本發(fā)明涉及原子鐘技術(shù)領(lǐng)域。更具體地，涉及一種用于小型氫原子鐘的藍(lán)寶石加載微波腔。

背景技術(shù)：

原子鐘是一種利用原子吸收或釋放能量時(shí)發(fā)出的電磁波來(lái)計(jì)時(shí)的精密時(shí)間計(jì)量?jī)x器，廣泛應(yīng)用于定位、導(dǎo)航、通信、軍事等多個(gè)領(lǐng)域。由于這種電磁波非常穩(wěn)定，再加上利用一系列精密的儀器進(jìn)行控制，原子鐘的計(jì)時(shí)就可以非常準(zhǔn)確?，F(xiàn)在用在原子鐘里的元素有氫(hydrogen)、銫(cesium)、銣(rubidium)等，原子鐘的精度可以達(dá)到每2000萬(wàn)年誤差1秒，這為天文、航海、宇宙航行提供了強(qiáng)有力的保障。

隨著衛(wèi)星激光測(cè)距(slr)、甚長(zhǎng)基線干涉(vlbi)等空間大地測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，氫原子鐘作為目前最實(shí)用的地面頻率標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)應(yīng)用于世界各國(guó)地面觀測(cè)站的建設(shè)中。傳統(tǒng)的主動(dòng)型氫原子鐘質(zhì)量大、體積大，許多學(xué)者都在氫原子鐘小型化方向上進(jìn)行探索。采用藍(lán)寶石作為填充介質(zhì)的諧振腔能有效解決氫原子鐘小型化的問(wèn)題，它不僅能減小諧振腔的體積和質(zhì)量，還能保持接近傳統(tǒng)主動(dòng)型氫原子鐘的頻率穩(wěn)定度。藍(lán)寶石氫原子鐘因體積小、可靠性高，在國(guó)防、工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。

微波腔是藍(lán)寶石氫原子鐘的核心部件，腔內(nèi)氫原子貯存區(qū)域要實(shí)現(xiàn)優(yōu)于1e-6pa的真空度。腔內(nèi)貯存區(qū)域的體積的大小和貯存區(qū)域的真空密封的可靠性直接影響整機(jī)的可靠性和性能。目前藍(lán)寶石氫原子鐘采用的藍(lán)寶石介質(zhì)加載微波腔貯存體積較??；真空密封形式可靠性較差；貯存區(qū)域涂膜工藝實(shí)現(xiàn)難度較大。

現(xiàn)有技術(shù)方案中，藍(lán)寶石填充介質(zhì)分為三部分，這三部分通過(guò)特殊的工藝手段實(shí)現(xiàn)真空密封連接。實(shí)現(xiàn)這三部分的真空密封連接的工藝方法難度較大且實(shí)現(xiàn)密封處可靠性較差，這種填充介質(zhì)在使用一段時(shí)間后在密封處就會(huì)出現(xiàn)真空泄漏。這對(duì)藍(lán)寶石氫原子鐘是致命的。另外，藍(lán)寶石內(nèi)部的貯存區(qū)域的內(nèi)壁需要涂覆三層高分子聚合材料，由于實(shí)現(xiàn)三塊藍(lán)寶石填充介質(zhì)的真空密封過(guò)程會(huì)對(duì)內(nèi)壁的高分子涂層造成不同程度的污染，這種污染會(huì)對(duì)脈澤躍遷信號(hào)的壽命產(chǎn)生影響。另外，由于現(xiàn)有技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的藍(lán)寶石填充介質(zhì)的可靠性，采用這種形式的藍(lán)寶石氫鐘只能應(yīng)用于地面環(huán)境實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，對(duì)條件較為復(fù)雜和車載、機(jī)載、航天等環(huán)境條件下的應(yīng)用無(wú)法滿足。

因此，需要提供一種用于小型氫原子鐘的藍(lán)寶石加載微波腔。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種高可靠性、高性能的藍(lán)寶石加載微波腔，以解決傳統(tǒng)方案實(shí)現(xiàn)工藝復(fù)雜、性能和可靠性差的問(wèn)題。整個(gè)腔體外形尺寸與傳統(tǒng)方案相同，內(nèi)部填充體積大大增加。這既保證了原子鐘的小型化，同時(shí)也提高整機(jī)性能和整機(jī)的環(huán)境適應(yīng)性。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：

一種用于小型氫原子鐘的藍(lán)寶石加載微波腔，包括微波腔筒、藍(lán)寶石填充介質(zhì)和氫原子貯存泡，其中

藍(lán)寶石填充介質(zhì)設(shè)置于微波腔筒內(nèi)部，包括楔形疊加連接的第一介質(zhì)環(huán)、第二介質(zhì)環(huán)和第三介質(zhì)環(huán)；

氫原子貯存泡設(shè)置于第一介質(zhì)環(huán)、第二介質(zhì)環(huán)和第三介質(zhì)環(huán)圍成空間內(nèi)部。

通過(guò)對(duì)藍(lán)寶石微波腔的加載與貯存進(jìn)行分離，同時(shí)兼顧可靠性、指標(biāo)性能提高、成本控制，采用三部分楔形藍(lán)寶石疊加介質(zhì)環(huán)作為微波腔的加載物質(zhì)，提供了一種高可靠性、高性能的藍(lán)寶石加載微波腔，解決了傳統(tǒng)方案實(shí)現(xiàn)工藝復(fù)雜、性能和可靠性差的問(wèn)題。在保證整個(gè)腔體外形尺寸與傳統(tǒng)方案相同的情況下，大大增加了內(nèi)部填充體積，這既保證了原子鐘的小型化，同時(shí)也提高整機(jī)性能和整機(jī)的環(huán)境適應(yīng)性。

可選的，氫原子貯存泡為石英貯存泡。

在介質(zhì)環(huán)內(nèi)采用國(guó)內(nèi)國(guó)際上傳統(tǒng)的可用于星載等環(huán)境下的石英泡作為原子的貯存區(qū)域。

可選的，基于仿真設(shè)計(jì)藍(lán)寶石填充介質(zhì)和氫原子貯存泡的尺寸。

本發(fā)明的藍(lán)寶石加載微波腔的腔體，在外形尺寸保持不變的情況下，增大了原子貯存區(qū)域。

可選的，藍(lán)寶石介質(zhì)與微波腔點(diǎn)接觸。

藍(lán)寶石填充介質(zhì)由于采用形式簡(jiǎn)單的楔形介質(zhì)環(huán)，材料成本和加工成本大大降低；藍(lán)寶石填充介質(zhì)與微波腔實(shí)現(xiàn)點(diǎn)接觸，沒(méi)有原設(shè)計(jì)的與外部連接的熱通路，較大程度的提高了藍(lán)寶石的保溫特性。

可選的，在石英貯存泡內(nèi)壁涂膜。

由于貯存泡采用石英泡形式，內(nèi)壁涂覆質(zhì)量大大提高，優(yōu)化了氫原子鐘的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和頻率漂移特性。

可選的，藍(lán)寶石加載微波腔還包括頻率調(diào)諧裝置。

可選的，藍(lán)寶石加載微波腔還包括頻率耦合裝置。

本發(fā)明的有益效果如下：

1、本發(fā)明的藍(lán)寶石加載微波腔的原子貯存區(qū)域增大，提高脈澤躍遷信號(hào)質(zhì)量；

2、本發(fā)明的藍(lán)寶石加載微波腔的藍(lán)寶石與微波腔實(shí)現(xiàn)點(diǎn)接觸提高微波腔的保溫特性，提升整機(jī)的溫度特性；

3、本發(fā)明的藍(lán)寶石加載微波腔的貯存泡涂膜改為在石英泡內(nèi)壁涂膜的工藝方法，方法成熟較易實(shí)現(xiàn)，解決傳統(tǒng)方案密封方法對(duì)于涂層的污染問(wèn)題；

4、本發(fā)明的藍(lán)寶石加載微波腔的整個(gè)腔體實(shí)現(xiàn)工藝簡(jiǎn)單，整體加工成本大幅降低。

附圖說(shuō)明

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。

圖1示出用于小型氫原子鐘的藍(lán)寶石加載微波腔剖面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中，1-微波腔金屬筒；2-微波頻率調(diào)諧裝置；3-藍(lán)寶石填充介質(zhì)環(huán)；4-石英貯存泡；5-頻率耦合裝置。

具體實(shí)施方式

為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明，下面結(jié)合優(yōu)選實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明。附圖中相似的部件以相同的附圖標(biāo)記進(jìn)行表示。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，下面所具體描述的內(nèi)容是說(shuō)明性的而非限制性的，不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

本發(fā)明提供了一種高可靠性、高性能的藍(lán)寶石加載微波腔，解決了傳統(tǒng)方案實(shí)現(xiàn)工藝復(fù)雜、性能和可靠性差的問(wèn)題。整個(gè)腔體外形尺寸與傳統(tǒng)方案相同，內(nèi)部填充體積大大增加。這既保證了原子鐘的小型化，同時(shí)也提高整機(jī)性能和整機(jī)的環(huán)境適應(yīng)性。

根據(jù)傳統(tǒng)方案的藍(lán)寶石微波腔的缺陷，我們對(duì)藍(lán)寶石微波腔的加載與貯存進(jìn)行分離。同時(shí)兼顧可靠性、指標(biāo)性能提高、成本控制，我們采用三部分楔形藍(lán)寶石疊加介質(zhì)環(huán)作為微波腔的加載物質(zhì)。在介質(zhì)環(huán)內(nèi)采用國(guó)內(nèi)國(guó)際上傳統(tǒng)的可用于星載等環(huán)境下的石英泡作為原子的貯存區(qū)域。通過(guò)仿真確定了環(huán)和貯存泡的尺寸。新設(shè)計(jì)的腔體外形尺寸與原有尺寸相同；原子貯存區(qū)域由原來(lái)的0.7l增大為1l；藍(lán)寶石填充介質(zhì)由于采用形式簡(jiǎn)單的楔形介質(zhì)環(huán)，材料成本和加工成本大大降低；藍(lán)寶石填充介質(zhì)與微波腔實(shí)現(xiàn)點(diǎn)接觸，沒(méi)有原設(shè)計(jì)的與外部連接的熱通路，較大程度的提高了藍(lán)寶石的保溫特性。同時(shí)由于貯存泡采用石英泡形式，內(nèi)壁涂覆質(zhì)量大大提高，這對(duì)于氫原子鐘的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和頻率漂移特性都有較大的優(yōu)化。

下面以一具體的實(shí)施例來(lái)說(shuō)明本發(fā)明，但不限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。

一種用于小型氫原子鐘的藍(lán)寶石加載微波腔，包括微波腔筒、藍(lán)寶石填充介質(zhì)和氫原子貯存泡，其中寶石填充介質(zhì)設(shè)置于微波腔筒內(nèi)部，包括楔形疊加連接的第一介質(zhì)環(huán)、第二介質(zhì)環(huán)和第三介質(zhì)環(huán)；氫原子貯存泡設(shè)置于第一介質(zhì)環(huán)、第二介質(zhì)環(huán)和第三介質(zhì)環(huán)圍成空間內(nèi)部。本發(fā)明中用于小型氫原子鐘的藍(lán)寶石加載微波腔還包括頻率調(diào)諧裝置和頻率耦合裝置。

具體地，本實(shí)施例中，用于小型氫原子鐘的藍(lán)寶石加載微波腔包括微波腔金屬銅1、微波腔頻率調(diào)諧裝置2、藍(lán)寶石填充介質(zhì)環(huán)3、適應(yīng)貯存泡4及頻率耦合裝置5。

本實(shí)施例中，氫原子貯存泡為石英貯存泡并在石英貯存泡內(nèi)壁涂膜。進(jìn)一步地，基于仿真設(shè)計(jì)藍(lán)寶石填充介質(zhì)和氫原子貯存泡的尺寸，實(shí)現(xiàn)了藍(lán)寶石介質(zhì)與微波腔的點(diǎn)接觸。

通過(guò)對(duì)藍(lán)寶石微波腔的加載與貯存進(jìn)行分離，同時(shí)兼顧可靠性、指標(biāo)性能提高、成本控制，采用三部分楔形藍(lán)寶石疊加介質(zhì)環(huán)作為微波腔的加載物質(zhì)，提供了一種高可靠性、高性能的藍(lán)寶石加載微波腔，解決了傳統(tǒng)方案實(shí)現(xiàn)工藝復(fù)雜、性能和可靠性差的問(wèn)題。在保證整個(gè)腔體外形尺寸與傳統(tǒng)方案相同的情況下，大大增加了內(nèi)部填充體積，這既保證了原子鐘的小型化，同時(shí)也提高整機(jī)性能和整機(jī)的環(huán)境適應(yīng)性。在介質(zhì)環(huán)內(nèi)采用國(guó)內(nèi)國(guó)際上傳統(tǒng)的可用于星載等環(huán)境下的石英泡作為原子的貯存區(qū)域?；诜抡嬖O(shè)計(jì)藍(lán)寶石填充介質(zhì)和氫原子貯存泡的尺寸，在外形尺寸保持不變的情況下，增大了原子貯存區(qū)域。藍(lán)寶石填充介質(zhì)由于采用形式簡(jiǎn)單的楔形介質(zhì)環(huán)，材料成本和加工成本大大降低；藍(lán)寶石填充介質(zhì)與微波腔實(shí)現(xiàn)點(diǎn)接觸，沒(méi)有原設(shè)計(jì)的與外部連接的熱通路，較大程度的提高了藍(lán)寶石的保溫特性。由于貯存泡采用石英泡形式，內(nèi)壁涂覆質(zhì)量大大提高，優(yōu)化了氫原子鐘的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和頻率漂移特性。

工作時(shí)，石英貯存泡與下部金屬部件實(shí)現(xiàn)高可靠的密封連接。經(jīng)過(guò)選態(tài)的氫原子進(jìn)入貯存泡內(nèi)部，在貯存泡內(nèi)部實(shí)現(xiàn)從高能級(jí)向低能級(jí)的躍遷動(dòng)作，同時(shí)放出頻率為1420.405751mhz的微波信號(hào)。由于微波腔的te011模式調(diào)諧在該頻點(diǎn)，所以原子躍遷的能量就在腔內(nèi)實(shí)現(xiàn)駐波振蕩，通過(guò)腔上的耦合裝置就會(huì)得到脈澤信號(hào)。

基于這種方案的微波腔有以下優(yōu)點(diǎn)：1、原子貯存區(qū)域增大，提高脈澤躍遷信號(hào)質(zhì)量；2、藍(lán)寶石與微波腔實(shí)現(xiàn)點(diǎn)接觸提高微波腔的保溫特性，提升整機(jī)的溫度特性；3、貯存泡涂膜改為在石英泡內(nèi)壁涂膜的工藝方法，方法成熟較易實(shí)現(xiàn)，解決傳統(tǒng)方案密封方法對(duì)于涂層的污染問(wèn)題；4、整個(gè)腔體實(shí)現(xiàn)工藝簡(jiǎn)單，整體加工成本大幅降低。

本發(fā)明的說(shuō)明書和權(quán)利要求書及上述附圖中的屬于“第一”、“第二”等是用于區(qū)別不同的對(duì)象，而不是用于描述特定順序。此外，術(shù)語(yǔ)“包括”和“具有”以及它們?nèi)魏巫冃?，意圖在于覆蓋不排他的包含。例如包含了一系列步驟或單元的過(guò)程、方法、系統(tǒng)、產(chǎn)品或設(shè)備沒(méi)有限定于已列出的步驟或單元，而是可選地還包括沒(méi)有列出的步驟或單元，或可選地還包括對(duì)于這些過(guò)程、方法或設(shè)備固有的氣體步驟或單元。

顯然，本發(fā)明的上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說(shuō)明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式的限定，對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在上述說(shuō)明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動(dòng)，這里無(wú)法對(duì)所有的實(shí)施方式予以窮舉，凡是屬于本發(fā)明的技術(shù)方案所引伸出的顯而易見的變化或變動(dòng)仍處于本發(fā)明的保護(hù)范圍之列。