具有复眼式堆叠密集型多泡结构原子气室的铷原子钟
【技术领域】
本发明涉及原子钟，特别是铷原子钟。具体地，本发明涉及一种具有复眼式堆叠密集型多泡结构原子气室的铷原子钟。
【背景技术】
原子钟作为一种非常稳定的频率源，在现代生活中发挥着越来越重要的作用，守时、授时、全球导航定位、网络同步、通讯等领域都离不开原子钟。根据报道，最新研制出的光频原子钟的稳定度达10的负19次方。微波铷原子频标是各类原子频标中发展比较早而成熟的一类。第一台微波铷原子频标诞生于1960年。几年以后，第一台商业化的铷原子频标就出现了，并很快被应用于卫星导航定位。被动型气泡式微波铷原子频标是目前最受重视、应用最广泛的微波原子频标。
被动型气泡式铷原子频标的基本原理是光与微波的双共振，共振状态下的铷原子气室，光透明度随微波频率变化而变化，起量子鉴频的作用。被动型气泡式铷原子频标由光、微波共振物理单元和一个电路单元构成。前者作为频率参考，后者相当于一个频率锁定环路，用以将压控晶体振荡器的输出频率锁定在物理单元的参考频率上。物理系统是其核心部件，相当于整个锁频环路中的量子频率鉴频器。它提供一个频率稳定、线宽较窄的原子共振吸收线作为量子频率参考，电路部分通过将压控晶体振荡器的输出频率锁定在物理系统的原子共振吸收峰上而获得稳定的频率输出。因此铷原子频标的性能指标主要由物理系统决定，物理单元包括铷抽运光谱灯与铷超精细滤光泡或者泵浦激光与铷吸收泡、微波腔和光电探测器。铷频标中原子信号的信噪比和电路噪声影响短稳和长稳，无规游走噪声影响长稳。无规游走噪声包括铷吸收泡中惰性气体分子的压力频移和碰撞频移，主要来自于原子体系的环境效应，铷吸收泡的温度系数会引起缓冲气体压力频移和铷原子自旋交换的碰撞频移。为了确保铷频标的可靠性和长期稳定性，如果铷吸收泡的温度系数和温度起伏控制在1E-11和1E-12每摄氏度水平，铷频标的稳定度提高到1E-14是可以实现的。
目前气泡型的铷原子频标中采用的铷吸收泡是单泡原子气室，如图3所示，其内部充有碱金属铷原子和缓冲气体，这种结构的铷吸收泡存在两个弊端，一是温度易受外界影响，温度系数不易提高；二是碱金属铷原子向玻璃泡壁的扩散会造成原子气室内气压变化，带来压力频移。这两个问题严重制约铷原子频标长期稳定度的指标的提升空间。几十年来，国内外的铷原子频标的长期频率稳定度研究在持续缓慢优化，但是没有取得突破性的进展。
【发明内容】
本发明的目的在于克服现有技术缺点，针对被动型气泡式微波铷原子频标中由于单泡原子气室存在的缺点，提供一种采用复眼式堆叠密集型多泡结构原子气室的铷原子钟，在保持被动型气泡式铷原子频标体积、重量、功耗、短稳优良特性的基础上，以期提高整机的长稳指标，满足工程任务对被动型气泡式铷原子频标长、短稳兼优的要求。
为了实现上述目的，本发明提供一种具有复眼式堆叠密集型多泡结构原子气室的铷原子钟，所述铷原子钟包括设置在外磁屏9内的光源、沿所述光源的光路设置的原子气室和光电探测器8，所述原子气室设置在微波腔5内，其中，所述原子气室是一种具有复眼式堆叠密集型多泡结构的原子气室，所述原子气室包括玻璃外壳和填充在玻璃外壳内的介质，其特征在于所述玻璃外壳内还设置多个由玻璃壁构造的以密集复眼式堆叠的微原子气泡，所述微原子气泡内填充铷原子和缓冲气体。
在本发明中，填充在玻璃外壳内的介质可以是真空、铷原子、缓冲气体或缓冲气体和铷原子。通常，当该介质为缓冲气体或缓冲气体和铷原子时，所选用的缓冲气体与微原子气泡内填充的缓冲气体相同。
通过这样的结构改进获得了一种复眼式堆叠密集型多泡结构的原子气室，处于玻璃外壳内的多个微原子气泡采用相同的材料。这样，多个微原子气泡作为一个个独立的单元填充到玻璃外壳中，尽管每个单元的温度和气压存在微弱的随机变化，但对于整体而言，多泡结构起到了平均温度和气压的作用，所以这种复眼式堆叠密集型多泡结构的原子气室可以减小铷原子吸收泡温度漂移对铷原子频标和原子磁力仪等长期稳定度带来的影响，其结果是它们频率不确定度的阿伦方差不会随时间变化先减小后增大，而是沿着时间轴持续减小，比现有的最优的长期稳定度指标还提高一到两个量级。
根据一种优选的实施方式，所述玻璃外壳是球形或圆柱形。
优选地，所述圆柱形的玻璃外壳的直径是8毫米至50毫米，长度是6毫米至60毫米；所述微原子气泡的直径是0.1毫米至10毫米，如有需要，本领域技术人员也可以根据要求将玻璃外壳设计成其他形状，并适当调整微原子气泡的直径使它们相适应。
因此上述密集型多泡结构的原子气室可容纳的微原子气泡的数量范围在几个到几百个之间。将上述原子气室看作整体，与传统的单泡原子气室相比，可以起到平均温度和气压无规漂移系数的作用，把温度带来的影响降低到几倍到上百倍。典型的，这种复眼式堆叠密集型多泡结构的原子气室可以减小铷吸收泡温度漂移对铷原子频标长期稳定度带来的影响，其效果是应用这种复眼式堆叠密集型多泡结构的原子气室的铷原子频标会比现有最优的铷原子频标长期稳定度还提高一到两个量级。
在本发明中，所述缓冲气体选自氮气、氩气或氮气和氩气的混合气体；所述铷原子是纯铷87原子、铷85原子或者自然丰度的铷原子。
根据一种优选的实施方式，所述原子气室还包括设置在所述玻璃外壳以外的第二玻璃外壳，通过支架将所述玻璃外壳固定在所述第二玻璃外壳内，所述玻璃外壳与第二玻璃外壳之间是第二介质。
其中，所述第二介质是真空、铷原子、缓冲气体或缓冲气体和铷原子。
通过内外两层玻璃外壳及其间的真空设置，能够为处于内层的玻璃外壳提供保温，以获得更优越的稳定度差；通过内外两层玻璃外壳及其间填充的碱金属原子，能够平衡微原子气泡内外碱金属原子的饱和蒸汽压，抑制微原子气泡中碱金属原子向玻璃的渗透；通过内外两层玻璃外壳及其间填充的缓冲气体，能够平衡微原子气泡中缓冲气体的内外气压，保证微原子气泡中缓冲气体气压的稳定；通过内外两层玻璃外壳及其间填充的缓冲气体和碱金属原子，能够平衡微原子气泡中缓冲气体的内外气压，同时能够平衡微原子气泡内外碱金属原子的饱和蒸汽压，保证微原子气泡中缓冲气体气压的稳定和抑制微原子气泡中碱金属原子向玻璃的渗透。针对不同的需求，所述玻璃外壳内和所述玻璃外壳与第二玻璃外壳之间可以选择不同的填充方式。
在本发明中，光源的一种实施方式是采用铷抽运光谱灯和设置在所述铷抽运光谱灯光路上的铷超精细滤光泡。
光源的另一种实施方式是采用稳频激光器作为泵浦激光，直接射入微原子气泡，省去了铷超精细滤光泡，不需要考虑滤光效率是否影响系统稳定度的问题。
本发明的铷原子钟还包括电路系统，所述电路系统具有将内部输出频率锁定在原子气室的参考频率上的电路单元。铷原子钟的电路系统的连接属于本领域技术人员的公知常识，如参考《量子频标原理》中的记载，在本发明中不做赘述。
本发明的工作原理是铷抽运光谱灯发出的光谱经过铷超精细滤光泡滤光，射入微原子气泡，然后射入光电探测器经电路系统产生控制信号，用于锁定铷原子钟。微波腔用于给微原子气泡提供与铷原子共振的微波场。其中铷原子钟的电路系统和微波腔均采用本领域的现有技术。
本发明将铷原子钟传统采用的单泡原子气室结构改进为具有复眼式堆叠密集型多泡结构的原子气室，通过以多泡结构构建的整体取代单泡原子气室起到平衡碱金属原子气室的温度漂移和压力频移的作用。将这种能够稳定温度系数和抑制压力频移的具有密集型多泡结构的原子气室应用到被动型气泡式铷原子频标中，能够有效解决铷原子频标由于铷吸收泡温度和压力变化对其长期频率稳定度指标的制约。这种改进的采用具有复眼式堆叠密集型多泡结构原子气室的铷原子钟，能够解决国际上长期以来困扰本领域技术人员的因单泡原子气室温度漂移和压力频移影响气泡式铷原子长期频率稳定度的问题。
【附图说明】
图1为实施例1的原子钟结构示意图；
图2为实施例2的原子钟结构示意图。
图3为现有技术的原子气室结构示意图；
图4为实施例所用的第一种原子气室结构示意图；
图5为实施例所用的第二种原子气室结构示意图；
其中，1-底座；2-铷抽运光谱灯；3-铷超精细滤光泡；5-微波腔；22-玻璃外壳；23-微原子气泡；8-光电探测器；9-外磁屏；10-电路系统；11-稳频激光器；
21-排气孔；22-玻璃外壳；23、微原子气泡；24、第二排气孔；25、第二玻璃外壳；26-支架。
【具体实施方式】
以下实施例用于非限制性的解释本发明的技术方案。
实施例1
如图1所示的铷原子钟，包括外磁屏9和设置在外磁屏9内的用于安装各组件的底座1，在底座1上设置铷抽运光谱灯2，沿其光路方向设置铷超精细滤光泡3、原子气室和光电探测器8。
原子气室设置在微波腔5内，利用电路系统将微波腔5和光电探测器8连接。电路系统的电路单元相当于频率锁定环路，用于将内部输出频率锁定在原子气室的参考频率上，电路系统结构属于本领域的现有技术，可参考《量子频标原理》的记载。
作为光源的铷抽运光谱灯发出的光经过铷超精细滤光泡3滤光后射入由玻璃外壳22和填充在玻璃外壳22内的微原子气泡23构成的复眼式堆叠密集型多泡结构的铷原子气室，然后射入光电探测器8转换为光电信号，经电路系统10产生控制信号用于锁定铷原子钟。
原子气室设置在微波腔5中，并通过外磁屏9实现对铷吸收泡进行磁屏蔽。
玻璃外壳22采用的直径16毫米、长30毫米的圆柱形玻璃外壳，微原子气泡23直径0.5毫米。微原子气泡23内填充氩气和铷85原子。制造时，通过在玻璃外壳22预留排气孔21并通过排气孔21向玻璃外壳22内充入氩气、使氩气存在于微原子气泡23之间，使得多个微原子气泡所处的环境内外气压相同，从而减少铷原子向玻璃的渗透，起到稳定微原子气泡气压的作用。然后封闭排气孔21获得具有复眼式堆叠密集型多泡结构的铷原子气室。
在该原子气室中，由于各微原子气泡不直接与外界接触，与如图3所示的现有技术的单泡原子气室相比，其温度受外界的影响会显著减弱。通过使用这种复眼式堆叠密集型多泡结构的铷原子气室可解决困扰本领域研究人员几十年的铷原子频标长期稳定度差的瓶颈问题。
实施例2
为了进一步优化铷原子钟结构和性能，构造如图2所示的铷原子钟。与实施例1不同的是，(1)、以稳频激光器11替代铷抽运光谱灯2和铷超精细滤光泡3作为铷原子灯的光源；(2)、采用如图5所示的结构改进的铷原子气室。
改进的铷原子气室的是在图4所示的铷原子气室的基础上设置进一步的第二玻璃外壳25，通过支架26将玻璃外壳22固定在第二玻璃外壳25内。制造时，通过预留在第二玻璃外壳25上的第二排气孔24将两层玻璃外壳间抽成真空，以进一步提高处于内层的玻璃外壳保温作用，从而更大程度的解决铷原子频标的长期稳定度差的瓶颈问题。相同的是，微原子气泡23内填充氩气和铷85原子。
作为光源的稳频激光器11发出的光直接射入改进的复眼式堆叠密集型多泡结构铷原子气室，然后射入光电探测器8经电路系统10产生控制信号，经过电路系统用于锁定铷原子钟。外磁屏9用来对铷吸收泡进行磁屏蔽。
综上所述，本发明将铷原子钟传统采用的单泡原子气室结构改进为具有复眼式堆叠密集型多泡结构的原子气室，通过以多泡结构构建的整体取代单泡原子气室起到平衡碱金属原子气室的温度漂移和压力频移的作用，从而能够有效解决铷原子频标由于铷吸收泡温度和压力变化对其长期频率稳定度指标的制约，通过降低温度漂移和压力频移影响，最终实现更好的长期频率稳定度。
