本發(fā)明屬于冷原子微波鐘領(lǐng)域，具體涉及一種用于冷原子噴泉鐘的全焊接ramsey微波諧振腔。
背景技術(shù)：
1、冷原子噴泉鐘作為高精度時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)的核心裝置，其性能直接影響國(guó)際原子時(shí)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。ramsey微波諧振腔是實(shí)現(xiàn)原子與微波相互作用的關(guān)鍵部件，其性能缺陷可能引發(fā)微波泄漏頻移，成為制約噴泉鐘頻率不確定度和穩(wěn)定度的主要因素?，F(xiàn)有方案中，抑制微波泄漏頻移主要分為兩類(lèi)，主動(dòng)型抑制方案如使用mach-zehnder干涉開(kāi)關(guān)，采用快速頻率跳變技術(shù)，對(duì)饋入微波時(shí)序、頻率進(jìn)行控制，主動(dòng)型抑制方案普遍依賴(lài)于外界環(huán)境的穩(wěn)定性，存在著環(huán)境適應(yīng)性差的問(wèn)題，難以從根本上消除泄漏頻移。被動(dòng)型抑制方案通過(guò)緊固件和機(jī)械密封結(jié)構(gòu)減少微波泄漏，并在ramsey腔上截止波導(dǎo)設(shè)置封閉的頂端原子上拋區(qū)，抑制上方飛行區(qū)原子通道的微波泄漏頻移，得到了廣泛應(yīng)用。
2、現(xiàn)有的ramsey諧振腔采用圓柱形腔體與截止波導(dǎo)的組合結(jié)構(gòu)，通過(guò)緊固件實(shí)現(xiàn)部件連接。典型方案中，在諧振腔腔體的上、下方設(shè)計(jì)的截止波導(dǎo)用于抑制冷原子黏團(tuán)過(guò)腔孔洞的微波泄漏，各部件之間通過(guò)鈦合金螺絲壓合銦絲進(jìn)行密封。此類(lèi)結(jié)構(gòu)在外界物理環(huán)境穩(wěn)定的情況下雖能達(dá)到抑制腔內(nèi)微波功率溢出的效果。但對(duì)于超冷銫原子噴泉鐘，ramsey微波腔工作在液氮溫度(80k)下，而微波腔的調(diào)試只能在室溫環(huán)境下進(jìn)行，微波腔調(diào)試環(huán)境與工作環(huán)境存在巨大溫度差異(高達(dá)220k)。同時(shí)，由于部件之間的連接位置存在三種材料(鈦合金螺絲、銦絲、部件材料)，且三種材料的熱膨脹系數(shù)不同，在工作環(huán)境與調(diào)試環(huán)境之間的顯著溫差時(shí)，導(dǎo)致經(jīng)室溫調(diào)試后的部件連接處在液氮溫度下仍然存在著微波泄漏的隱患。另外，在高低溫過(guò)程后，不同材料的熱形變差異帶來(lái)的機(jī)械應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致鈦合金緊固螺絲的緊固效果下降，形成潛在的微波泄漏通道，對(duì)腔體機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度帶來(lái)隱患。為釋放機(jī)械應(yīng)力，在使用鈦合金螺絲緊固、銦絲密封各部件后，還需要至少2周以上的調(diào)試時(shí)間，在應(yīng)力釋放過(guò)程中，諧振腔的諧振頻率會(huì)降低，偏移量可達(dá)到幾百khz，期間需對(duì)鈦合金螺絲進(jìn)行適當(dāng)緊固以補(bǔ)償降低的頻率，直至諧振腔的中心頻率穩(wěn)定在9.192632ghz±10khz處。若螺絲的緊固程度過(guò)高，應(yīng)力釋放過(guò)程中無(wú)法將頻率降低至可用區(qū)間，則只能拆卸掉鈦螺絲、銦絲，對(duì)微波腔進(jìn)行重新填充和調(diào)諧，增加了時(shí)間成本。此外，現(xiàn)有方案中，通過(guò)在原子自由飛行區(qū)頂部設(shè)置密封的頂端原子上拋區(qū)來(lái)抑制泄漏的方式，會(huì)影響真空泵抽氣效率，導(dǎo)致飛行區(qū)真空度下降，加劇了原子團(tuán)損耗。
3、因此，為消除腔內(nèi)微波泄漏引起的頻移，抑制自由飛行區(qū)的微波泄漏頻移，需要一種ramsey微波諧振腔結(jié)構(gòu)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種用于冷原子噴泉鐘的全焊接ramsey微波諧振腔。本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
2、本發(fā)明提供了一種用于冷原子噴泉鐘的全焊接ramsey微波諧振腔，包括：ramsey諧振腔、飛行區(qū)波導(dǎo)、截止波導(dǎo)和微波饋入系統(tǒng)，其中，所述飛行區(qū)波導(dǎo)設(shè)置于所述ramsey諧振腔的上方，所述飛行區(qū)波導(dǎo)的上方構(gòu)成非封閉式原子自由飛行通道；所述飛行區(qū)波導(dǎo)通過(guò)焊接連接所述截止波導(dǎo)；所述截止波導(dǎo)通過(guò)焊接連接所述ramsey諧振腔；所述微波饋入系統(tǒng)一體連接所述ramsey諧振腔。
3、在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述ramsey諧振腔為圓柱形腔體，且所述圓柱形腔體的頂部和底部均設(shè)有原子通道小孔。
4、在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述飛行區(qū)波導(dǎo)包括：從上至下依次連接的飛行區(qū)上截止波導(dǎo)和飛行區(qū)波導(dǎo)管，所述飛行區(qū)上截止波導(dǎo)和所述飛行區(qū)波導(dǎo)管為一體結(jié)構(gòu)，所述飛行區(qū)波導(dǎo)管通過(guò)焊接連接所述截止波導(dǎo)。
5、在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述飛行區(qū)上截止波導(dǎo)的直徑小于所述飛行區(qū)波導(dǎo)管的直徑。
6、在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述截止波導(dǎo)包括：諧振腔上截止波導(dǎo)和諧振腔下截止波導(dǎo)，其中，所述諧振腔上截止波導(dǎo)的第一端通過(guò)焊接連接所述飛行區(qū)波導(dǎo)管，所述諧振腔上截止波導(dǎo)的第二端連接所述ramsey諧振腔的第一端，且與所述ramsey諧振腔構(gòu)成一體結(jié)構(gòu)；所述諧振腔下截止波導(dǎo)連接所述ramsey諧振腔的第二端，且與所述ramsey諧振腔構(gòu)成一體結(jié)構(gòu)。
7、在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述微波饋入系統(tǒng)包括矩形波導(dǎo)、矩形波導(dǎo)蓋和半剛電纜，其中，所述矩形波導(dǎo)與所述矩形波導(dǎo)蓋通過(guò)焊接連接；所述半剛電纜通過(guò)焊接連接所述矩形波導(dǎo)。
8、在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述矩形波導(dǎo)至少設(shè)置有兩個(gè)，兩個(gè)所述矩形波導(dǎo)對(duì)稱(chēng)設(shè)置于所述ramsey諧振腔的兩側(cè)；所述矩形波導(dǎo)與所述ramsey腔為一體機(jī)械加工結(jié)構(gòu)。
9、在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述ramsey諧振腔、所述飛行區(qū)上截止波導(dǎo)、所述飛行區(qū)波導(dǎo)管、所述諧振腔上截止波導(dǎo)、所述諧振腔下截止波導(dǎo)、所述矩形波導(dǎo)和所述波導(dǎo)蓋均采用無(wú)氧銅材料；所述半剛電纜的外層為無(wú)氧銅材料，芯線為鍍銀無(wú)氧銅材料，介質(zhì)層為聚四氟乙烯材料。
10、在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述飛行區(qū)波導(dǎo)管與所述諧振腔上截止波導(dǎo)之間、所述諧振腔上截止波導(dǎo)與所述ramsey諧振腔之間、諧振腔下截止波導(dǎo)與所述ramsey諧振腔之間、以及所述波導(dǎo)蓋與所述矩形波導(dǎo)之間均通過(guò)電子束焊接密封連接；所述半剛電纜通過(guò)無(wú)鉛焊錫焊接連接所述矩形波導(dǎo)。
11、在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，用于冷原子噴泉鐘的全焊接ramsey微波諧振腔采用兩級(jí)耦合，第一級(jí)耦合為所述半剛電纜耦合至所述矩形波導(dǎo)，第二級(jí)耦合為所述矩形波導(dǎo)耦合至所述ramsey諧振腔；其中，所述第一級(jí)耦合為電耦合，所述第二級(jí)耦合為小孔耦合。
12、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：
13、本發(fā)明的用于冷原子噴泉鐘的全焊接ramsey微波諧振腔，通過(guò)整體式焊接工藝實(shí)現(xiàn)了全腔體一體化結(jié)構(gòu)，徹底消除了傳統(tǒng)銦絲密封和鈦合金緊固件因材料熱膨脹差異導(dǎo)致的微波泄漏隱患，且在焊接完畢后，不再需要重復(fù)調(diào)試，縮減了諧振腔調(diào)諧周期，尤其適應(yīng)于低溫工作環(huán)境場(chǎng)景。同時(shí)通過(guò)非封閉式原子自由飛行通道，便于真空系統(tǒng)保持飛行區(qū)內(nèi)的高真空狀態(tài)，且使得冷原子黏團(tuán)的損耗減小，原子信號(hào)較大。
14、上述說(shuō)明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段，而可依照說(shuō)明書(shū)的內(nèi)容予以實(shí)施，并且為了讓本發(fā)明的上述和其他目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更明顯易懂，以下特舉較佳實(shí)施例，并配合附圖，詳細(xì)說(shuō)明如下。
1.一種用于冷原子噴泉鐘的全焊接ramsey微波諧振腔，其特征在于，包括：ramsey諧振腔(100)、飛行區(qū)波導(dǎo)(200)、截止波導(dǎo)(300)和微波饋入系統(tǒng)(400)，其中，
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于冷原子噴泉鐘的全焊接ramsey微波諧振腔，其特征在于，所述ramsey諧振腔(100)為圓柱形腔體，且所述圓柱形腔體的頂部和底部均設(shè)有原子通道小孔。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于冷原子噴泉鐘的全焊接ramsey微波諧振腔，其特征在于，所述飛行區(qū)波導(dǎo)(200)包括：從上至下依次連接的飛行區(qū)上截止波導(dǎo)(210)和飛行區(qū)波導(dǎo)管(220)，所述飛行區(qū)上截止波導(dǎo)(210)和所述飛行區(qū)波導(dǎo)管(220)為一體結(jié)構(gòu)，所述飛行區(qū)波導(dǎo)管(220)通過(guò)焊接連接所述截止波導(dǎo)(300)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于冷原子噴泉鐘的全焊接ramsey微波諧振腔，其特征在于，所述飛行區(qū)上截止波導(dǎo)(210)的直徑小于所述飛行區(qū)波導(dǎo)管(220)的直徑。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于冷原子噴泉鐘的全焊接ramsey微波諧振腔，其特征在于，所述截止波導(dǎo)(300)包括：諧振腔上截止波導(dǎo)(310)和諧振腔下截止波導(dǎo)(320)，其中，所述諧振腔上截止波導(dǎo)(310)的第一端通過(guò)焊接連接所述飛行區(qū)波導(dǎo)管(220)，所述諧振腔上截止波導(dǎo)(310)的第二端連接所述ramsey諧振腔(100)的第一端，且與所述ramsey諧振腔(100)構(gòu)成一體結(jié)構(gòu)；所述諧振腔下截止波導(dǎo)(320)連接所述ramsey諧振腔(100)的第二端，且與所述ramsey諧振腔(100)構(gòu)成一體結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于冷原子噴泉鐘的全焊接ramsey微波諧振腔，其特征在于，所述微波饋入系統(tǒng)(400)包括矩形波導(dǎo)(410)、矩形波導(dǎo)蓋(420)和半剛電纜(430)，其中，所述矩形波導(dǎo)(410)與所述矩形波導(dǎo)蓋(420)通過(guò)焊接連接；所述半剛電纜(430)通過(guò)焊接連接所述矩形波導(dǎo)(410)；所述矩形波導(dǎo)(410)與所述ramsey腔(100)為一體機(jī)械加工結(jié)構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的用于冷原子噴泉鐘的全焊接ramsey微波諧振腔，其特征在于，所述矩形波導(dǎo)(410)至少設(shè)置有兩個(gè)，兩個(gè)所述矩形波導(dǎo)(410)對(duì)稱(chēng)設(shè)置于所述ramsey諧振腔(100)的兩側(cè)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的用于冷原子噴泉鐘的全焊接ramsey微波諧振腔，其特征在于，所述ramsey諧振腔(100)、所述飛行區(qū)上截止波導(dǎo)(210)、所述飛行區(qū)波導(dǎo)管(220)、所述諧振腔上截止波導(dǎo)(310)、所述諧振腔下截止波導(dǎo)(320)、所述矩形波導(dǎo)(410)和所述波導(dǎo)蓋(420)均采用無(wú)氧銅材料；
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的用于冷原子噴泉鐘的全焊接ramsey微波諧振腔，其特征在于，所述飛行區(qū)波導(dǎo)管(220)與所述諧振腔上截止波導(dǎo)(310)之間、所述諧振腔上截止波導(dǎo)(310)與所述ramsey諧振腔(100)之間、諧振腔下截止波導(dǎo)(320)與所述ramsey諧振腔(100)之間、以及所述波導(dǎo)蓋(420)與所述矩形波導(dǎo)(410)之間均通過(guò)電子束焊接密封連接；所述半剛電纜(430)通過(guò)無(wú)鉛焊錫焊接連接所述矩形波導(dǎo)(410)。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的用于冷原子噴泉鐘的全焊接ramsey微波諧振腔，其特征在于，用于冷原子噴泉鐘的全焊接ramsey微波諧振腔采用兩級(jí)耦合，第一級(jí)耦合為所述半剛電纜(430)耦合至所述矩形波導(dǎo)(410)，第二級(jí)耦合為所述矩形波導(dǎo)(410)耦合至所述ramsey諧振腔(100)；其中，所述第一級(jí)耦合為電耦合，所述第二級(jí)耦合為小孔耦合。