[發明專利]藍寶石諧振腔主動型原子鐘及其諧振腔的制造方法

有效

• 申請號: 200910197928.2
• 申請日: 2009-10-30
• 公開（公告）號: CN101718966A
• 公開（公告）日: 2010-06-02
• 發明（設計）人: 張燕軍;代克;蔡勇;張為群
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海天文臺
• 主分類號: G04F5/14
• 分類號: G04F5/14;H03L7/26
• 代理公司: 上海智信專利代理有限公司 31002
• 代理人: 鄧琪

技術領域

本發明涉及一種氫原子鐘，特別涉及一種時間頻率技術相關的藍寶石諧振腔主動型氫原子鐘。

背景技術

隨著我國空間定軌技術的發展，高精密時頻設備越來越多的為軍工和科研單位所需要。氫原子鐘以其出色的中長期穩定性成為地面站應用的主流高精密時頻設備。氫原子鐘按照是否能夠實現脈澤振蕩，分為主動型和被動型。傳統的主動型原子鐘(俗稱“大鐘”SOHM-4就是這種鐘的最新型號)和藍寶石填充介質主動型原子鐘都是能夠實現脈澤自激振蕩的主動型原子鐘。

然而傳統主動型原子鐘是一種體積與重量都較大的原子鐘，而其性能與可靠性也是比較優秀的，并在二十世紀70年代開始已有商業產品。主動型氫原子鐘，具體結構上大體包括物理部分和電子部分，物理部分包括：諧振腔，輻射罩，真空罩，C場，加熱爐，磁屏蔽，選態磁鐵，電離泡，真空泵等。電子部分包括接受機，電源，頻率綜合器，隔離放大器，數字顯示模塊，腔自動調諧模塊等。

氫原子鐘的重量和體積主要是由最核心的內部諧振腔的體積決定的。諧振腔處于物理部分的最內部，它外面包裹著輻射罩，真空罩，C場，加熱爐和四層磁屏蔽，其外面的物理輔助配件的大小，由內部諧振腔的大小決定。因此可以說氫原子鐘的體積主要取決于其內部諧振腔的體積。現階段地面主要應用的主動型氫原子鐘體積大，重量大(大于200kg)不利于運輸和車載。也不利于移動站的建立。

因此，需要尋找一種大介電常數(9.3)低損耗(正切損耗在E-5量級或更低)的介質做為諧振腔局部填充物，可以將微波諧振腔小型化，從而主動型氫原子鐘的體積與重量將大為減小而性能上接近傳統的氫原子鐘。藍寶石是能夠滿足低正切損耗，大介電常數的最佳的選擇。藍寶石填充介質由于其低正切損耗是現在唯一正在使用的填充介質，其可以保證諧振腔的高Q值，而它的介電常數大則可以使諧振腔的體積減小很多。因此采用藍寶石諧振腔的主動型氫原子鐘以其體積小，指標好而受到我們的關注。

但藍寶石諧振腔的不足之處在于藍寶石晶體的介電常數隨溫度變化，使藍寶石腔的溫度系數很高。而且，藍寶石的介電常數隨溫度的漂移比較大，因此，諧振腔的溫漂系數比較大(50kHz-70KHz)。這些會影響藍寶石諧振腔的長期穩定性。

發明內容

本發明的目的在于提供一種藍寶石諧振腔主動型原子鐘及其藍寶石諧振腔的制造方法，通過理論計算和有限元軟件仿真分析，計算出藍寶石諧振腔尺寸，實現藍寶石諧振腔脈澤自激振蕩，可以有效的減小主動型氫原子鐘的體積和質量。

本發明的目的還在于提供一種藍寶石諧振腔主動型原子鐘，可降低藍寶石諧振腔的溫漂系數。

一種藍寶石諧振腔主動型原子鐘，包括藍寶石諧振腔，該藍寶石諧振腔由外金屬腔筒和藍寶石筒組成，所述藍寶石筒外壁半徑b與外金屬腔筒的筒壁半徑a的比0.5≤ρ₁≤0.56；外金屬腔筒的筒壁半徑85mm≤a≤87.5mm；藍寶石筒外壁半徑43.75mm≤b≤47.6mm；藍寶石筒內壁半徑36.68mm≤c≤40.6mm，筒高160mm≤h≤175m。

優選的，所述藍寶石筒的外壁半徑b與外金屬腔筒的筒壁半徑a的比ρ₁＝0.5，外金屬腔筒的腔壁半徑a＝87.5mm；藍寶石筒外壁半徑b＝43.75mm；藍寶石筒內壁半徑c＝36.68mm，筒高h＝162.9mm。

所述藍寶石諧振腔的藍寶石筒的上下端面各具有一個2mm厚的SrTiO₃圓環。優選的該藍寶石筒外壁半徑b與外金屬腔筒的筒壁半徑a的比ρ₁＝0.56，外金屬腔筒的筒壁半徑a＝85mm；藍寶石筒外壁半徑b＝47.6mm；藍寶石筒內壁半徑c＝40.6mm，筒高h＝162.9mm。

一種藍寶石諧振腔主動型原子鐘的藍寶石諧振腔的制造方法，其特征在于，包括如下步驟：

(1)理論計算能夠在理論上滿足脈澤自激振蕩的藍寶石諧振腔的尺寸；

(2)用高頻仿真軟件ansoft?HFSS對理論計算得到的腔體進行仿真計算；

(3)加工所需要的藍寶石諧振腔；

(4)在傳統的主動型氫原子鐘機架上對其做脈澤振蕩實驗，實現脈澤自激振蕩。

步驟(1)中，步驟(1)包括：設定藍寶石諧振腔的外金屬腔筒的筒壁半徑85mm≤a≤87.5mm，筒高160mm≤h≤175m，解藍寶石諧振腔在TE011模式下的麥克斯韋方程。

步驟(3)中進一步包括在藍寶石筒內壁進行鍍銀。