[发明专利]一种用于铷频标的矩形结构微波腔

说明书

本发明公开了一种用于铷频标的矩形结构微波腔，包括腔体，所述腔体的内空为长方体，腔体一端面开放作为出光口，腔体另一端面开有进光孔，腔体外表面周向设有线槽，C场线圈绕制在线槽内，铷原子泡设置在腔体内，第一、第三电介质块设置在铷原子泡相对的两侧，第二、第四电介质块设置在铷原子泡另外相对的两侧，第一至第四电介质块均包括电介质基块和设置在电介质基块上的金属薄片。本发明加工难度小，易控制精度以保证一致性，有利于激发铷原子发生钟跃迁，进而获得高信噪比的微波探寻信号，腔体的结构非常简洁。

技术领域

本发明为原子频标领域，具体涉及一种用于铷频标的矩形结构微波腔，主要应用于高性能小型化铷原子频标中。

背景技术

原子频标（原子钟）是利用原子或者离子内部稳定的能级间跃迁频率作为计量基准，提供高可靠性频率和时间的仪器设备，极大地提高了时间频率测量的准确度和稳定度。铷原子钟由于其结构简单、体积小、重量轻、功耗低、综合性能良好等特点，成为目前应用最广泛的原子钟，在高性能、小型化、适应恶劣环境等方面取得了重要进展。

铷频标的核心是物理系统，主要包括铷光谱灯、微波腔、铷原子泡、光电探测器等组件。其中，铷原子泡位于微波腔内，是铷原子发生共振跃迁的场所；微波腔用来存储微波能量，谐振产生与铷原子跃迁频率相一致的驻波场，激励原子泡中的铷原子发生共振跃迁，从而使得物理系统能提供稳定的参考频率。微波腔的尺寸和内部结构决定了腔体的谐振频率、谐振模式和场型分布等特性，进而决定了参与共振跃迁的铷原子数，在很大程度上影响了铷频标整机的性能。与此同时，作为物理系统中最主要的结构组件，微波谐振腔的尺寸基本决定了物理系统能做到多小，也就是说微波腔的小型化、集成化程度也会影响铷频标整机的小型化。所以，为了得到高性能小型化铷频标整机，对微波腔的结构优化和小型化设计是研究和设计的重点内容。

目前应用于小型化铷频标的谐振腔主要有以下几种。标准TE₁₁₁圆柱腔是应用最广的一种小型化铷频标微波腔，但尺寸较大，且Q值较小、腔内场分布不均匀。FEI 公司生产的FE-5680A型铷频标中采用的TE₁₀₁模式的标准矩形腔结构可以有效减小微波腔的体积，通过在平行于Z轴方向填充一定厚度的电介质板实现，但微波磁场均匀的部分有限。另一种常用的矩形结构谐振腔是J.邓等人设计的同轴TEM腔，由文献CN1452798A描述。这是一种基于同轴振荡器原理的非标准腔，是由伸入腔内的导电杆与杆到腔壁之间的间隙所构成的集总L-C结构产生谐振，腔频主要由导电杆的几何尺寸和其到腔壁的距离决定，基本不受限于腔体的大小和形状，原则上可以制得体积非常小的微波腔。但其谐振模式为TEM模式，腔内微波场分布不均匀，不利于获得高强度的原子跃迁信号，不适于高性能小型化铷频标的研制。为了获得较好的腔内场型分布，王鹏飞等人在文献CN110504963A中发展了一种基于开槽管腔结构的矩形微波腔，这也是一种非标准腔，在矩形腔筒内壁固定有金属极片，利用金属极片和极片间的窄槽形成集总L-C结构，腔频主要由极片和极片间隙的尺寸决定。其微波磁场场型为类TE₀₁₁模式，场分布十分均匀，利于激发原子产生跃迁信号。但由于微波腔频随极片和窄槽的物理尺寸的变化十分敏感，使得对结构件的制造要求精度非常高，难以实现小型化铷频标的大批量生产。

发明内容

本发明提供一种用于铷频标的矩形结构微波腔，目的在于克服现有技术缺陷，使得所设计的微波腔能够同时满足比标准TE₁₁₁圆柱腔体积小，比TE₁₀₁模式的标准矩形腔和同轴TEM腔的场型分布好，同时比类TE₀₁₁模式的开槽管微波腔结构简单、加工难度低的优点，适用于高性能小型化铷频标的大批量生产。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：