匀。这种结构对各个部件的位置和机械加工精度要求不高，装配简单，所以便于加工制造。
本实用新型与现有技术相比，最显著的优点是微波填充因子大，同时具有微波场模式优越，场型均匀，腔频易调，结构简单，易加工的特点。
图1一种谐振环周围产生的微波谐振场型示意图图2一种谐振环和支撑管的结构示意图图3一种铷原子频标微波谐振腔的示意图具体实施方式
根据图1、图2、图3可知，用于铷原子频标的微波谐振腔由谐振环(1)、支撑管(2)、圆柱腔体(3)、介质环(4)、铷滤光泡(5)、铷吸收泡(6)、端盖(7)、耦合环(8)、光电池(9)、加热管座(10)、加热三极管(11)、C场线圈(12)、螺钉(13)组成。端盖(7)通过螺钉(13)与圆柱腔体(3)连接，螺钉(13)用于连接加热管座(10)、支撑管(2)和圆柱腔体(3)。
其特征在于铷滤光泡(5)和铷吸收泡(6)密配合插入支撑管(2)中，二者各充入适量的同位素铷和一定成分和配比的缓冲气体。支撑管(2)由金属材料制成(如合金铝)，用于支撑铷滤光泡(5)和铷吸收泡(6)。介质环(4)密配合插入支撑管(2)和圆柱腔体(3)之间，用于减小谐振腔的有效体积。谐振环(1)密配合插入介质环(4)和铷吸收泡(6)之间，并可用合适的粘胶粘牢(如环氧基双组分胶)，使整个腔形成刚型结构。谐振环(1)为圆环状，谐振环(1)与支撑管(2)之间有间隙。谐振环(1)由金属材料制成(如合金铝)，其作用是激励环绕其周围的谐振微波场，微波场类似于TE011模式，可用于激励吸收泡内铷原子的微波共振跃迁。圆柱腔体(3)装在介质环(4)外，通过螺钉(13)与支撑管(2)相连，由金属材料制成(如合金铝)。加热三极管(11)装入加热管座(10)和圆柱腔体(3)之间，加热管座(10)通过螺钉(13)连接在支撑管(2)和加热三极管(11)上。加热三极管(11)通电后可加热整个微波谐振腔，使铷滤光泡(5)和铷吸收泡(6)中的铷金属转变为铷原子频标的工作物质——铷蒸气。加热管座(10)上开有一个槽，用于容纳加热三极管(11)。端盖(7)通过螺钉(13)连接在圆柱腔体(3)为微波谐振腔的一个端面。端盖(7)由金属材料制成(如铜)。耦合环(8)一端焊接在端盖(7)上，另一端引出到腔外，作为微波信号的输入端，作用是将微波耦合进腔。光电池(9)用胶粘于端盖内表面，用于探测光信号。C场线圈(12)绕制在圆柱腔体(3)上，用于产生平行于微波谐振腔轴线的静磁场。这个静磁场用于使87Rb的超精细能级发生微小分裂，并提供原子跃迁所需的量子化轴。通过以上方式就可以组装一套完整的铷频标微波腔泡系统，可用于制作铷原子频标。
权利要求1.一种铷原子频标微波谐振腔，它由圆柱腔体(3)、介质环(4)、端盖(7)、耦合环(8)、加热三极管(11)、C场线圈(12)构成，其特征是铷滤光泡(5)和铷吸收泡(6)插入支撑管(2)中，介质环(4)插入支撑管(2)和圆柱腔体(3)之间，谐振环(1)插入介质环(4)和铷吸收泡(6)之间。
2.根据权利要求1所述的一种铷原子频标微波谐振腔，其特征是谐振环(1)为圆环状，谐振环(1)与支撑管(2)之间有间隙。
3.根据权利要求1所述的一种铷原子频标微波谐振腔，其特征是圆柱腔体(3)装在介质环(4)外，通过螺钉(13)与支撑管(2)相连。
4.根据权利要求1所述的一种铷原子频标微波谐振腔，其特征是加热三极管(11)装入加热管座(10)和圆柱腔体(3)之间，加热管座(10)通过螺钉(13)连接在支撑管(2)和加热三极管(11)上。
5.根据权利要求1所述的一种铷原子频标微波谐振腔，其特征在于端盖(7)通过螺钉(13)连接在圆柱腔体(3)为微波谐振腔的一个端面。
6.根据权利要求1所述的一种铷原子频标微波谐振腔，其特征在于耦合环(8)一端焊接在端盖(7)上，另一端伸出腔外。
7.根据权利要求1所述的一种铷原子频标微波谐振腔，其特征在于C场线圈(12)绕制在圆柱腔体(3)上。
专利摘要本实用新型公开了一种铷原子频标微波谐振腔，它由谐振环、支撑筒、圆柱腔体、铷吸收泡、铷滤光泡、加热管、加热管座、C场线圈等构成，铷滤光泡和铷吸收泡插入支撑管中，介质环插入支撑管和圆柱腔体之间，谐振环插入介质环和铷吸收泡之间，圆柱腔体装在介质环外，通过螺钉与支撑管相连，加热三极管装入加热管座中，加热管座通过螺钉与支撑管和和圆柱腔体连接。本实用新型结构简单、易加工、腔Q值高、微波填充因子大、场型分布均匀，可直接应用于铷原子频标中。
文档编号H01P7/06GK2912015SQ200620094970
公开日2007年6月13日 申请日期2006年1月10日 优先权日2006年1月10日
发明者谢勇辉, 梅刚华 申请人:中国科学院武汉物理与数学研究所