[发明专利]一种用于氢原子钟的介质加载微波腔

说明书

本申请公开了一种用于氢原子钟的介质加载微波腔，包括介质环，氢原子贮存泡和金属微波腔筒，所述介质环设置于所述金属微波腔筒内部，所述氢原子贮存泡设置于所述介质环围成的空间内部，用于完成氢原子能级跃迁并放出微波信号，所述介质环为钡镁钽合成材料。该介质加载微波腔具有性能稳定性高、加工难度低、加工成本低、体积小等特点。

技术领域

本申请涉及原子钟技术领域，尤其涉及一种用于氢原子钟的介质加载微波腔。

背景技术

微波腔是氢原子钟的核心部件，氢原子在微波腔的贮存泡内完成能级跃迁并放出微波信号。氢原子放出的微波能量以微波腔内电磁场工作模式在微波腔内共振。当微波腔的Q值到达一定范围(35000)，氢原子跃迁信号可以在微波腔金属筒内实现自激共振，腔体无需微波注入，就可以从腔上的频率耦合装置上获得微波能量，工作在这种状态的氢原子钟为主动型氢钟。

微波腔TE011模式的工作频率的稳定性会通过腔牵引效应叠加于微波腔自激输出频率上，经过计算要求腔体输出频率波动小于1E-15条件下，需要将微波腔工作频率变化范围控制在0.1Hz以内。减小微波腔温度系数可以有效降低微波腔腔体工作频率的控制难度，进而大幅提升整钟的长期频率稳定性。

在微波腔内添加大介电常数、低介电损耗的介质可以有效减小微波腔的体积，但是填充材料的介电常数随温度的变化会对微波腔工作频率产生影响。目前蓝宝石主动氢钟采用蓝宝石作为填充介质可以有效降低腔体体积，但是蓝宝石的介电常数随温度变化剧烈，整个腔体的频率温度系数为-65kHz/℃。腔体的温度系数大是制约蓝宝石主动氢钟长期稳定性提升重要制约点。

发明内容

为解决现有微波腔中腔体温度系数大、体积大的缺点，本申请实施例提供一种用于氢原子钟的介质加载微波腔。

本申请实施例采用下述技术方案：

一种用于氢原子钟的介质加载微波腔，包括介质环，氢原子贮存泡和金属微波腔筒。

所述介质环设置于所述金属微波腔筒内部。

所述氢原子贮存泡设置于所述介质环围成的空间内部，用于完成氢原子能级跃迁并放出微波信号。

所述介质环为钡镁钽合成材料。优选的，所述钡镁钽合成材料，包含30％～45％(重量)的钡和10％～26％(重量)的镁，余量为钽。

优选的，所述介质环外径为145毫米～155毫米，壁厚为1毫米～5毫米。

优选的，所述金属微波腔筒内径为160毫米～185毫米，高度为160毫米～200毫米。

优选的，所述介质环包括楔形叠加连接的第一介质环、第二介质环和第三介质环，设置于所述金属微波腔筒内部，所述氢原子贮存泡设置于所述第一介质环、第二介质环和第三介质环围成的空间内部，用于完成氢原子能级跃迁并放出微波信号。

进一步，所述氢原子贮存泡为石英贮存泡。

进一步，经过选态的氢原子进入所述氢原子贮存泡内部，在所述氢原子贮存泡内部实现从高能级向低能级的跃迁动作，同时放出频率为1420.405751MHz的微波信号。

进一步，所述氢原子贮存泡与所述金属微波腔筒下部金属部件实现密封连接。

进一步，所述介质加载微波腔还包括频率调谐装置。

进一步，所述介质加载微波腔还包括频率耦合装置，通过所述频率耦合装置获得脉泽信号。

本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：解决现有方案腔体温度系数大，整机长期稳定度难于提升的问题。提供了一种高可靠性、高性能、小型化的介质加载微波腔的设计方案，整个腔体外形尺寸与传统方案大幅缩小，保持内部氢原子填充体积基本不变。这既保证整钟的小型化，同时也突破原蓝宝石氢钟整机性能提升的难题。