[发明专利]微重力环境下冷原子钟的微波腔

说明书

技术领域

本发明涉及原子频标和微波技术，特别是一种微重力环境下冷原子钟的微波腔。

背景技术

时间(或频率)是最基本物理量之一，也是目前测量精度最高的基本物理量。我们知道任何物理量的计量都要用不同的尺度来测量，时间也是用尺度测量的。目前，喷泉原子钟是世界上最精确的时间频率标准。在重力场环境下，原子在俘获区被磁光阱俘获和冷却后，通过移动光学黏胶的方法被以一定的初速度垂直上抛。在上抛和下落过程中两次通过一个柱形微波腔并与其中的微波场发生作用，最后在探测区微波作用后的信号原子被检测到，经过光电转换和放大就得到原子钟的鉴频曲线——Ramsey干涉条纹。原子钟最重要的指标——频率不稳定度与Ramsey干涉条纹中心谱线的线宽成正比关系。谱线的线宽越窄，频率不稳定度越低，也就是原子钟越稳定。谱线的线宽可以由下式给出：

Δv=12T---(1)]]>

式中：Δv为Ramsey中心谱线的线宽，T为两次微波作用之间的原子渡越时间。由此可见，原子两次微波作用之间的间隔时间越长，Ramsey中心谱线的线宽越窄，从而原子钟的稳定度就越高。增加两次微波作用之间的原子渡越时间成为提高原子钟稳定度的有效途径。但是在重力环境下，原子喷泉的抛射高度与渡越时间成平方关系，大幅度地提高渡越时间就意味着需要建立一个更高高度的原子喷泉装置，这在技术上变得难以实现。而在微重力环境下，我们可以通过控制原子的运动速度来得到更长的渡越时间，从而可以建成更为稳定的冷原子钟。

喷泉原子钟通常所使用的柱形微波腔，如图1(引自边风刚博士论文“小喷泉冷原子铷钟的总体结构设计与空间冷原子铷钟的初步研究”)所示。图中标号定义如下：截止波导01、柱形腔体02、微波作用区03、耦合波导04、微波馈线装配孔05和微波耦合孔06。微波能量从微波馈线经过两个耦合波导04对称耦合到微波腔体内，并在微波作用区3内形成稳定的微波振荡场。在微重力状态下，原子只能单方向运动，只有一个微波作用区的柱型微波腔不能完成Ramsey过程所需要的两次微波作用。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术只有一个微波作用区的喷泉原子钟所通常使用的柱形微波腔在微重力环境下不适用的问题，提供一种微重力环境下冷原子钟的微波腔，具有两个微波作用区，以解决在微重力环境下冷原子钟微波与原子相互作用产生Ramsey过程需要原子与微波场进行两次作用的关键技术。

由于在微重力环境下，原子被给予初始速度后，只能单方向运动，而产生Ramsey过程需要原子与微波场进行两次作用，这就需要微波腔有两个相同的微波作用区。作用区内有稳定的振荡场，并且在两个微波作用区之间的原子的轨道上有截止波导以保证原子在两次微波作用之间不受微波场的干扰。而本发明可以很好的解决这个问题。

本发明的技术方案如下：

一种微重力环境下冷原子钟的微波腔，特点在于其构成包括耦合波导、微波腔体和盖板，所述的微波腔体为“中”字形结构，该微波腔体和盖板结合在一起形成一个矩形微波腔，该微波腔体的长度方向的中轴线上有中心截止波导，该微波腔体的两端沿中轴线各延伸一个端截止波导，所述的中心截止波导将所述的矩形微波腔对称地分成连通的4个区域：位于中心截止波导两侧的两个导波区和位于中心截止波导两端的两个微波作用区，所述的耦合波导竖直地固定在所述的盖板的对称中心位置，该耦合波导的侧壁上开有微波馈线装配孔，所述的盖板的对称中心位置沿长度方向开有微波耦合缝，构成所述的耦合波导与所述的矩形微波腔的微波耦合通道。

在所述的盖板上对称于所述的耦合波导的两侧对应于所述的导波区的位置各开有一个螺孔，孔中装有腔频调谐螺钉。

所述的耦合波导、微波腔体和盖板之间采用焊接固定。

所述的导波区的宽度与微波真空波长之比等于

本发明的技术效果：

本发明微重力环境下冷原子钟的微波腔具有结构简单稳定，腔相移小，腔频易调节等特点，适用于微重力环境下的冷原子钟。

附图说明

图1是现有的喷泉原子钟柱型微波腔的结构示意图