[發明專利]一種用于束型原子鐘的π相位差微波腔

有效

• 申請號: 201811096971.5
• 申請日: 2018-09-20
• 公開（公告）號: CN109298620B
• 公開（公告）日: 2020-12-08
• 發明（設計）人: 孫富宇;馬杰;劉杰;李孝峰;李超;張首剛
• 申請（專利權）人: 中國科學院國家授時中心
• 主分類號: G04F5/14
• 分類號: G04F5/14
• 代理公司: 北京高沃律師事務所 11569
• 代理人: 程華

本發明公開一種用于束型原子鐘的π相位差微波腔。所述微波腔包括：U形波導管、截止波導管、空石墨管、探針座和探針；所述截止波導管的數量為兩個，兩個所述截止波導管分別位于所述U形波導管的兩個終端面位置，兩個所述截止波導管之間通過所述空石墨管連接；所述探針座位于所述U形波導管底部中心的上表面上，所述探針內嵌于所述探針座。本發明的π相位差微波腔工作在奇次模式，能夠使加工工藝簡單可靠，同時可提高束型原子鐘的準確度。

技術領域

本發明涉及原子鐘領域，特別是涉及一種用于束型原子鐘的π相位差微波腔。

背景技術

原子鐘在許多科學(如精密物理測量)和工程技術領域(如全球衛星導航定位系統、通信和電力系統等)中起著基礎性作用。目前工程化原子鐘可分為氣室型和束型兩種，兩者的優劣在于：氣室型原子鐘整體指標較低，但其物理結構簡單，工程化最為成熟，美、法、瑞士和我國等多國都已實現該類原子鐘的實際應用。束型原子鐘由于有效避免了原子間碰撞，整體指標(特別是準確度和長期穩定度)顯著優于氣室型原子鐘，應用需求廣泛，但其研制難度也更大。國際上目前僅有美國和俄羅斯等個別國家實現了束型原子鐘的工程化，我國近幾十年內也投入了相當精力進行技術攻關，以期盡快實現束型原子鐘的裝備。根據原子溫度不同，束型原子鐘又可進一步分為熱束原子鐘和冷束原子鐘，后者指標更優，但體積更大。無論何種束型鐘，其核心物理系統均采用了諾貝爾物理學獎獲得者Ramsey(拉姆齊)發明的分離振蕩場技術，該技術的實現依賴于一種特殊設計的U形微波腔，又名Ramsey腔。原子束便是在Ramsey微波腔中與空間上分離的兩個微波振蕩場發生相互作用，使得原子鐘物理系統完成對基態原子鐘躍遷頻率的感知、提取和穩定。

目前束型原子鐘微波腔多工作在TE_10n模下，一般將n取偶數，此時微波腔兩個原子束孔位置處的微波磁場間相位差為0，在原子-微波共振頻率處原子躍遷幾率最大。目前商業束型原子鐘產品中U形微波腔通常采用偶數模工作方式，如美國研制的熱銫束原子鐘(R.Lutwak等“Optically Pumped Cesium-Beam Frequency Standard for GPS-Ⅲ”，33rdAnnual Precise Time and Time Interval(PTTI)Meeting，2001)和俄羅斯研制的熱銣束原子鐘(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。

從物理和工程的角度看，已商品化的束型原子鐘產品所用的零相位差U形微波腔在實際應用中仍存在著不少弊端。首先，零相位差微波腔的分布相移十分敏感于腔兩臂間的長度差，這從物理上限制了束型原子鐘的準確度；其次，零相位差腔位于原子鐘真空物理系統內部，而其微波能量饋入機構位于真空外部，這種配合方式顯著增加了原子鐘物理系統真空維持和機械加工的復雜程度。與此同時，這種微波饋入方式還破壞了磁屏蔽筒的完整性，使得靜磁場均勻性變差，惡化了原子鐘的長期穩定度和準確度。

發明內容

本發明的目的是提供一種用于束型原子鐘的π相位差微波腔，π相位差微波腔工作在奇次模式，能夠使加工工藝簡單可靠，同時可提高束型原子鐘的準確度。

為實現上述目的，本發明提供了如下方案：

一種用于束型原子鐘的π相位差微波腔，所述微波腔包括：U形波導管、截止波導管、空石墨管、探針座和探針；所述截止波導管的數量為兩個，兩個所述截止波導管分別位于所述U形波導管的兩個終端面位置，兩個所述截止波導管之間通過所述空石墨管連接；所述探針座位于所述U形波導管底部中心的上表面上，所述探針內嵌于所述探針座。