一种用于全尺寸主动氢原子钟的腔泡组件的制作方法

1.本文件涉及原子钟技术领域，尤其涉及一种用于全尺寸主动氢原子钟的腔泡组件。


背景技术：

2.微波腔是氢原子钟的核心部件，氢原子在微波腔的贮存泡内完成能级跃迁并放出微波信号。氢原子放出的微波能量以微波腔内电磁场工作模式在腔内共振。微波腔的稳定性会通过腔牵引效应叠加于微波腔的输出频率，经过计算要求物理部分输出频率波动小于1e-15条件下，需要将微波腔工作频率控制在0.1hz以内。微波腔内贮存泡的大小以及整个腔泡组件的温度系数对于整机的性能影响巨大，减小腔体的频率温度系数、增大腔内的贮存泡得体积可以有效降低腔体控制难度，同时大幅提升整钟的长期频率稳定度。
3.在微波腔内添加大介电常数低介电损耗的材料可以有效减小微波腔的体积，这种方案的主动型氢钟体积小重量轻，适用于空间或移动等对于整机重量有苛刻要求的环境下使用，其长期稳定度可实现1e-15/d的水平，受限于贮存泡的体积整机长期稳定性难于提升。
4.主动型氢钟采用微波腔内不添加任何加载材料的技术方案称为全尺寸主动氢钟。这种方案采用标准的te011模式的微波腔，内部贮存泡可实现较大体积，进而可以有效提升整机的长期稳定性。


技术实现要素：

5.本说明书提供了一种用于全尺寸主动氢原子钟的腔泡组件，用以解决现有用于全尺寸主动氢原子钟的腔泡组件腔体温度系数大、贮存泡体积小、整钟长期稳定度难于提升的问题，该腔泡组件包括：微波腔筒、氢原子贮存泡；
6.所述微波腔筒为ule石英微波腔；
7.所述氢原子贮存泡设置于所述ule石英微波腔的内部；所述氢原子贮存泡为氢原子的贮存区域，用于完成氢原子能级跃迁并放出设定频率的微波信号。
8.在一些优选的实施方式中，所述微波腔筒的腔体尺寸、所述氢原子贮存泡的体积，其确定方法为：
9.根据电磁场微波理论计算标准te
011
模式下所述微波腔筒的外形尺寸及所述微波腔筒内的电磁场分布情况，进而得到电磁场振荡方向改变的包络分布；
10.基于所述包络分布，结合标准te
011
模式下所述微波腔筒的外形尺寸，通过电磁场仿真理论确定所述微波腔筒的腔体尺寸和贮存泡体积大小。
11.在一些优选的实施方式中，所述氢原子贮存泡为石英贮存泡。
12.在一些优选的实施方式中，所述氢原子贮存泡与所述微波腔筒下部的金属部件密封连接。
13.在一些优选的实施方式中，所述腔泡组件还包括微波频率调谐装置；所述微波频
率调谐装置设置于所述微波腔筒的上部。
14.在一些优选的实施方式中，所述腔泡组件还包括频率耦合装置；所述频率耦合装置设置于所述微波腔筒的下部；所述频率耦合装置，用于获得脉泽信号。
15.在一些优选的实施方式中，完成氢原子能级跃迁并放出设定频率的微波信号，其方法为：
16.经过选态的氢原子进入所述氢原子贮存泡内部，在所述氢原子贮存泡内部实现跃迁，同时放出设定频率的微波信号。
17.在一些优选的实施方式中，所述脉泽信号的获取过程为：
18.将所述微波腔筒的te
011
模式调谐在所述设定频率的频点，原子跃迁的能量就在所述微波腔筒的腔内实现驻波振荡，通过所述频率耦合装置得到脉泽信号。
19.在一些优选的实施方式中，所述设定频率为1420.405751mhz。
20.在一些优选的实施方式中，所述石英贮存泡内壁涂膜。
21.本说明书实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：
22.本发明降低了微波腔温度系数、增大腔体内氢原子的贮存体积、提升了整钟的长期稳定度。
23.本发明通过ule设计了ule石英微波腔，并结合电磁场微波理论、电磁场仿真理论确定了微波腔的腔体尺寸和贮存泡体积大小，使得微波腔温度系数大幅降低，整钟温度系数和环境适应性大幅提升，腔体内氢原子的贮存体积大幅增加，整钟长期稳定度大幅提升。
附图说明
24.此处所说明的附图用来提供对本技术的进一步理解，构成本技术的一部分，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
25.图1为本说明书一实施例提供的一种用于全尺寸主动氢原子钟的腔泡组件的框架示意图；
26.附图标记说明：ule石英微波腔1、微波频率调谐装置2、石英贮存泡3、频率耦合装置4。
具体实施方式
27.为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术具体实施例及相应的附图对本技术技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
28.以下结合附图，详细说明本技术各实施例提供的技术方案。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
29.本发明第一实施例的一种用于全尺寸主动氢原子钟的腔泡组件，如图1所示，该腔泡组件包括：微波腔筒、氢原子贮存泡；
30.所述微波腔筒为ule石英微波腔；
31.所述氢原子贮存泡设置于所述ule石英微波腔的内部；所述氢原子贮存泡为氢原
子的贮存区域，用于完成氢原子能级跃迁并放出设定频率的微波信号。
32.为了更清晰地对本发明一种用于全尺寸主动氢原子钟的腔泡组件进行说明，下面结合附图，对本发明装置一种实施例中各单元进行展开详述。
33.本发明一种用于全尺寸主动氢原子钟的腔泡组件，该腔泡组件包括：微波腔筒、氢原子贮存泡；
34.所述微波腔筒为ule石英微波腔；
35.所述氢原子贮存泡设置于所述ule石英微波腔的内部；所述氢原子贮存泡为氢原子的贮存区域，用于完成氢原子能级跃迁并放出设定频率的微波信号。
36.在本实施例中，所述微波腔筒的腔体尺寸、所述氢原子贮存泡的体积，其确定方法为：
37.根据电磁场微波理论计算标准te
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模式下所述微波腔筒的外形尺寸及所述微波腔筒内的电磁场分布情况，进而得到电磁场振荡方向改变的包络分布；
38.基于所述包络分布，结合标准te
011
模式下所述微波腔筒的外形尺寸，通过电磁场仿真理论确定所述微波腔筒的腔体尺寸和贮存泡体积大小。
39.本发明设计的微波腔筒的腔体实现温度系数600hz/℃；贮存泡(即氢原子贮存泡)体积实现3升。如下表所示：
40.表1
[0041][0042]
从表1可以看出，本发明涉及的微波腔(即腔泡组件)有以下优点：1、微波腔温度系数大幅降低，整机温度系数和环境适应性大幅提升；2、腔体内氢原子的贮存体积大幅增加，整机长期稳定度大幅提升。
[0043]
所述腔泡组件还包括微波频率调谐装置、频率耦合装置；所述微波频率调谐装置设置于所述微波腔筒的上部；所述频率耦合装置设置于所述微波腔筒的下部，如图1所示，本发明优选设置在左下方；所述频率耦合装置，用于获得脉泽信号。
[0044]
本发明的腔泡组件在工作时，石英贮存泡与下部金属部件实现高可靠的密封连接。经过选态的氢原子进入贮存泡内部，在贮存泡内部实现从高能级向低能级的跃迁动作，同时放出频率为1420.405751mhz的微波信号。由于微波腔的te
011
模式调谐在该频点，所以原子跃迁的能量就在腔内实现驻波振荡，通过腔上的耦合装置就会得到脉泽信号。
[0045]
为了，本发明中氢原子贮存泡涂膜改为石英贮存泡内壁涂膜的工艺，方法成熟较易实现，解决传统方案密封方法对于涂层的污染问题。
[0046]
需要说明的是，上述实施例提供的一种用于全尺寸主动氢原子钟的腔泡组件，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块来完成，即将本发明实施例中的模块或者步骤再分解或者组合，例如，上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块，以完成以上描述
的全部或者部分功能。对于本发明实施例中涉及的模块、步骤的名称，仅仅是为了区分各个模块或者步骤，不视为对本发明的不当限定。
[0047]
本领域技术人员应该能够意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的模块，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，软件模块、方法步骤对应的程序可以置于随机存储器(ram)、内存、只读存储器(rom)、电可编程rom、电可擦除可编程rom、寄存器、硬盘、可移动磁盘、cd-rom、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。为了清楚地说明电子硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以电子硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
[0048]
术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述或表示特定的顺序或先后次序。
[0049]
术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。
[0050]
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种用于全尺寸主动氢原子钟的腔泡组件，其特征在于，该腔泡组件包括：微波腔筒、氢原子贮存泡；所述微波腔筒为ule石英微波腔；所述氢原子贮存泡设置于所述ule石英微波腔的内部；所述氢原子贮存泡为氢原子的贮存区域，用于完成氢原子能级跃迁并放出设定频率的微波信号。2.根据权利要求1所述的用于全尺寸主动氢原子钟的腔泡组件，其特征在于，所述微波腔筒的腔体尺寸、所述氢原子贮存泡的体积，其确定方法为：根据电磁场微波理论计算标准te
011
模式下所述微波腔筒的外形尺寸及所述微波腔筒内的电磁场分布情况，进而得到电磁场振荡方向改变的包络分布；基于所述包络分布，结合标准te
011
模式下所述微波腔筒的外形尺寸，通过电磁场仿真理论确定所述微波腔筒的腔体尺寸和贮存泡体积大小。3.根据权利要求1所述的用于全尺寸主动氢原子钟的腔泡组件，其特征在于，所述氢原子贮存泡为石英贮存泡。4.根据权利要求3所述的用于全尺寸主动氢原子钟的腔泡组件，其特征在于，所述氢原子贮存泡与所述微波腔筒下部的金属部件密封连接。5.根据权利要求1所述的用于全尺寸主动氢原子钟的腔泡组件，其特征在于，所述腔泡组件还包括微波频率调谐装置；所述微波频率调谐装置设置于所述微波腔筒的上部。6.根据权利要求1所述的用于全尺寸主动氢原子钟的腔泡组件，其特征在于，所述腔泡组件还包括频率耦合装置；所述频率耦合装置设置于所述微波腔筒的下部；所述频率耦合装置，用于获得脉泽信号。7.根据权利要求6所述的用于全尺寸主动氢原子钟的腔泡组件，其特征在于，完成氢原子能级跃迁并放出设定频率的微波信号，其方法为：经过选态的氢原子进入所述氢原子贮存泡内部，在所述氢原子贮存泡内部实现跃迁，同时放出设定频率的微波信号。8.根据权利要求7所述的用于全尺寸主动氢原子钟的腔泡组件，其特征在于，所述脉泽信号的获取过程为：将所述微波腔筒的te
011
模式调谐在所述设定频率的频点，原子跃迁的能量就在所述微波腔筒的腔内实现驻波振荡，通过所述频率耦合装置得到脉泽信号。9.根据权利要求8所述的用于全尺寸主动氢原子钟的腔泡组件，其特征在于，所述设定频率为1420.405751mhz。10.根据权利要求3所述的用于全尺寸主动氢原子钟的腔泡组件，其特征在于，所述石英贮存泡内壁涂膜。

技术总结
本说明书公开了一种用于全尺寸主动氢原子钟的腔泡组件，涉及原子钟技术领域，旨在解决现有用于全尺寸主动氢原子钟的腔泡组件腔体温度系数大、贮存泡体积小、整钟长期稳定度难于提升的问题。本发明包括：微波腔筒、氢原子贮存泡；微波腔筒为ULE石英微波腔；氢原子贮存泡设置于ULE石英微波腔的内部；氢原子贮存泡为氢原子的贮存区域，用于完成氢原子能级跃迁并放出设定频率的微波信号。本发明降低了微波腔温度系数、增大腔体内氢原子的贮存体积、提升了整钟的长期稳定度。升了整钟的长期稳定度。升了整钟的长期稳定度。


技术研发人员：周铁中 吴琼 王秀梅 刘亚轩 王亮
受保护的技术使用者：北京无线电计量测试研究所
技术研发日：2023.06.07
技术公布日：2023/9/20