[发明专利]一种氢原子钟用的微波腔

说明书

技术领域

本发明涉及一种氢原子钟用的微波腔，更具体涉及一种可直接用于被动型氢原子钟中的微波谐振腔。

背景技术

时间是一个基本物理量，对时间的计量始终伴随乃至推动着科学的发展。二十世纪初期，原子跃迁振荡被发现可以用于时间计量，之后各种类型的原子钟相继问世。在科学技术迅速发展的今天，原子钟的应用已经深入到社会的许多领域，包括科技，经济以及军事应用等诸多方面。氢原子钟是目前性能最高的一级频标之一，而且在一级频标中应用最为广泛。氢原子钟分为主动型氢原子钟与被动型氢原子钟，其中被动型氢原子钟的性能仅比主动型氢原子钟略低，但体积与重量显著减小，具有更好的适用性和经济性。

被动型氢原子钟的工作原理是利用氢原子基态(F＝1，m_F＝0)和(F＝0，m_F＝0)两超精细能级之间的跃迁频率来锁定晶振。氢原子经过原子制备系统和准直系统后，(F＝1，m_F＝0)态的氢原子射入微波谐振腔中的储存泡，将适当频率的微波信号注入微波谐振腔，使腔内产生微波谐振，这样原子在泡中运动过程中就能发生受激辐射，使腔内微波能量增加，通过检测微波谐振腔内的微波能量就可以将电路系统输出的微波信号锁定在原子跃迁谱线上，从而可以得到具有高稳定度和高准确度的输出信号。由此可见，被动型氢原子钟的核心是其物理部分，包括微波谐振腔、原子制备系统和选态系统等，其中微波谐振腔占据了原子钟的大部分体积，同时其Q值、填充因子等性能直接决定了钟的整机性能。

被动型氢原子钟中的微波腔应当体积尽可能小，而对其腔Q值要求不高，所以，这类微波腔一般都采用了具有感容结构的非标准腔结构，如由文献Harry E.Peters，”Small，Very small，and Extremely Small Hydrogen Maser，”Proc.32nd Annual Symposium on Frequency Control，469，(1978)所描述的极片腔；由文献F.L.Walls，J.B.Lewis and S.B.Crampton，”Compact Cavity forHydrogen Frequency Standard，”Proc.33rd Annual Symposium on FrequencyControl，543，(1979)所描述的极片腔；由文献N.A.Demidov.A.A.Belyaev，B.A.Sakharov，A.A.Uljanov，”Passive Hydrogen Maser Frequency Stability AndAccuracy Investigations”Proc.7th European Frequency and Time Forum Neuchatel，1，(1993)中描述的磁控管腔；以及由文献Mei Ganghua，Zhong Da，An Shaofeng，et al.Miniatured microwave cavity for atomic frequency standard[P].U S Patent：6225 870 B1，2001.所描述的开槽管腔。这几种腔的相似之处在于，都具有由轴对称于微波腔中轴线分布的电极和电极间隙构成的感容结构，由这种感容结构诱导微波场。其中电极的作用相当于电感，电极间隙的作用相当于电容。微波腔的谐振频率由腔内的感容结构参数决定。这类腔结构的优势是体积小，场型合理，腔Q值较高。但是早期的电极腔的电极是粘贴在原子储存泡的泡壁上，所以加工精度差，频率调节困难；磁控管腔的电极直接连接在腔壁上，造成加工精度要求高，腔频调节比较困难；开槽管腔应用在被动型氢钟上时存在Q值略低，机械强度不足的问题。

发明内容

本发明的目的是在于提供一种氢原子钟用的微波腔，克服目前微波腔加工精度差、频率调节困难、机械强度不足的技术问题。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种氢原子钟用的微波腔，包括电极管、圆柱腔体、原子储存泡；所述原子储存泡安装在腔底座上，电极管套装于原子储存泡外并连接在圆柱腔体上作为圆柱腔体的顶端。

所述电极管上设有数片轴对称分布的电极，电极通过金属立柱与电极管相连。

电极上设有金属加强筋。

所述腔底座通过螺钉连接在圆柱腔体作为微波腔的底端。

电极管顶部安装有调频旋钮。

圆柱腔体的侧面安装有微波耦合环。

腔底座上安装有变容耦合环。

圆柱腔体和腔底座上饶制有加热线圈。