一种用于小型激光抽运铷钟的环隙腔的制作方法

本实用新型属于微波原子钟技术领域，具体涉及到一种用于小型激光抽运铷钟的环隙腔。

背景技术：

与氢钟、铯钟等原子钟相比，铷钟具有体积小、功耗低等优点，广泛应用于通讯系统、电力系统、车载自主导航系统等。铷光谱灯作为传统的铷钟的光源，具有技术成熟度高、成本低廉、体积小等优点，但由于铷光谱灯的光谱成分复杂，原子态制备过程需要采用同位素滤光技术，以滤除铷原子基态f＝1能级到第一激发态对应的谱线。使用激光替代铷光谱灯，不仅可以将光源的线宽从ghz量级减小到mhz量级，而且也不再需要滤光泡。

微波腔是铷钟的核心部件，一方面起储存微波的作用，以减小铷原子钟微波能量的损耗；另一方面，微波腔内的微波场可以形成理想的谐振模式，使磁场分量的取向平行于量子化轴，以激励原子产生钟跃迁信号。谱灯抽运铷钟的微波腔和激光抽运铷钟的有所不同。由于滤光炮的存在，谱灯抽运铷钟一般将滤光泡放置于微波腔内；而激光抽运铷钟无需使用滤光炮，因此微波腔体积可以设计的更小。长期以来，微波腔的小型化是小型激光抽运铷钟设计的难点。2014年，文献(mvioletti,mpellaton,caffolderbach,fmerli,themicroloop-gapresonator:anovelminiaturizedmicrowavecavityfordouble-resonancerubidiumatomicclocks,ieeesensorsjournal,2014,14(9):3193-3200.)报道了一种体积仅为1ml的环隙腔，方向因子为0.7，可同时满足微波腔小型化和高性能的要求，但该微波腔由三层环形带状线组成，存在调试困难、力学性能差等问题。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题在于克服上述现有技术的不足,提供一种体积仅为2ml、抗震动、易于调谐的用于小型激光抽运铷钟的环隙腔。

解决上述技术问题采用的技术方案是：一种用于小型激光抽运铷钟的环隙腔,在腔筒内底部设置有环形电极，腔筒底部中心位置加工有通光孔，腔筒和环形电极之间设置有陶瓷环，环形电极内粘贴有铷泡，腔筒内上部设置有环形天线，腔筒顶部设置有端盖，端盖中心位置加工有通光孔。

本实用新型的腔筒为：腔筒壁的上部侧壁上加工同轴线孔,同轴线通过同轴线孔伸入腔筒壁将信号馈入到环形天线，腔筒壁的底部加工有通光孔，腔筒壁的底部上通光孔两侧对称加工有销孔。

本实用新型的环形电极由2组弧形极片组成，弧形极片的底部一体加工有销钉，销钉插入销孔内。

本实用新型的2组弧形极片之间有0.4～1.2mm的间隔。

本实用新型的铷泡为抗碱玻璃制作的中空圆柱形结构，铷泡的上端面设置有泡尾，用于存储⁸⁷rb金属，铷泡内部充有氩气与氮气的混和缓冲气体，其中，par/pn2＝1.3:1。

本实用新型的端盖、腔筒、陶瓷环、环形电极、铷泡同心设置。

本实用新型相比于现有技术具有以下优点:

1、本实用新型采用微波陶瓷填充的环隙腔，借助微波陶瓷的高介电常数和环隙腔固有的容感结构，不仅实现了2ml体积的微波腔，而且该微波腔的谐振模式为类te011模式，确保了微波场磁场分量具有较好的方向特性。

2、本实用新型采用的环形电极由两个相互独立的弧形极片组成，通过销钉和销孔将弧形极片固定在腔筒壁底部，保证了小型环隙腔具有较好的力学特性，这不仅降低了小型环隙腔的加工难度和成本，也避免了环隙腔在加工过程中使用螺钉，从而进一步减小了系统的体积。

附图说明

图1是本实用新型一个实施例的结构示意图。

图2是图1中环形电极2的结构示意图。

图3是图1中腔筒4的结构示意图。

图4是环隙腔内微波磁场分量场分布仿真结果。

图中：1、铷泡；2、环形电极；3、陶瓷环；4、腔筒；5、同轴线；6、环形天线；7、端盖；2-1、弧形极片；2-2、销钉；4-1、腔筒壁；a、销孔；b、通光孔；c、同轴线孔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步详细说明，但本实用新型不限于这些实施例。

实施例1

在图1～3中，本实用新型一种用于小型激光抽运铷钟的环隙腔,在腔筒4内底部安装有环形电极2，腔筒4内上部安装有环形天线6，进一步地，腔筒4由腔筒壁4-1组成，腔筒壁4-1的高度为14mm，内径为12mm，外径为14mm，腔筒壁4-1底部厚度为2mm。腔筒壁4-1的底部加工有通光孔a，腔筒壁4-1的底部上通光孔a两侧对称加工有销孔b，环形电极2由2组弧形极片2-1组成，弧形极片2-1的底部一体加工有销钉2-2，销钉2-2插入销孔b内，这种连接方式有助于降低小型环形腔的加工难度，并且容易安装。2组弧形极片2-1之间有0.4～1.2mm的间隔，弧形极片2-1的高度为9mm，销钉2-2的高度为2mm，弧形极片2-1与销钉2-2一体加工，以增强系统抗力学冲击能力。

腔筒壁4-1的上部侧壁上加工同轴线孔c,同轴线6通过同轴线孔c伸入腔筒壁4-1将微波信号馈入到环形天线6，在环形天线6的作用下进入环隙腔中。腔筒4和环形电极2之间安装有陶瓷环3，陶瓷环的内径为10mm，外径为12mm，高度为9mm。采用微波陶瓷填充的环隙腔，具有较小的体积、较好的场方向性和较强的抗力学冲击特性。环形电极2内粘贴有铷泡1，铷泡1为抗碱玻璃制作的中空圆柱形结构，其外径为8mm，泡壁厚度为0.6mm，外部高度为7mm，内部充有氩气与氮气的混和缓冲气体，其中，par/pn2＝1.3:1。铷泡1的上端面设置有泡尾，高度为1.5mm，用于存储⁸⁷rb金属。腔筒4顶部焊接固定有端盖7，端盖的厚度为2mm，外径为14mm，端盖7中心位置加工有直径为5mm的通光孔。

为了保证整个装置的精确性，端盖7、腔筒4、陶瓷环3、环形电极2、铷泡1同心设置，环形电极2、腔筒4和端盖7均由黄铜材料制作。

由图4环隙腔内微波磁场分量场分布仿真结果可知，由磁场分量具有较好的方向性可以得出，该微波腔在6.835ghz处的谐振模式为te011模式。进一步通过软件，计算得到场方向因子为0.7，这有助于提升铷泡1内的铷原子利用率，从而提高激光抽运铷钟的性能。

技术特征：

1.一种用于小型激光抽运铷钟的环隙腔,其特征在于：在腔筒（4）内底部设置有环形电极（2），腔筒（4）底部中心位置加工有通光孔（a），腔筒（4）和环形电极（2）之间设置有陶瓷环（3），环形电极（2）内粘贴有铷泡（1），腔筒（4）内上部设置有环形天线（6），腔筒（4）顶部设置有端盖（7），端盖（7）中心位置加工有通光孔。

2.根据权利要求1所述的一种用于小型激光抽运铷钟的环隙腔，其特征在于所述的腔筒（4）为：腔筒壁（4-1）的上部侧壁上加工同轴线孔（c）,同轴线（5）通过同轴线孔（c）伸入腔筒壁（4-1）将信号馈入到环形天线（6），腔筒壁（4-1）的底部加工有通光孔（a），腔筒壁（4-1）的底部上通光孔（a）两侧对称加工有销孔（b）。

3.根据权利要求2所述的一种用于小型激光抽运铷钟的环隙腔，其特征在于：所述的环形电极（2）由2组弧形极片（2-1）组成，弧形极片（2-1）的底部一体加工有销钉（2-2），销钉（2-2）插入销孔（b）内。

4.根据权利要求3所述的一种用于小型激光抽运铷钟的环隙腔，其特征在于所述的2组弧形极片（2-1）之间有0.4～1.2mm的间隔。

5.根据权利要求1所述的一种用于小型激光抽运铷钟的环隙腔，其特征在于：所述的铷泡（1）为抗碱玻璃制作的中空圆柱形结构，铷泡的上端面设置有泡尾，用于存储⁸⁷rb金属，铷泡内部充有氩气与氮气的混和缓冲气体，其中，par/pn2=1.3:1。

6.据权利要求1所述的一种用于小型激光抽运铷钟的环隙腔，其特征在于：所述的端盖（7）、腔筒（4）、陶瓷环（3）、环形电极（2）、铷泡（1）同心设置。

技术总结
一种用于小型激光抽运铷钟的环隙腔,在腔筒底部固定环形电极，腔筒底部中心位置设置有通光孔，腔筒和环形电极之间填充陶瓷环，环形电极内粘贴有铷泡,腔筒内上部设置有环形天线，腔筒顶部与端盖焊接，端盖中心位置加工有通光孔，其中，环形电极由2组独立的弧形极片组成。该微波腔内部只有一个玻璃泡，各部件通过销钉、焊接等方式固定零件，避免了使用螺钉，具有体积小、成本低、方向因子高等优点，还具有抗力学拉伸、冲击能力。

技术研发人员：张首刚;郝强;阮军
受保护的技术使用者：中国科学院国家授时中心
技术研发日：2020.09.18
技术公布日：2021.06.29