專利名稱：氫原子鐘電離源系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氫原子鐘領(lǐng)域，更具體地涉及一種氫原子鐘用電離源系統(tǒng)，可直接用于氫原子鐘中。
背景技術(shù)：
時(shí)間是五個(gè)基本物理量之一，對(duì)其的精確計(jì)量具有重要的科研和應(yīng)用價(jià)值。進(jìn)入二十世紀(jì)后，利用確定能級(jí)躍遷實(shí)現(xiàn)高精度時(shí)間輸出的原子鐘逐漸成熟，并得到廣泛地應(yīng)用。目前實(shí)用型的原子鐘包括銣原子鐘、銫原子鐘和氫原子鐘，其中氫原子鐘具有優(yōu)秀的中短期穩(wěn)定度和良好長期穩(wěn)定度和漂移率指標(biāo)，可用于守時(shí)授時(shí)、導(dǎo)航定位和通訊保障等眾多領(lǐng)域。氫原子鐘的工作原理是利用氫原子基態(tài)(F = l，mF = 0)和(F = 0，mF = 0)兩超精細(xì)能級(jí)之間的躍遷頻率來鎖定晶振。工業(yè)氫氣通過提純之后導(dǎo)入電離源系統(tǒng)，在此期間 氫分子離解成為原子狀態(tài)，同時(shí)發(fā)光發(fā)熱，氫原子由準(zhǔn)直器形成原子束流，在磁選態(tài)器的作用下，(F =LmF = 0)態(tài)的氫原子射入微波諧振腔中的儲(chǔ)存泡，并在其中發(fā)生微波共振躍遷，使腔內(nèi)微波能量增加，通過檢測微波諧振腔內(nèi)的微波能量就可以將電路系統(tǒng)輸出的微波信號(hào)鎖定在原子躍遷譜線上，從而可以得到具有高穩(wěn)定度和高準(zhǔn)確度的輸出信號(hào)。由此可見，氫原子鐘的核心是其物理部分，包括微波諧振腔、電離源系統(tǒng)和選態(tài)系統(tǒng)等，其中電離源系統(tǒng)是氫原子鐘的重要子系統(tǒng)。為了以盡可能高的效率進(jìn)行氫分子的電離，同時(shí)避免對(duì)氫原子產(chǎn)生過多的外部干擾，目前氫原子鐘電離源系統(tǒng)普遍采用的是射頻電離的方式，通過內(nèi)置的激勵(lì)電路產(chǎn)生頻率為IOOMHz左右，功率為5 IOW的射頻信號(hào)，激發(fā)氫分子使之離解為原子狀態(tài)。具體的結(jié)構(gòu)如文獻(xiàn) Robert F C Vessot,“The Atomic Hydrogen Maser Oscillator, ^etrologia42 (2005) S80-S89 和 Samuel R. Stein, Boulder, colo, Dissociator for Atomic Masers. US Patent :4, 734, 622,1988,以及N. A. Demidov, A. A. Belyaev, B. A. Sakharov, A. A. Ul janov,“Passive Hydrogen Maser Frequency Stability and Accuracy Investigations PassiveHydrogen Maser Frequency Stability,，，7th European Frequency and Time ForumNeuchatec 16-17-181993所示。這幾種電離源的相似之處在于，將氫氣持續(xù)導(dǎo)入石英制的電離泡中，同時(shí)射頻信號(hào)以電感耦合或者電容耦合的方式作用于電離泡，從而使氫分子在電離泡內(nèi)發(fā)生離解。該方式電離效率高，可連續(xù)工作。但是存在零部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)熱不暢，無法適應(yīng)真空環(huán)境等缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供一種氫原子鐘電離源系統(tǒng)，這種電離源系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單，導(dǎo)熱通暢的特點(diǎn)，可廣泛用于各類型氫原子鐘，滿足包括真空環(huán)境在內(nèi)的各種工作環(huán)境的使用要求。本發(fā)明的一種氫原子鐘電離源系統(tǒng)，包括電離泡；套裝在所述電離泡的外側(cè)的導(dǎo)熱支柱；安裝在所述導(dǎo)熱支柱的一端上的密封安裝面；安裝在所述導(dǎo)熱支柱另一端上的電離源盒，在所述電離源盒靠近所述導(dǎo)熱支柱的側(cè)壁上設(shè)有一用于容納所述電離泡的開口 ；安裝在所述電離源盒內(nèi)部的激勵(lì)電路；以及安裝所述電離源盒內(nèi)部并位于所述電離泡的上方的射頻線圈。該電離源系統(tǒng)還包括在所述電離源盒內(nèi)部安裝在所述開口處且與所述電離泡的端面緊密相連的散熱罩。該電離源系統(tǒng)還包括安裝在所述電離源盒靠近所述導(dǎo)熱支柱的側(cè)壁上且從所述導(dǎo)熱支柱延伸至所述電離源盒的底部安裝面的導(dǎo)熱管。該電離源系統(tǒng)還包括安裝在電離源盒的內(nèi)部用于檢測電離過程中產(chǎn)生的光輻射的光敏探測器。 所述電離泡通過固定旋鈕固定安裝在密封安裝面上。所述電離源盒通過螺釘安裝在所述導(dǎo)熱支柱上。所述導(dǎo)熱支柱通過螺釘安裝在所述密封安裝面上。所述電離源盒為一體加工的金屬盒。本發(fā)明的電離源系統(tǒng)與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、加工方便、機(jī)械強(qiáng)度高，導(dǎo)熱效率高等優(yōu)點(diǎn)，已在實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)上得到實(shí)際驗(yàn)證，其在大氣下工作時(shí)不需要傳統(tǒng)的風(fēng)冷散熱，電離泡工作溫度低于40°C ;在真空下該電離源系統(tǒng)也可正常工作，電離泡工作溫度低于50°C，解決了傳統(tǒng)電離源系統(tǒng)無法在真空下工作的問題。


圖I為本發(fā)明的氫原子鐘電離源系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)剖視圖。圖2為本發(fā)明的氫原子鐘電離源系統(tǒng)的電離源盒的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明的氫原子鐘電離源系統(tǒng)在真空下的工作溫度曲線。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的氫原子鐘電離源系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)說明。如圖I所示，本發(fā)明的氫原子鐘電離源系統(tǒng)由電離源盒I、導(dǎo)熱支柱2、電離泡3、固定旋鈕4、密封安裝面5、散熱罩6、導(dǎo)熱管7、射頻線圈8、激勵(lì)電路9、光敏探測器10和固定螺釘11、12構(gòu)成。螺釘11用于連接電離源盒I和導(dǎo)熱支柱2，螺釘12用于連接導(dǎo)熱支柱2和密封安裝面5。導(dǎo)熱支柱2和電離泡3安裝在密封安裝面5上，其中電離泡3通過固定旋鈕4安裝在密封安裝面5上,在該電離泡3的內(nèi)部持續(xù)導(dǎo)入氫氣,用于作為氫分子進(jìn)行電離的環(huán)境。導(dǎo)熱支柱2套裝在電離泡3的外側(cè)，通過螺釘12連接在密封安裝面5上，用于支撐電離源盒1，同時(shí)導(dǎo)出電離泡3工作時(shí)側(cè)面產(chǎn)生的熱量。電離源盒I通過螺釘11直接安裝在導(dǎo)熱支柱2上，作為電離源電路的安裝盒和導(dǎo)熱通道。導(dǎo)熱支柱2的內(nèi)壁與電離泡3的外壁充分靠近，而電離源盒I緊密安裝在導(dǎo)熱支柱2上，由此構(gòu)成了從電離泡3的側(cè)面到電離源盒I的完整的傳熱通道。在電離源盒I靠近導(dǎo)熱支柱2的側(cè)壁上設(shè)有圓形開口，電離源盒I通過該開口套裝在電離泡3外。射頻線圈8安裝在電離源盒I內(nèi)，位于電離泡3上方，用于將電離過程所需的射頻信號(hào)輻射進(jìn)入電離泡3中。激勵(lì)電路9安裝在電離源盒I內(nèi)，用于產(chǎn)生電離過程所需的射頻信號(hào)。光敏探測器10安裝在電離源盒I內(nèi)，用于檢測電離過程中產(chǎn)生的光輻射，從而監(jiān)測電離源系統(tǒng)的工作狀態(tài)。該電離源盒I內(nèi)部安裝的激勵(lì)電路9，射頻線圈8和光敏探測器10等電路和器件，可直接用于激發(fā)電離泡3內(nèi)的氫分子，完成電離工作，從而使電離源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加緊湊。散熱罩6安裝在電離泡3的端面與電離源盒I之間，該散熱罩6的內(nèi)側(cè)與電離泡3的端面緊密連接，由此構(gòu)成了由電離泡3端面到電離源盒I的導(dǎo)熱通道，用于將電離泡3工作時(shí)端面產(chǎn)生的熱量導(dǎo)出至電離源盒I。導(dǎo)熱管7安裝在電離源盒I上靠近導(dǎo)熱支柱2的側(cè)壁，位于導(dǎo)熱支柱2與電離源盒I的底部安裝面13 (如圖2所示)之間，其從導(dǎo)熱支柱2延伸至電離源盒I下部接近底部安裝面13處，用于將電離源盒I上的熱量傳導(dǎo)至該底部安裝面13上。該電離源盒I為一體加工的金屬盒，其內(nèi)部設(shè)有電離電路的安裝孔和屏蔽結(jié)構(gòu)，作為電離電路的載體，同時(shí)通過金屬盒體和導(dǎo)熱管7構(gòu)成完善的導(dǎo)熱通道，以達(dá)到加強(qiáng)散熱的目的，電離源系統(tǒng)工作過程由電離泡產(chǎn)生的熱量可以通過導(dǎo)熱支柱和散熱罩傳遞至電離源盒I上，再由導(dǎo)熱管7傳導(dǎo)至位于電離源盒I底部的散熱端，即底部安裝面13。此外電離源盒I的底部設(shè)有機(jī)械安裝腳，用于將包括電離源盒I在內(nèi)的整個(gè)電離源系統(tǒng)安裝在外部安裝面上，熱量通過電離源底部安裝面13傳導(dǎo)出去，并導(dǎo)出電離源系統(tǒng)，由此可以構(gòu)成 完整通暢的電離源系統(tǒng)散熱通道。通過以上方式就可以組裝一套完整的新型氫原子鐘電離源系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)軟件仿真和實(shí)際試驗(yàn)表明，本發(fā)明的這種結(jié)構(gòu)可以滿足氫原子鐘電離源系統(tǒng)在各種工作環(huán)境下的散熱要求，系統(tǒng)工作時(shí)各部件的工作溫度均未超出設(shè)計(jì)要求。該氫原子中電離源系統(tǒng)在大氣下工作時(shí)不需要傳統(tǒng)的風(fēng)冷散熱，電離泡3工作溫度低于40°C。在真空下該電離源系統(tǒng)也可正常工作，圖3是本發(fā)明氫原子鐘電離源系統(tǒng)在真空下的工作溫度曲線，示出了該電離源系統(tǒng)的熱真空實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)中逐漸改變外部平臺(tái)的溫度條件，測試電離泡的工作溫度，數(shù)據(jù)顯示該溫度始終低于50°C，可見本發(fā)明解決了傳統(tǒng)電離源系統(tǒng)無法在真空下工作的問題。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并非用以限定本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的上述實(shí)施例還可以做出各種變化。即凡是依據(jù)本發(fā)明申請(qǐng)的權(quán)利要求書及說明書內(nèi)容所作的簡單、等效變化與修飾，皆落入本發(fā)明專利的權(quán)利要求保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種氫原子鐘電離源系統(tǒng)，其特征在于，包括 電離泡⑶； 套裝在所述電離泡⑶的外側(cè)的導(dǎo)熱支柱⑵； 安裝在所述導(dǎo)熱支柱(2)的一端上的密封安裝面(5)； 安裝在所述導(dǎo)熱支柱(2)的另一端上的電離源盒(I)，在所述電離源盒(I)靠近所述導(dǎo)熱支柱(2)的側(cè)壁上設(shè)有一用于容納所述電離泡(3)的開口 ； 安裝在所述電離源盒(I)內(nèi)部的激勵(lì)電路(9);以及安裝所述電離源盒(I)內(nèi)部并位于所述電離泡⑶的上方的射頻線圈(8)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的氫原子鐘電離源系統(tǒng)，其特征在于，還包括在所述電離源盒(I)內(nèi)部安裝在所述開口處且與所述電離泡(3)的端面緊密相連的散熱罩(6)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的氫原子鐘電離源系統(tǒng)，其特征在于，還包括安裝在所述電離源盒(I)靠近所述導(dǎo)熱支柱(2)的側(cè)壁上且從所述導(dǎo)熱支柱(2)延伸至所述電離源盒(I)的底部安裝面(13)的導(dǎo)熱管(7)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的氫原子鐘電離源系統(tǒng)，其特征在于，還包括安裝在電離源盒(I)的內(nèi)部用于檢測電離過程中產(chǎn)生的光輻射的光敏探測器(10)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的氫原子鐘電離源系統(tǒng)，其特征在于，所述電離泡(3)通過固定旋鈕(4)固定安裝在密封安裝面(5)上。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的氫原子鐘電離源系統(tǒng)，其特征在于，所述電離源盒(I)通過螺釘(11)安裝在所述導(dǎo)熱支柱(2)上。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的氫原子鐘電離源系統(tǒng)，其特征在于，所述導(dǎo)熱支柱(2)通過螺釘(12)安裝在所述密封安裝面(5)上。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的氫原子鐘電離源系統(tǒng)，其特征在于，所述電離源盒(I)為一體加工的金屬盒。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種氫原子鐘電離源系統(tǒng)，包括電離泡(3)；套裝在所述電離泡(3)的外側(cè)的導(dǎo)熱支柱(2)；安裝在所述導(dǎo)熱支柱(2)的一端上的密封安裝面(5)；安裝在所述導(dǎo)熱支柱(2)另一端上的電離源盒(1)，在所述電離源盒(1)靠近所述導(dǎo)熱支柱(2)的側(cè)壁上設(shè)有一用于容納所述電離泡(3)的開口；安裝在所述電離源盒(1)內(nèi)部的激勵(lì)電路(9)；以及安裝所述電離源盒(1)內(nèi)部并位于所述電離泡(3)的上方的射頻線圈(8)。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，電離效率高，散熱效果良好，可直接應(yīng)用于氫原子鐘。
文檔編號(hào)G04F5/14GK102749839SQ20111009718
公開日2012年10月24日 申請(qǐng)日期2011年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月18日
發(fā)明者萬彬, 劉嘉陽, 張勇, 戴家瑜, 林傳富, 謝勇輝, 陳文星 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院上海天文臺(tái)