一种用于束型原子钟的π相位差微波腔
技术领域
本发明涉及原子钟领域，特别是涉及一种用于束型原子钟的π相位差微波腔。
背景技术
原子钟在许多科学(如精密物理测量)和工程技术领域(如全球卫星导航定位系统、通信和电力系统等)中起着基础性作用。目前工程化原子钟可分为气室型和束型两种，两者的优劣在于：气室型原子钟整体指标较低，但其物理结构简单，工程化最为成熟，美、法、瑞士和我国等多国都已实现该类原子钟的实际应用。束型原子钟由于有效避免了原子间碰撞，整体指标(特别是准确度和长期稳定度)显著优于气室型原子钟，应用需求广泛，但其研制难度也更大。国际上目前仅有美国和俄罗斯等个别国家实现了束型原子钟的工程化，我国近几十年内也投入了相当精力进行技术攻关，以期尽快实现束型原子钟的装备。根据原子温度不同，束型原子钟又可进一步分为热束原子钟和冷束原子钟，后者指标更优，但体积更大。无论何种束型钟，其核心物理系统均采用了诺贝尔物理学奖获得者Ramsey(拉姆齐)发明的分离振荡场技术，该技术的实现依赖于一种特殊设计的U形微波腔，又名Ramsey腔。原子束便是在Ramsey微波腔中与空间上分离的两个微波振荡场发生相互作用，使得原子钟物理系统完成对基态原子钟跃迁频率的感知、提取和稳定。
目前束型原子钟微波腔多工作在TE10n模下，一般将n取偶数，此时微波腔两个原子束孔位置处的微波磁场间相位差为0，在原子-微波共振频率处原子跃迁几率最大。目前商业束型原子钟产品中U形微波腔通常采用偶数模工作方式，如美国研制的热铯束原子钟(R.Lutwak等“Optically Pumped Cesium-Beam Frequency Standard for GPS-Ⅲ”，33rdAnnual Precise Time and Time Interval(PTTI)Meeting，2001)和俄罗斯研制的热铷束原子钟(A.Besedina等，“Construction and investigation of a quantum frequencydiscriminator utilizing an 87Rb atomic beam with pumping and detection byinjection lasers”Sov.J.Quantum Electron.1991)微波腔。
从物理和工程的角度看，已商品化的束型原子钟产品所用的零相位差U形微波腔在实际应用中仍存在着不少弊端。首先，零相位差微波腔的分布相移十分敏感于腔两臂间的长度差，这从物理上限制了束型原子钟的准确度；其次，零相位差腔位于原子钟真空物理系统内部，而其微波能量馈入机构位于真空外部，这种配合方式显著增加了原子钟物理系统真空维持和机械加工的复杂程度。与此同时，这种微波馈入方式还破坏了磁屏蔽筒的完整性，使得静磁场均匀性变差，恶化了原子钟的长期稳定度和准确度。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于束型原子钟的π相位差微波腔，π相位差微波腔工作在奇次模式，能够使加工工艺简单可靠，同时可提高束型原子钟的准确度。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种用于束型原子钟的π相位差微波腔，所述微波腔包括：U形波导管、截止波导管、空石墨管、探针座和探针；所述截止波导管的数量为两个，两个所述截止波导管分别位于所述U形波导管的两个终端面位置，两个所述截止波导管之间通过所述空石墨管连接；所述探针座位于所述U形波导管底部中心的上表面上，所述探针内嵌于所述探针座。
可选的，所述U形波导管由无氧铜矩形波导管通过一体成型工艺加工而成，所述U形波导管两个终端面封闭形成腔体，所述截止波导管位于所述U形波导管两个终端面下方。
可选的，所述微波腔的工作模式为奇次模式，所述微波腔在所述U形波导管两个终端面下方的微波磁场相位差为π。
可选的，所述探针为微波电场激励同轴探针。
可选的，所述探针包括外导体、中间层介电材料和中心导体，所述中心导体位于所述外导体的中心，所述中间层介电材料位于所述外导体和所述中心导体之间，所述中间层介电材料和所述中心导体均插入所述探针座内部，所述中心导体进一步插入所述U形波导管内部。
可选的，所述空石墨管的内部为原子束通道。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供一种用于束型原子钟的π相位差微波腔，所述微波腔包括：U形波导管、截止波导管、空石墨管、探针座和探针；所述截止波导管的数量为两个，两个所述截止波导管分别位于所述U形波导管的两个终端面位置，两个所述截止波导管之间通过所述空石墨管连接；所述探针座位于所述U形波导管底部中心的上表面上，所述探针内嵌于所述探针座。π相位差微波腔工作在奇次模式下，具有体积小、结构和加工工艺简单可靠等优点。同时其腔相移小，利于提高束型原子钟的准确度。微波腔和电场激励探针均位于真空物理系统内部，微波能量馈入机构不再穿过磁屏蔽罩，使得磁场线圈和磁屏蔽罩的结构得以简化，同时提高了磁场均匀性和磁屏蔽效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例π相位差微波腔结构示意图；
图2为本发明实施例π相位差微波腔剖面示意图；
图3为本发明实施例π相位差微波腔中微波磁场分布；
图4为本发明实施例π相位差微波腔中与原子相互作用的微波磁场在原子束行进路径上的分布。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例用于束型原子钟的π相位差微波腔结构示意图。如图1所示，一种用于束型原子钟的π相位差微波腔，所述微波腔包括：U形波导管1、截止波导管2、空石墨管3、探针座4和探针5；所述截止波导管2的数量为两个，各所述截止波导管2位于所述U形波导管1的终端面位置，两个所述截止波导管2之间通过所述空石墨管3连接；所述探针座4位于所述U形波导管1底部中心的上表面上，所述探针5内嵌于所述探针座4。
所述探针包括外导体51、中间层介电材料52和中心导体53，所述中心导体53位于所述外导体51的中心，所述中间层介电材料52位于外导体51和所述中心导体53之间，所述中间层介电材料52和所述中心导体53均插入所述探针座4内部。
所述U形波导管1由无氧铜矩形波导管通过一体成型工艺加工而成。所述截止波导管2为无氧铜截止波导管。所述探针5为微波电场激励同轴探针。所述空石墨管3的内部为原子束通道，即原子束漂移区6。
具体实施例1：
U形波导管1和截止波导管3一起构成了含有原子束通道6的U形微波腔体，该微波腔体由位于其内侧E面中央的探针5进行微波激励，具体是采用探针5的中心导体53在微波腔体内部激励形成奇数模驻波振荡。
图2为本发明实施例π相位差微波腔剖面示意图。图3为本发明实施例π相位差微波腔中微波磁场分布。图4为本发明实施例π相位差微波腔中与原子相互作用的微波磁场在原子束行进路径上的分布。
以适用于小型铯束原子钟的TE109模微波腔为例，它的横截面尺寸为22.86mm×10.16mm，纵向总长度约为209mm。由于该微波腔设计为奇数模振荡，故腔体E面中央位置处微波电场最强，可由中心导体予以激励。铯原子束从位于截止波导2内的原子束孔7进入第一个微波-原子互作用区，然后经过石墨管内的漂移区6进入第二个微波-原子互作用区，即实现了原子束的空间分离振荡激励。微波腔内的横向(x方向)磁场分布如图3所示，而具体与原子束相互作用的微波磁场在原子束行进路径上的分布如图4所示。由图3和图4显见，两个互作用区内微波磁场大小相等，方向相反，即与原子束相互作用的两个区域内的微波场相位相差π，由此本发明实现了用于束型原子钟的π相位差微波腔。
本发明中的π相位差拉姆齐微波腔工作在奇次模式下，具有体积小、结构和加工工艺简单可靠等优点。同时本发明π相位差拉姆齐腔的腔相移比相同加工精度下的传统零相位差拉姆齐腔小，利于提高束型原子钟的准确度。该微波腔的微波馈入探针位于钟物理系统——真空束管内部，这使磁场线圈和磁屏蔽罩的结构得以简化，同时提高了磁场均匀性和磁屏蔽效果。截止波导和漂移区石墨管共同降低了微波泄漏水平，且显著削弱了杂散光和偏轴原子对原子跃迁信号的影响。该发明微波腔的前述优势可使束型原子钟的综合性能指标进一步提高。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
