專利名稱：改進(jìn)的原子基態(tài)能級(jí)檢測(cè)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種改進(jìn)的原子基態(tài)能級(jí)檢測(cè)裝置。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)中，對(duì)于改進(jìn)的原子基態(tài)能級(jí)檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)過程中，通常采用單泡式共振吸收結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，由于采用單泡式共振吸收結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)，即諧振腔單元內(nèi)部只設(shè)置有一個(gè)共振吸收泡，但系統(tǒng)裝置在測(cè)量過程中由于溫度、電磁干擾等諸多因素造成的裝置檢測(cè)精度降低，僅現(xiàn)有技術(shù)而言，無(wú)法克服這種測(cè)量精度所造成的測(cè)量誤差，這種由于溫度等環(huán)境參數(shù)的變化導(dǎo)致的諧振腔體內(nèi)共振吸收泡中的原子發(fā)生變化會(huì)進(jìn)一步惡化檢測(cè)測(cè)量裝置的精度，現(xiàn)有技術(shù)大多數(shù)是從控制角度，例如，將諧振腔體溫度進(jìn)行嚴(yán)格控制，改善系統(tǒng)溫度性能等，這并不能從根本上解決這些問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種改進(jìn)的原子基態(tài)能級(jí)檢測(cè)裝置，通過采用雙泡式共振吸收結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析，達(dá)到提高檢測(cè)裝置測(cè)量精度的目的。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種改進(jìn)的原子基態(tài)能級(jí)檢測(cè)裝置，包括諧振腔單元、共振吸收單元、至少一個(gè)調(diào)諧器件、至少一塊光電池、至少一個(gè)耦合環(huán)及PCB ;所述共振吸收單元設(shè)置在所述諧振腔單元內(nèi)；所述調(diào)諧器件與所述諧振腔單元固定連接；所述光電池設(shè)置在所述諧振腔單元上；所述耦合環(huán)一端與外部電纜芯線固定連接，另一端通過螺紋緊固機(jī)構(gòu)與所述諧振腔單元固定連接；所述PCB設(shè)置在所述諧振腔單元上。進(jìn)一步地，所述諧振腔單元包括圓柱腔體、腔蓋、磁場(chǎng)線圈、加熱絲及熱敏電阻；所述磁場(chǎng)線圈纏繞在所述圓柱腔體外壁上；所述加熱絲纏繞在所述圓柱腔體內(nèi)壁上；所述熱敏電阻通過電路板設(shè)置在所述腔蓋上，用于監(jiān)控所述圓柱腔體的工作溫度；所述共振吸收單元設(shè)置在所述圓柱腔體內(nèi)；所述調(diào)諧器件與所述腔蓋固定連接，通過改變所述調(diào)諧器件在所述圓柱腔體中的長(zhǎng)度來(lái)對(duì)腔頻進(jìn)行調(diào)節(jié)；所述光電池設(shè)置在所述腔蓋上；所述耦合環(huán)通過螺紋緊固機(jī)構(gòu)與所述腔蓋固定連接；所述PCB設(shè)置在所述腔蓋上。進(jìn)一步地，所述共振吸收單元包括第一共振吸收泡、第二共振吸收泡；所述第一共振吸收泡、所述第二共振吸收泡呈泡狀腔體結(jié)構(gòu)，并依次置于所述圓柱腔體內(nèi)部。進(jìn)一步地，所述共振吸收單元還包括用于避免所述第一共振吸收泡、所述第二共振吸收泡微波場(chǎng)輻射相互干擾的屏蔽機(jī)構(gòu)；所述屏蔽機(jī)構(gòu)設(shè)置在所述第一共振吸收泡、所述第二共振吸收泡之間。進(jìn)一步地，所述屏蔽機(jī)構(gòu)是金屬板。進(jìn)一步地，所述圓柱腔體底部開設(shè)有至少一個(gè)用于傳輸光束的通光槽。進(jìn)一步地，所述第一共振吸收泡、所述第二共振吸收泡內(nèi)部均充有用于原子在磁場(chǎng)作用下共振吸收的A元素及其同位素B元素；所述第一共振吸收泡、所述第二共振吸收泡內(nèi)部還充有惰性氣體C。進(jìn)一步地，所述第一共振吸收泡中A元素含量、B元素含量、氣體C含量分別與所述第二共振吸收泡中A元素含量、B元素含量、氣體C含量對(duì)應(yīng)相同。進(jìn)一步地，所述A元素是87Rb,所述B元素是85Rb,所述氣體C是氬氣；所述87Rb與所述85Rb含量相對(duì)比例為27. 8/72. 8。進(jìn)一步地，所述第一共振吸收泡、所述第二共振吸收泡結(jié)構(gòu)形狀、大小尺寸完全相同，通過將所述第一共振吸收泡、所述第二共振吸收泡獲得的光電信號(hào)傳輸至外圍電路，對(duì)比分析兩組所述光電信號(hào)，根據(jù)分析結(jié)果提高檢測(cè)裝置檢測(cè)精度。本發(fā)明提供的一種改進(jìn)的原子基態(tài)能級(jí)檢測(cè)裝置，實(shí)際應(yīng)用中，將經(jīng)篩選的兩個(gè)共振吸收泡置入檢測(cè)裝置中，二者無(wú)論從溫度敏感性、還是充氣氣體比例、以及大小尺寸、充氣氣壓等都完全相同。因此，在左右兩個(gè)共振腔內(nèi)將會(huì)得到兩組有用的光電信號(hào)到外圍電路，一旦整個(gè)裝置由于溫度、電磁干擾等影響造成裝置檢測(cè)精度的降低，本發(fā)明可以通過對(duì)比兩個(gè)腔體中獲得的光電信號(hào)分析，剔除這些影響。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種改進(jìn)的原子基態(tài)能級(jí)檢測(cè)裝置原理結(jié)構(gòu)示意圖。其中，S1-熱敏電阻，S2-調(diào)諧器件，S3-耦合環(huán)，S4-光電池，S5-PCB，S6-腔蓋，S7-磁場(chǎng)線圈，S8-加熱絲，S9-通光槽，SlO-金屬板，Sll-圓柱腔體，201-第一共振吸收泡，202-第二共振吸收泡。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明提供的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)說明。參見圖1，本發(fā)明實(shí)施例提供的一種改進(jìn)的原子基態(tài)能級(jí)檢測(cè)裝置，包括諧振腔單元、共振吸收單元、至少一個(gè)調(diào)諧器件S2、至少一塊光電池S4、至少一個(gè)耦合環(huán)S3及PCB。其中，共振吸收單元設(shè)置在諧振腔單元內(nèi)。調(diào)諧器件S2與諧振腔單元固定連接。光電池S4設(shè)置在諧振腔單元上。耦合環(huán)S3 —端與外部電纜芯線固定連接，另一端通過螺紋緊固機(jī)構(gòu)與諧振腔單元固定連接。同時(shí)，PCB也設(shè)置在諧振腔單元上，用于為檢測(cè)裝置電走線提供載體。本實(shí)施例中，諧振腔單元包括圓柱腔體S11、腔蓋S6、磁場(chǎng)線圈S7、加熱絲S8及熱敏電阻SI。其中，磁場(chǎng)線圈S7纏繞在圓柱腔體Sll外壁上；加熱絲S8采用雙線麻花式纏繞在圓柱腔體Sll內(nèi)壁上。同時(shí)，熱敏電阻SI通過電路板設(shè)置在腔蓋S6—端，用于監(jiān)控圓柱腔體Sll的工作溫度。共振吸收單元設(shè)置在圓柱腔體Sll內(nèi)。調(diào)諧器件S2與腔蓋S6固定連接，并通過改變調(diào)諧器件S2在圓柱腔體Sll中的長(zhǎng)度來(lái)對(duì)腔頻進(jìn)行調(diào)節(jié)(調(diào)節(jié)范圍大概有50MHz左右)。光電池S4設(shè)置在腔蓋S6上。耦合環(huán)S3通過螺紋緊固機(jī)構(gòu)與腔蓋S6固定連接。同時(shí)，PCB也設(shè)置在腔蓋S6上，與光電池S4相鄰。本實(shí)施例中，共振吸收單元包括第一共振吸收泡201、第二共振吸收泡202。其中，第一共振吸收泡201、第二共振吸收泡202是呈泡狀腔體結(jié)構(gòu)的透明玻璃物質(zhì)，并依次置于圓柱腔體Sll內(nèi)部。本實(shí)施例中，為了避免第一共振吸收泡201、第二共振吸收泡202左右兩個(gè)微波場(chǎng)輻射相互干擾的影響，共振吸收單元還包括屏蔽機(jī)構(gòu)。其中，屏蔽機(jī)構(gòu)設(shè)置在第一共振吸收泡201、第二共振吸收泡202之間。優(yōu)選地，屏蔽機(jī)構(gòu)是金屬板SlO。本實(shí)施例中，第一共振吸收泡201、第二共振吸收泡202內(nèi)部均充有用于原子在磁場(chǎng)作用下共振吸收的工作物質(zhì)。工作物質(zhì)包括:A元素及其同位素B元素。同時(shí)，第一共振吸收泡201、第二共振吸收泡202內(nèi)部還充有惰性氣體C。并且二者中A元素含量、B元素含量、氣體C含量分別對(duì)應(yīng)相同。其中，惰性氣體C用于減小第一共振吸收泡201、第二共振吸收泡202內(nèi)工作物質(zhì)的碰撞頻移。優(yōu)選地，A元素是87Rb, B元素是85Rb,氣體C是氬氣。其中，87Rb與85Rb含量相對(duì)比例為 27. 8/72. 8。優(yōu)選地，調(diào)諧器件S2數(shù)量是2個(gè)；調(diào)諧器件S2是螺釘。本實(shí)施例通過改變螺釘在圓柱腔體Sll中的長(zhǎng)度來(lái)對(duì)腔頻進(jìn)行調(diào)節(jié)(調(diào)節(jié)范圍大概有50MHz左右)。優(yōu)選地，光電池S4數(shù)量是4個(gè)；每2個(gè)作為一對(duì)，依次對(duì)稱設(shè)置在第一共振吸收泡201、第二共振吸收泡202中心軸線兩側(cè)，用于將載有原子共振躍遷信息的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。優(yōu)選地，耦合環(huán)S3數(shù)量是2個(gè)，依次通過螺紋緊固機(jī)構(gòu)固定在第一共振吸收泡201、第二共振吸收泡202頂端中心軸線上。優(yōu)選地，螺紋緊固機(jī)構(gòu)是螺釘連接。本實(shí)施例中，圓柱腔體Sll底部還開設(shè)有至少一個(gè)用于讓外部光源發(fā)出的光束進(jìn)入檢測(cè)裝置的通光槽S9。優(yōu)選地，通光槽S9數(shù)量是2個(gè)，依次對(duì)應(yīng)位于第一共振吸收泡201、第二共振吸收泡202底部。本實(shí)施例中，諧振腔單元的主要作用在于為87Rb原子基態(tài)精細(xì)結(jié)構(gòu)的微波躍遷提供合適的微波場(chǎng)，其共振頻率與作為量子鑒頻參考的原子躍遷頻率是一致的，以及為原子分裂提供相應(yīng)的磁場(chǎng)，同時(shí)諧振腔單元也起著為第一共振吸收泡201、第二共振吸收泡202提供熱環(huán)境的作用。通常情況下，現(xiàn)有技術(shù)都使用TEOll和TElll模式的微波腔，為了減小物理系統(tǒng)的體積，本實(shí)施例使用的是TElll模式的微波諧振腔。微波諧振腔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接與在其共振頻率上的微波諧振模式TElll的場(chǎng)形相關(guān)。微波諧振腔采取的耦合方式是環(huán)耦合(即磁耦合)方式，同時(shí)為了透光，圓柱腔體Sll上還開有通光光柵，其形狀與腔內(nèi)微波的壁電流的方向一致。為了提高耦合度，耦合環(huán)S3—端與固定良好的同軸電纜芯線焊接，另一端通過固定螺釘，固定于腔蓋中心軸線上(附圖1中第一共振吸收泡201、第二共振吸收泡202頂端中心軸線上)。由于機(jī)械加工誤差，實(shí)際腔頻與計(jì)算結(jié)果有一定差異，本實(shí)施例通過改變調(diào)諧器件S2在腔中的長(zhǎng)度來(lái)對(duì)腔頻進(jìn)行微調(diào)(微調(diào)范圍大概有50MHz左右)，微波磁場(chǎng)的縱向分量的強(qiáng)度在耦合環(huán)S3兩側(cè)最強(qiáng)，所以在工作狀態(tài)下原子共振躍遷信號(hào)最強(qiáng)的地方在腔體兩邊，故將光電池S4對(duì)稱地安裝在中心軸線的兩側(cè)。同時(shí)，為了減小物理系統(tǒng)的體積，本實(shí)施例使用的第一共振吸收泡201、第二共振吸收泡202是集成共振吸收泡。集成共振吸收泡是整個(gè)量子系統(tǒng)的核心，集成泡中的銣原子的基態(tài)超精細(xì)0-0躍遷頻率即是銣原子頻標(biāo)的鑒頻參考頻率。集成共振吸收泡中的工作物質(zhì)是天然銣(87Rb和85Rb各占27. 8%和72. 2%)，集成共振吸收泡的前半部分主要起濾光作用，后半部分主要起共振作用。為了減小線寬、提高光抽運(yùn)(“熒光烊滅”和“激發(fā)能級(jí)混雜”)效率，因此充入緩沖氣體氬氣。本發(fā)明采用雙泡式共振吸收結(jié)構(gòu)，外部光源發(fā)射的光束(87Rb)通過通光槽S9分別進(jìn)入第一共振吸收泡201、第二共振吸收泡202中，按照現(xiàn)有技術(shù)與內(nèi)部的工作物質(zhì)發(fā)生濾光共振作用后，經(jīng)光電池S4采樣，將攜帶有量子鑒頻信號(hào)的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)再送至外圍電子線路進(jìn)行相應(yīng)的處理。值得一提的是本發(fā)明提供的改進(jìn)的原子基態(tài)能級(jí)檢測(cè)裝置，將經(jīng)篩選性能相近的第一共振吸收泡201、第二共振吸收泡202置入檢測(cè)裝置中，二者無(wú)論從溫度敏感性、還是充氣氣體比例、以及大小尺寸、充氣氣壓等都完全相同。因此，與傳統(tǒng)裝置結(jié)構(gòu)相比，本實(shí)施例在左右兩個(gè)共振腔內(nèi)將會(huì)得到兩組有用的光電信號(hào)到外圍電路，一旦整個(gè)裝置由于溫度、電磁干擾等影響造成裝置檢測(cè)精度的降低，本實(shí)施例可以通過對(duì)比兩個(gè)腔體中獲得的光電信號(hào)分析，剔除這些影響，因?yàn)闊o(wú)論是溫度還是電磁干擾，它們?cè)斐傻挠绊憣?duì)兩個(gè)共振吸收泡是一樣的，進(jìn)而提高測(cè)量精度。最后所應(yīng)說明的是，以上具體實(shí)施方式
僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照實(shí)例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.一種改進(jìn)的原子基態(tài)能級(jí)檢測(cè)裝置，其特征在于，包括諧振腔單元、共振吸收單元、至少一個(gè)調(diào)諧器件(S2)、至少一塊光電池(S4)、至少一個(gè)耦合環(huán)(S3)及PCB (S5)； 所述共振吸收單元設(shè)置在所述諧振腔單元內(nèi)； 所述調(diào)諧器件(S2)與所述諧振腔單元固定連接； 所述光電池(S4)設(shè)置在所述諧振腔單元上； 所述耦合環(huán)(S3) —端與外部電纜芯線固定連接，另一端通過螺紋緊固機(jī)構(gòu)與所述諧振腔單元固定連接； 所述PCB (S5)設(shè)置在所述諧振腔單元上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述改進(jìn)的原子基態(tài)能級(jí)檢測(cè)裝置，其特征在于，所述諧振腔單元包括圓柱腔體(S11)、腔蓋(S6)、磁場(chǎng)線圈(S7)、加熱絲(S8)及熱敏電阻(SI)； 所述磁場(chǎng)線圈(S7 )纏繞在所述圓柱腔體(S11)外壁上； 所述加熱絲(S8)纏繞在所述圓柱腔體(Sll)內(nèi)壁上； 所述熱敏電阻(SI)通過電路板設(shè)置在所述腔蓋(S6)上，用于監(jiān)控所述圓柱腔體(Sll)的工作溫度； 所述共振吸收單元設(shè)置在所述圓柱腔體(SII)內(nèi)； 所述調(diào)諧器件(S2)與所述腔蓋(S6)固定連接，通過改變所述調(diào)諧器件(S2)在所述圓柱腔體(SII)中的長(zhǎng)度來(lái)對(duì)腔頻進(jìn)行調(diào)節(jié)； 所述光電池(S4 )設(shè)置在所述腔蓋(S6 )上； 所述耦合環(huán)(S3)通過螺紋緊固機(jī)構(gòu)與所述腔蓋(S6)固定連接； 所述PCB (S5 )設(shè)置在所述腔蓋(S6 )上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述改進(jìn)的原子基態(tài)能級(jí)檢測(cè)裝置，其特征在于，所述共振吸收單元包括第一共振吸收泡(201)、第二共振吸收泡(202)； 所述第一共振吸收泡(201)、所述第二共振吸收泡(202)呈泡狀腔體結(jié)構(gòu)，并依次置于所述圓柱腔體(Sll)內(nèi)部。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述改進(jìn)的原子基態(tài)能級(jí)檢測(cè)裝置，其特征在于，所述共振吸收單元還包括用于避免所述第一共振吸收泡(201)、所述第二共振吸收泡(202)微波場(chǎng)輻射相互干擾的屏蔽機(jī)構(gòu)； 所述屏蔽機(jī)構(gòu)設(shè)置在所述第一共振吸收泡(201)、所述第二共振吸收泡(202)之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述改進(jìn)的原子基態(tài)能級(jí)檢測(cè)裝置，其特征在于所述屏蔽機(jī)構(gòu)是金屬板(S10)。
6.根據(jù)權(quán)利要求2-5任一項(xiàng)所述改進(jìn)的原子基態(tài)能級(jí)檢測(cè)裝置，其特征在于所述圓柱腔體(Sll)底部開設(shè)有至少一個(gè)用于傳輸光束的通光槽(S9)。
7.根據(jù)權(quán)利要求3-5任一項(xiàng)所述改進(jìn)的原子基態(tài)能級(jí)檢測(cè)裝置，其特征在于 所述第一共振吸收泡(201)、所述第二共振吸收泡(202)內(nèi)部均充有用于原子在磁場(chǎng)作用下共振吸收的A元素及其同位素B元素； 所述第一共振吸收泡(201)、所述第二共振吸收泡(202)內(nèi)部還充有惰性氣體C。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述改進(jìn)的原子基態(tài)能級(jí)檢測(cè)裝置，其特征在于 所述第一共振吸收泡(201)中A元素含量、B元素含量、氣體C含量分別與所述第二共振吸收泡(202)中A元素含量、B元素含量、氣體C含量對(duì)應(yīng)相同。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述改進(jìn)的原子基態(tài)能級(jí)檢測(cè)裝置，其特征在于 所述A元素是87Rb,所述B元素是85Rb,所述氣體C是氬氣； 所述87Rb與所述85Rb含量相對(duì)比例為27. 8/72. 8。
10.根據(jù)權(quán)利要求8-9任一項(xiàng)所述改進(jìn)的原子基態(tài)能級(jí)檢測(cè)裝置，其特征在于 所述第一共振吸收泡(201)、所述第二共振吸收泡(202)結(jié)構(gòu)形狀、大小尺寸完全相同，通過將所述第一共振吸收泡(201)、所述第二共振吸收泡(202)獲得的光電信號(hào)傳輸至外圍電路，對(duì)比分析兩組所述光電信號(hào)，根據(jù)分析結(jié)果提高檢測(cè)裝置測(cè)量精度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種改進(jìn)的原子基態(tài)能級(jí)檢測(cè)裝置，包括諧振腔單元、共振吸收單元、調(diào)諧器件、光電池、耦合環(huán)及PCB。其中，共振吸收單元設(shè)置在諧振腔單元內(nèi)；調(diào)諧器件與諧振腔單元固定連接；光電池設(shè)置在諧振腔單元上；耦合環(huán)一端與電纜芯線固定連接，另一端與諧振腔單元固定連接。PCB設(shè)置在諧振腔單元上。實(shí)際應(yīng)用中，將經(jīng)篩選的兩個(gè)共振吸收泡置入檢測(cè)裝置中，二者無(wú)論從溫度敏感性、還是充氣氣體比例、以及大小尺寸、充氣氣壓等都完全相同。因此，在左右兩個(gè)共振腔內(nèi)將會(huì)得到兩組有用的光電信號(hào)到外圍電路，一旦整個(gè)裝置由于溫度、電磁干擾等影響造成裝置檢測(cè)精度的降低，本發(fā)明可以通過對(duì)比兩個(gè)腔體中獲得的光電信號(hào)分析，剔除這些影響。
文檔編號(hào)G01J3/28GK103063650SQ201210551200
公開日2013年4月24日 申請(qǐng)日期2012年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月17日
發(fā)明者雷海東 申請(qǐng)人:江漢大學(xué)