[发明专利]一种铷原子频标泡频控制方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及原子频标领域，更具体涉及一种铷原子频标泡频控制方法，同时还涉及一种铷原子频标泡频控制的系统，适用于铷原子频标(铷原子钟)的研制中。

背景技术

频率准确度表征了原子频标输出频率与标称频率的吻合程度，是描述原子频标性能的一项重要指标。对于铷原子频标，其频率准确度一般用铷原子频标输出频率与标称频率的相对方差根值来表征。

铷原子频标系统主要由作为鉴频器的物理系统和电路系统组成。物理系统主要由谱灯和腔泡系统构成，其中铷原子频标工作物质金属⁸⁷Rb处于腔泡系统的吸收泡内，⁸⁷Rb原子基态(0,0)跃迁频率铷原子频标的频率基准。我们称⁸⁷Rb基态(0,0)跃迁频率为吸收泡泡频，本发明涉及的泡频控制即为控制此频率。

在典型的铷频标系统中，压控晶体振荡器(简称晶振)输出频率为υ(通常为10MHz)，经683.46875倍频得到频率为υ₁的信号后，输入物理系统微波谐振腔。去激励原子跃迁。设吸收泡泡频为υ₀，则晶振频率υ与泡频υ₀满足关系：(式1)。由(式1)可知，晶振输出频率由吸收泡泡频υ₀决定，而晶振频率就是铷频标的输出频率。

在铷原子频标中，综合器可采取两种设计方案，一种是数字综合器方案，一种是模拟电路综合器方案。数字综合器方案产生的尾数频率信号的频率可大范围调节。采用这种方案时，若吸收泡泡频υ₀不准确，则可以通过调节综合器频率υ_s来实现对晶振频率υ的精确控制。但这种方案的缺点是电路相位噪声比较大，限制铷钟的频率稳定度指标，而且此方案使用的数字集成电路模块抗辐照特性较差，不利于复杂环境使用(如星载环境)。因此，一般采用模拟电路综合器方案。这种方案相噪小、可靠性高，但存在只能产生固定频率的缺点，为了保证铷钟输出频率准确度满足要求，使得吸收泡泡频υ₀也必须为精确，该方案即要求加工吸收泡时泡频能够实现精确控制。

在铷原子频标系统中，吸收泡中充入了甲烷和氮气作为缓冲气体。引入缓冲气体后，会引起⁸⁷Rb基态能级的微小移动，造成吸收泡泡频的移动。这种频移与缓冲气体的气压成正比，所以称这种频移为压力频移。正是利用这一压力频移特性，通过制造吸收泡时适当改变缓冲气体压力来实现精确控制泡频。

发明内容

本发明的目的是在于针对现有技术存在的上述问题，提供了一种铷原子频标泡频控制方法，该方法能够在实时获知吸收泡泡频的同时连续缓慢地改变吸收泡内压力，从而改变吸收泡的泡频，达到精确控制泡频。

本发明的另一个目的在于提供了一种铷原子频标泡频控制系统，该系统可实现在吸收泡生产过程中在线实时检测并调节泡频，这样使得吸收泡的成品率大幅度提高。

为了达到上述的目的，本发明采用以下技术措施：

一种铷原子频标泡频控制系统，包括物理系统，还包括微波腔，微波腔内设置有内泡，内泡通过玻璃管与外泡连通，外泡设置在外泡加热系统中；物理系统包括对微波腔进行加热的加热装置、对内泡进行照射的光谱灯、对透过内泡的光谱灯光进行检测并输出光检信号的光检装置；还包括用于接收光检信号并输出控制电压到晶振的锁相放大器、用于对晶振的输出频率进行计数的计数器、用于输出微波信号到内泡的微波源，晶振输出的频率信号作为微波源参考输入。

一种铷原子频标泡频控制方法，其步骤是：

步骤1、制作内泡和外泡，内泡和外泡通过玻璃管相连通；

步骤2、将内泡置于微波腔中，将吸收泡的外泡安装至外泡加热系统中独立温控，通过物理系统的加热装置加热微波腔，使得微波腔中的内泡加热达到70℃，微波源产生微波信号送入到内泡中，同时光谱灯对内泡进行照射，物理系统的光检装置对透过吸收泡内泡的光谱灯的光进行探测得到光检信号，光检信号接入到锁相放大器，锁相放大器输出控制电压控制晶振输出，计数器监测晶振的输出信号频率，通过示波器监测光检信号直至示波器显示的光检信号频率为272Hz后等待30分钟后进入步骤3；

步骤3、通过外泡加热系统对外泡进行加热，直至晶振输出频率达到9,999,999.985±0.01Hz，保持吸收泡的外泡的温度不变40分钟后进入步骤4；

步骤4、进行一次封割，用手喷枪火头切断连接内泡和外泡的玻璃管；一次切割之后，等待直至计数器频率不再变化；