[发明专利]侧壁开孔型喷泉原子钟上真空腔系统

说明书

技术领域

本发明涉及喷泉原子钟，特别是一种侧壁开孔型喷泉原子钟上真空腔系统。

背景技术

喷泉原子钟上真空腔系统是一种为喷泉原子钟的微波腔和冷原子自由飞行区提供所需要的真空环境的真空腔系统，是喷泉钟系统必需的部分。上真空腔系统是整个喷泉原子钟真空系统中最大的真空部分，上真空腔的真空制备与维持是整个喷泉钟搭建工作的关键部分。自1996年法国巴黎天文台研制成功第一台冷原子喷泉钟之后，美国、德国、意大利、英国、日本和中国等分别研制成功本国的喷泉原子钟，后续喷泉钟的结构基本沿用第一台喷泉钟的设计，包括喷泉钟上真空腔系统。而上真空腔体积的过大增加了真空制备与维持的难度，因此对喷泉钟上真空腔系统进行改进，以缩小真空腔体积，降低喷泉钟真空制备与维持的难度成为非常重要的工作。

经典的喷泉钟上真空系统如图1所示：整个上真空腔系统12由一个圆柱形真空壁15和真空腔上盖16构成。对于同一类型的喷泉原子钟，如铷87地面喷泉原子钟，其上真空腔的高度一般是不变的，上真空腔的体积由圆柱形真空壁15的直径d6决定。而位于上真空腔内的微波腔8及微波腔的矩形波导91、92、93、94的尺寸决定了圆柱形真空壁15的直径d6的取值。微波腔8及微波腔矩形波导91、92、93、94的尺寸对于同一类型的喷泉原子钟也是固定的。这些限制条件制约了上真空腔体积的缩小，增加了整个真空环境制备和维持的难度。另外，微波腔8及微波耦合波导91、92、93、94均位于圆柱型真空腔体12内部，微波天线131、132、133、134必须经过上真空腔体上盖16延伸到真空外部，如需调节微波系统，必须将整个上真空腔体12取下，增加了微波系统调节的难度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种侧壁开孔型喷泉原子钟上真空腔系统，以解决现有喷泉原子钟的中上真空腔系统体积大、真空环境制备与维持难度大和微波系统调节难度大的问题。

本发明的技术解决方案如下：

一种侧壁开孔型喷泉原子钟上真空腔系统，包括冷原子自由飞行区真空腔壁、微波腔、四个矩形凸孔及其密封盖、与下真空腔连接的下真空腔壁、真空法兰和密封玻璃窗口，其特点在于：

所述的微波腔由上盖、下盖和向四方延伸的四个矩形凸孔及其密封盖构成，所述的冷原子自由飞行区真空腔壁是圆筒形腔壁，其直径仅取决于所述的上盖的直径，所述的微波腔与下真空腔连接的下真空腔壁是圆筒形腔壁，其直径仅取决于所述的下盖的直径，所述的四个矩形凸孔分别与所述的冷原子自由飞行区真空腔壁和下真空腔壁上下密封连接，再配合所述的密封盖、真空法兰、密封玻璃窗口一起构成喷泉原子钟上真空腔系统。

所述的四个矩形凸孔分别用于装载微波耦合波导和微波天线。

本发明与现有的喷泉钟上真空系统相比，具有如下技术效果：

本发明所述的冷原子自由飞行区真空腔壁和微波腔与下真空腔壁由于不受微波耦合波导尺寸的限制，其圆形截面直径大大减小，圆柱形真空腔壁与下真空腔壁密封环周长、圆柱形真空腔壁面积及真空腔体积相应减小。

所述的冷原子自由飞行区真空腔壁与下真空腔壁密封环周长减小量ΔC近似计算公式为ΔC=π*（d6-d1），其中d6是经典圆柱形上真空腔横截面的直径，d1是本发明圆柱形真空腔部分截面直径。

所述的真空腔壁面积减小量ΔS近似计算公式为：ΔS=π*（d6-d1）*（d3-d4），其中d6是经典圆柱形上真空腔横截面的直径，d1是本发明圆柱形真空腔部分截面直径，d3是本发明上真空腔系统总高度，d4是本发明上真空腔系统微波腔部分矩形真空壁高度。

所述的真空腔体积减小量ΔV近似计算公式为：ΔV=π*（d6*d6-d1*d1）*（d3-d4）/4，其中d6是经典圆柱形上真空腔横截面的直径，d1是本发明圆柱形真空腔部分截面直径，d3是本发明上真空腔系统总高度，d4是本发明上真空腔系统微波腔部分矩形真空壁高度。

本发明主要应用于喷泉原子钟装置，作为整个喷泉原子钟真空系统的一部分，大大减小了整个喷泉原子钟真空系统的体积，降低了真空制备与维持的难度；上真空腔体与下真空腔体连接位置的密封环周长大大减小，降低了真空密封难度；微波天线从上真空腔体侧壁凸孔位置连接到真空外部，只需要打开凸孔位置真空密封盖，取出微波耦合波导即可调节微波系统，无需取下整个上真空腔体，降低了调节微波系统的难度。

附图说明

图1是现有喷泉原子钟的上真空腔系统结构示意图。

图2是本发明侧壁开孔型喷泉原子钟上真空腔系统的纵向剖面图。

图3是本发明喷泉原子钟上真空腔系统横向剖面图。