用于气泡型铷频标的新型环极式微波腔

　　1　引　言

　　气泡型铷原子频标具有体积小、重量轻、成本低等特点。它的短期稳定度好,长期稳定度也达到相当水平。例如,在GPS卫星上应用的铷原子频标,天稳定度达到3×10^-14量级[1],超过小铯钟的水平。铷原子频标在科学、技术及国民经济建设等方面均有着广泛的应用。

　　微波腔在决定铷原子频标性能方面起着关键的作用。一个性能优越的微波腔,应满足腔内微波场分布模式优越、微波填充因子大、腔频温度系数小的条件。从结构看,一个好的微波腔,还应具有体积小、机械加工简便易行、安装及腔频调整方便等特点。早期使用的铷原子频标微波腔多为标准腔,如TE111腔、TE011腔等,这类腔的体积较大,限制了铷频标整机的体积。近年来出现了几种非标准腔,例如环隙腔[2]、开槽管腔[3]、磁控管腔[4,5]等,它们的共同特点是在微波腔内部环绕腔的中轴线的圆柱面上等间隔、彼此独立地分布若干片状金属极片,极片和相邻极片间的间隙,构成一个电感-电容结构。这类微波腔体积小、场模式优越,但是加工精度难以保证,装配和腔频调节难度较大。梅刚华等人发明了一种新型开槽管式谐振腔[6,7],这种腔的感容结构是通过直接在金属圆筒上开槽得到的,所以金属极片与金属圆筒是连接在一起的整体。它除具有前面几种腔的优点外,而且其结构简单、加工难度减小、装配更方便。

　　我们最近研制出一种新的环极式微波腔。这种微波腔具有场模式优越、信噪比高、机械加工更加简单、腔频调整更加方便的优点。利用这种微波腔研制出分离滤光的铷原子频标。经测试,该频标具有很高的短期稳定度。本文描述这种环极式微波腔的结构及主要特性,报道利用这种微波腔研制的铷原子频标的主要测试结果。

　　2　微波腔结构

　　环极式微波腔主要由谐振环、支撑管、圆柱形微波腔腔筒、介质环、腔端盖以及耦合环组成。配以C场线圈、光电池、吸收泡、滤光泡就可构成分离滤光铷频标的腔泡系统,它是气泡型铷频标的核心。图1是由这种微波腔研制的腔泡系统结构图。

　　微波腔的主要部件是谐振环和支撑管,如图2所示。支撑管是一个圆柱形金属筒,顶端有法兰,通过螺钉固定在腔筒上。谐振环是一个长度为L的圆柱形金属管,装配在支撑管的另一端,与支撑管相距W,且与支撑管共轴。在腔泡系统中,吸收泡和滤光泡插入支撑管中。在支撑管和腔筒间是一个具有一定介电常数的介质环,用以增大微波腔的有效体积,减小其几何尺寸,有利于小型化。

　　文献[2~7]所述的感容结构微波腔中,极片的作用相当于电感,它们之间的间隙构成电容。腔频由感容结构的几何参数、玻璃泡和介质环的介电常数等因素决定。环极式微波腔采用了不同的感容结构。支撑管、谐振环构成电感,它们之间的间隙构成电容。谐振环、支撑管起到了相当于电极的作用,而且二者都是环状,所以我们称此微波腔为环极式微波腔。腔频由该感容结构的几何参数和介质环的介电常数等决定。现有的感容结构微波腔,由于加工和装配精度的问题,微波腔装配完成后,腔频可能偏离87Rb原子基态0-0跃迁中心频率,这就需要微调感容结构的相关参数。对于环极式微波腔,则只需移动谐振环,稍稍改变其与支撑管间的相对距离即可,方便易行。