本發(fā)明屬于冷原子噴泉鐘領域，更具體地，涉及一種可充當真空腔體的冷原子噴泉鐘微波腔。

背景技術：

冷原子噴泉鐘由于其優(yōu)良的頻率穩(wěn)定度和非常高的頻率準確度而被用于國際原子時的守時體系。此外，冷原子噴泉鐘也可以用來實現(xiàn)對本地時頻系統(tǒng)進行校準，提升本地時頻系統(tǒng)的穩(wěn)定度和準確度。冷原子噴泉鐘主要由物理系統(tǒng)、光學系統(tǒng)、電子學控制系統(tǒng)及微波源組成。

微波腔是冷原子噴泉鐘物理系統(tǒng)的重要組成部分，包括選態(tài)腔和激勵腔。原子經(jīng)過激光冷卻后在選態(tài)腔內(nèi)完成態(tài)的制備，之后在上升并下落的過程中共兩次經(jīng)過激勵腔中微波場的作用，然后經(jīng)過探測相關原子能級布居數(shù)，得到拉姆齊躍遷信號；該拉姆齊躍遷信號的質量很大程度上決定了冷原子噴泉鐘的性能。目前，國際上大多數(shù)冷原子噴泉鐘的頻率不確定度已進入E-16量級，而從各研究機構的評估結果來看，分布腔相移和微波泄漏頻移仍然是限制冷原子噴泉鐘頻率不確定度的兩項主要因素。

冷原子噴泉鐘微波腔采用無氧銅加工而成，無氧銅并非理想良導體而存在損耗，這種損耗引起微波腔內(nèi)微波場空間相位變化；由于激勵腔內(nèi)微波場空間相位變化與冷原子運動耦合而引起一階多普勒頻移，即分布腔相移。泄漏在激勵腔外空間的微波場對頂端原子上拋區(qū)原子產(chǎn)生的頻移，即微波泄漏頻移。現(xiàn)有技術通常通過在微波腔外側增加對稱的矩形波導數(shù)量以減小微波場的相位變化，從而降低分布腔相移；但是這種設計僅能減小微波腔徑向上的相位變化，并不能減小軸向上的相位變化。

冷原子噴泉鐘真空系統(tǒng)分為上真空系統(tǒng)和下真空系統(tǒng)，用于為原子提供所必須的真空環(huán)境；其中，上真空系統(tǒng)占據(jù)了真空系統(tǒng)中的大部分體積。現(xiàn)有技術通常以圓柱形真空腔作為上真空系統(tǒng)，而將微波腔設置其中，圓柱形真空腔的高度與原子上拋高度相關，因此其體積主要取決于圓柱形真空腔的直徑，而圓柱形真空腔的直徑則由設置其中的微波腔及矩形波導尺寸決定。對于某一特定元素的原子，如銫原子，微波腔及矩形波導的尺寸也是固定的，使得真空腔的直徑無法減小，從而增加了系統(tǒng)真空環(huán)境制備及維持的難度、同時頂端原子上拋區(qū)容易造成微波泄露。為了解決這一問題，專利文獻CN103885326 A提供了一種側壁開孔型噴泉原子鐘上真空腔系統(tǒng)，通過在微波腔四個微波耦合波導對應的上真空腔體側處分別開四個矩形凸孔，使真空腔的容積有所減小，但微波腔仍置于真空系統(tǒng)內(nèi)部，使得真空系統(tǒng)上方的頂端原子上拋區(qū)的直徑需與微波腔的直徑相同，從而真空腔的體積仍然較大。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供了一種可充當真空腔體的冷原子噴泉鐘微波腔，其目的在于將微波腔的整體密封為上真空系統(tǒng)，使冷原子噴泉鐘上真空系統(tǒng)的容積進一步縮小，解決現(xiàn)有冷原子噴泉鐘真空系統(tǒng)制備及維持困難的技術問題。

為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，提供了一種冷原子噴泉鐘的微波腔，所述微波腔從底部至頂部包括同軸設置的選態(tài)腔下波導、選態(tài)腔、連接端波導、激勵腔、激勵腔上波導以及頂端原子上拋區(qū)；

所述選態(tài)腔下波導的下端用于與冷原子噴泉鐘的下真空系統(tǒng)連接；所述選態(tài)腔下波導的上端伸入所述選態(tài)腔的底部并與所述選態(tài)腔的底部連接，所述連接端波導的下端伸入所述選態(tài)腔的頂部并與所述選態(tài)腔的頂部連接，所述連接端波導的上端伸入所述激勵腔的底部并與所述激勵腔的底部連接，所述激勵腔上波導的下端伸入所述激勵腔的頂部并與所述激勵腔的頂部連接；所述頂端原子上拋區(qū)的內(nèi)徑大于所述激勵腔上波導上部的內(nèi)徑，而小于所述激勵腔上波導上部的外徑；

所述頂端原子上拋區(qū)的上端密封，所述選態(tài)腔下波導、選態(tài)腔、連接端波導、激勵腔、激勵腔上波導以及頂端原子上拋區(qū)的內(nèi)部貫通作為上真空系統(tǒng)，所述上真空系統(tǒng)與冷原子噴泉鐘的下真空系統(tǒng)共同形成真空的原子通道；

其中，所述選態(tài)腔下波導用于屏蔽選態(tài)腔內(nèi)部的第一微波場，以防止第一微波場泄漏至下真空系統(tǒng)，所述選態(tài)腔用于通過第一微波場，將處于目標子能級的原子激發(fā)至第一能級；所述連接端波導用于屏蔽第一微波場以及第二微波場，同時通過外部的激光，將處于非目標子能級的原子推離；所述激勵腔用于通過其內(nèi)部的第二微波場，使得在原子的上升階段，第一能級的一半原子激發(fā)到第二能級；在原子的下降階段，第一能級的一半原子激發(fā)到第二能級，第二能級的一半原子激發(fā)到第一能級，形成拉姆齊信號；所述激勵腔上波導用于屏蔽激勵腔內(nèi)的微波場，以防止激勵腔內(nèi)的微波場泄漏至頂端原子上拋區(qū)；所述頂端原子上拋區(qū)用于為從激勵腔上波導上升然后下落的原子提供運行通道；

所述選態(tài)腔的底部與選態(tài)腔下波導的上端、或選態(tài)腔的頂部與連接端波導的下端之間，以可拆卸式機構連接，以便調整所述選態(tài)腔下波導的上端與所述連接端波導的下端之間的距離，從而調整選態(tài)腔內(nèi)微波場的諧振頻率；所述激勵腔的底部與連接端波導的上端、或激勵腔的頂部與激勵腔上波導的下端之間，以可拆卸式機構連接，以便調整所述連接端波導的上端與激勵腔上波導的下端之間的距離，從而調整激勵腔內(nèi)微波場的諧振頻率。

優(yōu)選地，所述選態(tài)腔的側壁均勻設置有1～4個矩形波導，用于將外部的微波源發(fā)出的微波饋入選態(tài)腔，在選態(tài)腔內(nèi)部產(chǎn)生第一微波場。

作為進一步優(yōu)選地，所述矩形波導內(nèi)側的中心設置有磁耦合孔，外側與所述磁耦合孔相對處設置有探針，所述選態(tài)腔與矩形波導之間以磁耦合孔相連；所述探針用于將外部微波源發(fā)出的微波饋入矩形波導，所述磁耦合孔用于將矩形波導中的微波饋入選態(tài)腔。

優(yōu)選地，所述激勵腔的側壁設置有4個軸向對稱的矩形波導，用于將外部的微波源發(fā)出的微波引入激勵腔，在激勵腔內(nèi)部產(chǎn)生第二微波場。

作為進一步優(yōu)選地，所述矩形波導內(nèi)側的中心設置有磁耦合孔對，所述磁耦合孔對由兩個對稱設置的磁耦合孔組成，所述矩形波導外側的中心設置有探針，所述激勵腔與矩形波導之間以磁耦合孔相連；所述探針用于將外部微波源發(fā)出的微波饋入矩形波導，所述磁耦合孔用于將矩形波導中的微波饋入激勵腔。

作為更進一步優(yōu)選的，所述磁耦合孔對由以所述激勵腔在水平方向的垂直平分面對稱設置的磁耦合孔組成，且間距為連接端波導的上端與激勵腔上波導的下端間距的2/3；可以補償此處由于并非理想良導體制成的激勵腔上波導吸收微波場的產(chǎn)生的微波損耗。

作為更進一步優(yōu)選地，所述的磁耦合孔為圓形或縫隙形，圓形易加工且微波場的損耗小，縫隙形有利于匹配矩形波導與激勵腔內(nèi)的微波場或矩形波導與選態(tài)腔內(nèi)的微波場。

優(yōu)選地，所述連接端波導從底部至頂部包括第一截止波導以及第二截止波導，所述激勵腔上波導從底部至頂部包括第二截止波導以及第一截止波導；所述第二截止波導的內(nèi)徑大于第一截止波導。

作為進一步優(yōu)選地，所述第二截止波導與所述第一截止波導的內(nèi)徑比為3:2～2:1。

優(yōu)選地，所述選態(tài)腔下波導的底部設置有法蘭，用于與冷原子噴泉鐘下方的真空系統(tǒng)連接。

優(yōu)選地，所述選態(tài)腔的內(nèi)徑大于所述選態(tài)腔下波導的上端以及所述連接端波導的下端的外徑，所述激勵腔的內(nèi)徑大于所述連接端波導的上端以及激勵腔上波導的下端的外徑；所述選態(tài)腔下波導、連接端波導以及激勵腔上波導分別伸入激勵腔和選態(tài)腔的部分，與激勵腔和選態(tài)腔的內(nèi)壁構成扼流環(huán)。

優(yōu)選地，所述頂端原子上拋區(qū)的高度為80cm～100cm。

優(yōu)選地，所述拆卸式連接機構包括周向設置的多個螺釘，以及設置于所述多個螺釘?shù)膬?nèi)周的銦絲圈。

作為進一步優(yōu)選地，所述銦絲圈的直徑為0.7mm～1mm，所述多個螺釘為6個至12個。

總體而言，通過本發(fā)明所構思的以上技術方案與現(xiàn)有技術相比，具有下列有益效果：

1、本發(fā)明通過將微波腔整體密封為冷原子噴泉鐘上真空系統(tǒng)，使冷原子噴泉鐘的上真空系統(tǒng)體積減小為原有體積的1/3～1/2，從而減小冷原子噴泉鐘真空系統(tǒng)的體積，降低冷原子噴泉鐘真空環(huán)境制備和維持的難度，同時利用拆卸式連接機構連接選態(tài)腔與激勵腔，使得微波腔修調非常方便。

2、在激勵腔上波導設置密封的頂端原子上拋區(qū)，頂端原子上拋區(qū)的內(nèi)徑小于激勵腔上波導的外徑，以防止微波場的泄露，從而降低冷原子噴泉鐘分布腔相移和消除微波泄漏頻移。

3、在激勵腔采用四個矩形波導的基礎上，利用耦合孔對以及探針將外部微波源輸出的微波，從矩形波導饋入至激勵腔，通過補償微波場在激勵腔上波導的原子通道壁上的損耗，可以減小激勵腔內(nèi)軸向的微波場空間相位變化。

附圖說明

圖1是本發(fā)明微波腔的總體結構剖視圖；

圖2是本發(fā)明微波腔A-A處的剖視圖；

圖3是本發(fā)明微波腔B-B處的剖視圖；

圖4是本發(fā)明微波腔利用拆卸式連接機構的連接示意圖；

在所有附圖中，相同的附圖標記用來表示相同的元件或結構，其中：10-選態(tài)腔下波導，11-法蘭，12-固定環(huán)，20-選態(tài)腔，30-連接端波導，31-連接端波導的第二截止波導，32-連接端波導第一截止波導，40-激勵腔，50-激勵腔上波導，51-激勵腔上波導的第二截止波導，52-激勵腔上波導的第一截止波導，60-頂端原子上拋區(qū)，71-矩形波導，72-磁耦合孔，73-半剛電纜探針，8-扼流環(huán)，91-銦絲圈，92-螺釘。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。

本發(fā)明提供了一種可充當真空腔體的冷原子噴泉鐘微波腔，從底部至頂部依次包括選態(tài)腔下波導10、選態(tài)腔20、連接端波導30、激勵腔40、激勵腔上波導50、以及頂端原子上拋區(qū)60等部件；其中，所述頂端原子上拋區(qū)60的上端密封，所述選態(tài)腔下波導10、選態(tài)腔20、連接端波導30、激勵腔40、激勵腔上波導50以及頂端原子上拋區(qū)60的內(nèi)部貫通，所述選態(tài)腔下波導10的下端用于與冷原子噴泉鐘的下真空系統(tǒng)連接，使得選態(tài)腔下波導10、選態(tài)腔20、連接端波導30、激勵腔40、激勵腔上波導50以及頂端原子上拋區(qū)60同軸連接成為上真空系統(tǒng)，所述上真空系統(tǒng)與冷原子噴泉鐘的下真空系統(tǒng)共同形成真空的原子通道；包括頂端原子上拋區(qū)60在內(nèi)，所述微波腔整體為無氧銅等金屬結構，以屏蔽微波腔內(nèi)外的微波場；頂端原子上拋區(qū)60的管壁可以防止微波場的泄露，同時使得頂端原子上拋區(qū)60的溫度保持均勻。

其中，選態(tài)腔用于通過第一微波場，將處于目標子能級的原子激發(fā)至第一能級，例如對于銫原子鐘而言，第一能級為F＝3，目標子能級為m_F＝0；所述連接端波導30用于通過外部的激光，將處于非目標子能級的原子推離；所述激勵腔40用于通過其內(nèi)部的第二微波場，使得在上升階段的一半原子從第一能級轉換為第二能級，在下落階段的第二能級的一半原子從第二能級轉換為第一能級，第一能級的一半原子從第一能級轉換為第二能級，形成拉姆齊信號；例如對于銫原子鐘而言，第二能級為F＝4；所述頂端原子上拋區(qū)60的高度通常為80cm～100cm，用于為從激勵腔上波導50上升然后下落的原子提供運行通道。

而選態(tài)腔下波導10、連接端波導30以及激勵腔上波導50均為屏蔽結構，其作用為屏蔽選態(tài)腔20和/或激勵腔40的微波場；其中，所述連接端波導30從底部至頂部包括第一截止波導以及第二截止波導，所述激勵腔上波導50從底部至頂部包括第二截止波導以及第一截止波導；所述第二截止波導的內(nèi)徑大于第一截止波導，兩者的內(nèi)徑比可為3:2～2:1；屏蔽結構劃分為兩個內(nèi)徑不同的部分，可實現(xiàn)微波場的逐步衰減的基礎上，滿足原子通道的直徑逐漸與激勵腔40的內(nèi)徑相適應。

選態(tài)腔下波導10的上端伸入選態(tài)腔20的底部，且其上端的內(nèi)徑小于選態(tài)腔20的內(nèi)徑，從而使其上端與選態(tài)腔20的內(nèi)壁形成深度為1/4微波波長、寬度為0.5mm的扼流環(huán)8，由于該扼流環(huán)的存在，切斷了選態(tài)腔下波導10的上端與選態(tài)腔20的內(nèi)部之間的壁電流通路，從而避免產(chǎn)生模式為TM₁₁₁的微波，從而干擾其微波信號；選態(tài)腔下波導10靠近其上端處的周向上設置有固定環(huán)12，該固定環(huán)12的寬度與選態(tài)腔20腔壁的厚度相同，選態(tài)腔20的腔壁的下端與固定環(huán)12的上端通過拆卸式連接機構相連；拆卸式連接機構包括周向設置的多個螺釘92以及銦絲圈91；所述多個螺釘92為6個至12個，如圖3上的拆卸式連接機構具有8個螺釘92，銦絲圈91的直徑為0.7mm～1mm，設置于多個螺釘92的內(nèi)周，可以起到緩沖作用，以保證所述微波腔整體為密封結構。而選態(tài)腔20的頂部與連接端波導30的下端、激勵腔40的底部與連接端波導30的上端以及或激勵腔40的頂部與激勵腔上波導50的下端，均采用與上述選態(tài)腔下波導10的上端與選態(tài)腔20的底部相似的連接方式；由于微波場的頻率需與冷原子噴泉鐘的原子類型相匹配(如銫原子的頻率為9.1926GHz)，而微波腔的高度(即選態(tài)腔下波導10的上端與連接端波導30的下端的間距、或激勵腔上波導50的下端與連接端波導30的上端的間距)與微波場的頻率呈負相關，設置這四處拆卸式連接機構，可方便通過打磨，從而改變微波腔的高度；例如需要增加選態(tài)腔的高度時，可通過打磨選態(tài)腔下波導10的上端或連接端波導30的下端，需要減少選態(tài)腔20的高度時，可通過打磨選態(tài)腔20的頂部與連接端波導30的下端的相連處。

而該微波腔的其它部件之間可焊接，也可同樣利用拆卸式連接機構相連，以保證該微波腔整體為密封結構。

圖2為附圖1在A-A處從上至下觀察的剖面圖。從附圖2可以看到激勵腔40，矩形波導71，半剛電纜探針73，第一截止波導32，第二截止波導31，扼流環(huán)8。激勵腔40為圓柱形TE₀₁₁模微波腔；第一截止波導32、第二截止波導31和激勵腔40同軸心；所述激勵腔40的側壁設置有4個軸向對稱的矩形波導71，用于將外部的微波源發(fā)出的微波引入激勵腔40，在激勵腔內(nèi)部40產(chǎn)生第二微波場；所述矩形波導71內(nèi)側的中心設置有磁耦合孔對；如圖2所示，所述磁耦合孔對由以所述激勵腔40在水平方向的垂直平分面對稱設置的磁耦合孔72組成，所述矩形波導71外側的中心設置有半剛電纜制備的探針73，所述激勵腔40與矩形波導71之間以磁耦合孔72相連；所述探針73用于將外部微波源發(fā)出的微波饋入矩形波導71；以微波腔的材料為無氧銅為例，磁耦合孔對的間距為連接端波導30的上端與激勵腔上波導50的下端間距的2/3，用于將矩形波導71中的微波饋入激勵腔40，同時減少由于模式為TE₀₁₃的微波場指向激勵腔40的腔壁而造成的吸收損耗。

附圖3是附圖1在B-B處從上至下觀察的剖面圖。從附圖3可以看到選態(tài)腔20，矩形波導71，半剛電纜制備的探針73，選態(tài)腔下波導10，磁耦合孔72，扼流環(huán)8，該圖顯示本實施例中選態(tài)腔采用一個矩形波導71，所述矩形波導71內(nèi)側的中心設置有磁耦合孔72，所述矩形波導71外側與所述磁耦合孔72相對處設置有半剛電纜制備的探針73，其作用與其在激勵腔40中的作用相同。

選態(tài)腔下波導10的底部設置有法蘭11，用于與冷原子噴泉鐘下方的真空系統(tǒng)連接。

以銫原子為例，說明包括本發(fā)明的微波腔的冷原子噴泉鐘的工作過程如下：

S1.能級為F＝4，且子能級m_F不同的銫原子從下真空系統(tǒng)上升，經(jīng)過選態(tài)腔下波導，到達選態(tài)腔；

S2.通過選態(tài)腔20內(nèi)具有第一功率的第一微波場，能級為F＝4，m_F＝0的銫原子發(fā)生能級躍遷，轉變?yōu)镕＝3，m_F＝0的銫原子，而F＝4，m_F≠0的銫原子不發(fā)生能級躍遷；

S3.銫原子繼續(xù)上升，經(jīng)過連接端波導30時，將F＝4，m_F≠0的銫原子利用從下真空系統(tǒng)引入的向上的激光打掉，僅剩F＝3，m_F＝0能級的銫原子；

S4.F＝3，m_F＝0能級的銫原子通過激勵腔40內(nèi)具有第二功率的第二微波場，一半的銫原子轉變?yōu)镕＝4，m_F＝0的銫原子；到此，一半的銫原子處于F＝4，m_F＝0能級，一半的銫原子處于F＝3，m_F＝0能級；

S5.銫原子繼續(xù)上升，到達頂端原子上拋區(qū)60的頂端后下落，再次經(jīng)過激勵腔40；其中，處于F＝4，m_F＝0能級的銫原子中的一半轉換為F＝3，m_F＝0的銫原子，而處于F＝3，m_F＝0能級的銫原子中的一半轉換為F＝4，m_F＝0的銫原子；

S6.位于微波腔下方的探測區(qū)分別探測F＝4，m_F＝0和F＝3，m_F＝0能級的原子布居數(shù)，獲得拉姆齊信號。

本發(fā)明針對目前應用于冷原子噴泉鐘的微波腔內(nèi)微波場軸向空間相位梯度較大的問題，在冷原子噴泉鐘激勵腔采用四個矩形波導的基礎上，提出并實現(xiàn)在每個矩形波導與激勵腔之間采用磁耦合孔對耦合微波的方式，可以進一步減小激勵腔內(nèi)微波場空間相位梯度，降低冷原子噴泉鐘分布腔相移效應。將激勵腔和選態(tài)腔連接為一體結構并設計頂端原子上拋區(qū)，可以完全消除微波泄漏效應。同時通過拆卸式連接機構將整個微波腔密封為冷原子噴泉鐘上真空系統(tǒng)，使冷原子噴泉鐘的上真空系統(tǒng)的容積減小至原有的1/3～1/2，降低冷原子噴泉鐘真空環(huán)境制備和維持的難度，同時微波腔修正調試非常方便，適用于研制小型化的冷原子噴泉鐘。

本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施方式而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。