[发明专利]蓝宝石谐振腔主动型原子钟及其谐振腔的制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种氢原子钟，特别涉及一种时间频率技术相关的蓝宝石谐振腔主动型氢原子钟。

背景技术

随着我国空间定轨技术的发展，高精密时频设备越来越多的为军工和科研单位所需要。氢原子钟以其出色的中长期稳定性成为地面站应用的主流高精密时频设备。氢原子钟按照是否能够实现脉泽振荡，分为主动型和被动型。传统的主动型原子钟(俗称“大钟”SOHM-4就是这种钟的最新型号)和蓝宝石填充介质主动型原子钟都是能够实现脉泽自激振荡的主动型原子钟。

然而传统主动型原子钟是一种体积与重量都较大的原子钟，而其性能与可靠性也是比较优秀的，并在二十世纪70年代开始已有商业产品。主动型氢原子钟，具体结构上大体包括物理部分和电子部分，物理部分包括：谐振腔，辐射罩，真空罩，C场，加热炉，磁屏蔽，选态磁铁，电离泡，真空泵等。电子部分包括接受机，电源，频率综合器，隔离放大器，数字显示模块，腔自动调谐模块等。

氢原子钟的重量和体积主要是由最核心的内部谐振腔的体积决定的。谐振腔处于物理部分的最内部，它外面包裹着辐射罩，真空罩，C场，加热炉和四层磁屏蔽，其外面的物理辅助配件的大小，由内部谐振腔的大小决定。因此可以说氢原子钟的体积主要取决于其内部谐振腔的体积。现阶段地面主要应用的主动型氢原子钟体积大，重量大(大于200kg)不利于运输和车载。也不利于移动站的建立。

因此，需要寻找一种大介电常数(9.3)低损耗(正切损耗在E-5量级或更低)的介质做为谐振腔局部填充物，可以将微波谐振腔小型化，从而主动型氢原子钟的体积与重量将大为减小而性能上接近传统的氢原子钟。蓝宝石是能够满足低正切损耗，大介电常数的最佳的选择。蓝宝石填充介质由于其低正切损耗是现在唯一正在使用的填充介质，其可以保证谐振腔的高Q值，而它的介电常数大则可以使谐振腔的体积减小很多。因此采用蓝宝石谐振腔的主动型氢原子钟以其体积小，指标好而受到我们的关注。

但蓝宝石谐振腔的不足之处在于蓝宝石晶体的介电常数随温度变化，使蓝宝石腔的温度系数很高。而且，蓝宝石的介电常数随温度的漂移比较大，因此，谐振腔的温漂系数比较大(50kHz-70KHz)。这些会影响蓝宝石谐振腔的长期稳定性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种蓝宝石谐振腔主动型原子钟及其蓝宝石谐振腔的制造方法，通过理论计算和有限元软件仿真分析，计算出蓝宝石谐振腔尺寸，实现蓝宝石谐振腔脉泽自激振荡，可以有效的减小主动型氢原子钟的体积和质量。

本发明的目的还在于提供一种蓝宝石谐振腔主动型原子钟，可降低蓝宝石谐振腔的温漂系数。

一种蓝宝石谐振腔主动型原子钟，包括蓝宝石谐振腔，该蓝宝石谐振腔由外金属腔筒和蓝宝石筒组成，所述蓝宝石筒外壁半径b与外金属腔筒的筒壁半径a的比0.5≤ρ₁≤0.56；外金属腔筒的筒壁半径85mm≤a≤87.5mm；蓝宝石筒外壁半径43.75mm≤b≤47.6mm；蓝宝石筒内壁半径36.68mm≤c≤40.6mm，筒高160mm≤h≤175m。

优选的，所述蓝宝石筒的外壁半径b与外金属腔筒的筒壁半径a的比ρ₁＝0.5，外金属腔筒的腔壁半径a＝87.5mm；蓝宝石筒外壁半径b＝43.75mm；蓝宝石筒内壁半径c＝36.68mm，筒高h＝162.9mm。

所述蓝宝石谐振腔的蓝宝石筒的上下端面各具有一个2mm厚的SrTiO₃圆环。优选的该蓝宝石筒外壁半径b与外金属腔筒的筒壁半径a的比ρ₁＝0.56，外金属腔筒的筒壁半径a＝85mm；蓝宝石筒外壁半径b＝47.6mm；蓝宝石筒内壁半径c＝40.6mm，筒高h＝162.9mm。

一种蓝宝石谐振腔主动型原子钟的蓝宝石谐振腔的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)理论计算能够在理论上满足脉泽自激振荡的蓝宝石谐振腔的尺寸；

(2)用高频仿真软件ansoft HFSS对理论计算得到的腔体进行仿真计算；

(3)加工所需要的蓝宝石谐振腔；

(4)在传统的主动型氢原子钟机架上对其做脉泽振荡实验，实现脉泽自激振荡。

步骤(1)中，步骤(1)包括：设定蓝宝石谐振腔的外金属腔筒的筒壁半径85mm≤a≤87.5mm，筒高160mm≤h≤175m，解蓝宝石谐振腔在TE011模式下的麦克斯韦方程。

步骤(3)中进一步包括在蓝宝石筒内壁进行镀银。