專利名稱：一種被動型氫鐘超均勻c場磁筒及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于被動型氫鐘物理部件的研制領(lǐng)域，具體涉及一種被動型氫鐘超均勻C場磁筒。
背景技術(shù)：
被動型氫鐘被廣泛運(yùn)用于衛(wèi)星導(dǎo)航、空間探測和授時等領(lǐng)域，為其提供標(biāo)準(zhǔn)時間、頻率標(biāo)準(zhǔn)。被動型氫鐘使用基態(tài)氫原子超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級躍遷產(chǎn)生的超穩(wěn)定度微波量子鑒頻器，鎖定壓控晶體振蕩器(VCXO)，使得VCXO能夠穩(wěn)定并輸出標(biāo)準(zhǔn)頻率信號。C場線圈是被動型氫鐘的關(guān)鍵部件，用于產(chǎn)生在整個氫儲存泡區(qū)域內(nèi)與微波諧振磁場方向一致的靜磁場。靜磁場使得基態(tài)氫原子F = I的能級發(fā)生分裂產(chǎn)生三個超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級，這種效應(yīng)被稱為塞曼效應(yīng)，靜磁場也被稱為塞曼場或C場。除此之外，C場還為超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級躍遷提供量子化方向，使得I F = I, mF = 0>一 I F = O, mF = 0>躍遷(σ躍遷)得以實現(xiàn),兩個能態(tài)的躍遷頻率為V = ν0+ΚΒ2, (I)其中，Utl是無磁場情況下氫原子的躍遷頻率；B為塞曼磁場的磁感強(qiáng)度；K =
2.7730X 10nH/T2。C場磁感強(qiáng)度的大小和均勻度(梯度)影響躍遷頻率的準(zhǔn)確度、信號的信噪比、振蕩譜線的線寬，所以C場的均勻度是決定量子鑒頻器譜線質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。為了設(shè)計出線寬小于2Hz的高品質(zhì)的被動型氫鐘的量子鑒頻器，在氫原子儲存泡空間區(qū)域內(nèi)C場的相對均勻度誤差須控制在1%以內(nèi)，且磁感強(qiáng)度要足夠小。目前，被動型氫鐘研制過程中，C場線圈的設(shè)計和加工精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到要求的均勻度，往往采用介質(zhì)抵償或加大磁筒體積來實現(xiàn)，這樣就限制被動型氫鐘穩(wěn)定性的提高，也不利于實現(xiàn)小型化，成為被動型氫鐘研制中的瓶頸。因此，需要一種新的被動型氫鐘超均勻C場磁筒以解決上述問題。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的:本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)在被動型氫鐘研制過程中，C場線圈的設(shè)計和加工精度的缺陷，提供一種被動型氫鐘超均勻C場磁筒。技術(shù)方案:為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的被動型氫鐘超均勻C場磁筒采用如下技術(shù)方案:—種被動型氫鐘超均勻度C場磁筒,包括磁筒骨架和磁場線圈，所述磁筒骨架為圓筒形，所述磁場線圈纏繞在所述磁筒骨架的外側(cè)，從所述磁筒骨架的一端開始依次繞制所述磁場線圈:先采用d/4線徑的漆包線在所述磁筒骨架表面繞制L/16長度的磁場線圈，再采用d線徑的漆包線在所述磁筒骨架表面繞制L/4長度的磁場線圈，再采用d/2線徑的漆包線在所述磁筒骨架表面繞制L/16長度的磁場線圈，再采用d線徑的漆包線在所述磁筒骨架表面繞制L/4長度的磁場線圈，再采用d/2線徑的漆包線在所述磁筒骨架表面繞制L/16長度的磁場線圈，再采用d線徑的漆包線在所述磁筒骨架表面繞制L/4長度的磁場線圈，再采用d/4線徑的漆包線在所述磁筒骨架表面繞制L/16長度的磁場線圈，其中，d為標(biāo)準(zhǔn)線徑，L為所述磁筒骨架的長度。發(fā)明原理:C場磁筒內(nèi)設(shè)置有磁控管和儲存泡，磁控管設(shè)置在磁筒骨架內(nèi)部，儲存泡設(shè)置在磁控管中。線圈具有磁場均勻度補(bǔ)償作用，磁場筒表面的線圈關(guān)于中點呈對稱分布，線圈的漆包線在磁筒表面緊密繞制一層，通過改變漆包線的線徑來實現(xiàn)不同密度的線圈的繞制，而無需通過疊層繞制來增加線圈的密度，在圓柱形磁筒的兩端和距中心L/8處的L/16長度(L為線圈總長度)內(nèi)線圈密度加大為原來的2倍和4倍，使得整個儲存泡內(nèi)的磁場均勻度得到提高。有益效果:本發(fā)明提出的C場磁筒的線圈參數(shù)經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計選取，在儲存泡空間區(qū)域內(nèi)軸線上的磁場均勻度誤差能達(dá)到2%。以下，而整個空間內(nèi)均勻度誤差可以小于5%。，滿足被動型氫鐘對C場的超均勻度要求。更進(jìn)一步的，所述磁場線圈從頭到尾由一條不同半徑的漆包線端接而形成的繞線繞制而成，所述磁場線圈僅有兩個出線頭。線圈的不同密度通過采用不同半徑的漆包線端接來實現(xiàn)，磁場線圈從頭到尾由一根繞線繞制而成，且僅有兩個出線頭，接入一個電流源便可產(chǎn)生超均勻度C場，避免了多個線頭引線電流對磁場的影響。更進(jìn)一步的，所述磁筒骨架的厚度小于等于1mm，有益于減輕C場磁筒的重量，利用氫鐘小型化。更進(jìn)一步的，所述磁筒骨架由透磁材料制成。更進(jìn)一步的，所述透磁材料為鋁或鈦。本發(fā)明還公開了上述被動型氫鐘超均勻度C場磁筒的制作方法。一種被動型氫鐘超均勻度C場磁筒的制作方法，包括以下步驟:(I)采用透磁材料卷曲成圓筒形，然后將接縫焊接，再對焊縫處進(jìn)行打磨、拋光，得到圓筒形的磁筒骨架；(2)從磁筒骨架的一端開始依次繞制磁場線圈:先采用d/4線徑的漆包線在磁筒骨架表面繞制L/16長度線圈，再采用d線徑的漆包線繞制L/4長度線圈，再采用d/2線徑的漆包線繞制L/16長度線圈，再采用d線徑的漆包線繞制L/4長度線圈，再采用d/2線徑的漆包線在磁筒骨架表面繞制L/16長度線圈，再采用d線徑的漆包線繞制L/4長度線圈，再采用d/4線徑的漆包線繞制L/16長度線圈，其中，d為標(biāo)準(zhǔn)線徑，L為磁筒骨架的長度。更進(jìn)一步的，所述磁筒骨架的厚度小于等于1mm。 更進(jìn)一步的，所述透磁材料為鋁或鈦。有益效果:利用本發(fā)明的被動型氫鐘超均勻度C場磁筒的制作方法制得的C場磁筒的參數(shù)經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計選取，在儲存泡空間區(qū)域內(nèi)軸線上的磁場均勻度誤差能達(dá)到2%。以下，而整個空間內(nèi)均勻度誤差可以小于5%。，滿足被動型氫鐘對C場的超均勻度要求。


圖1、本發(fā)明的被動型氫鐘超均勻C場磁筒的安裝結(jié)構(gòu)示意圖；圖2、補(bǔ)償線圈的參數(shù)經(jīng)過最優(yōu)化設(shè)計后儲存泡內(nèi)軸線磁場的分布曲線；圖3、補(bǔ)償線圈的參數(shù)經(jīng)過最優(yōu)化設(shè)計后整個儲存泡空間內(nèi)的磁場均勻度分布；圖4、磁筒線圈繞線分布示意圖5、繞線端接方式及尺寸示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對本發(fā)明的各種等價形式的修改均落于本申請所附權(quán)利要求所限定的范圍。請參閱圖1所示，氫鐘的儲存泡3安裝在磁控管2的管腔內(nèi)，而磁筒骨架I安裝在磁控管2腔外圍，產(chǎn)生在儲存泡空間區(qū)域內(nèi)超均勻的塞曼磁場。磁筒骨架I為圓筒形。磁筒骨架I由透磁基材(鋁、鈦等)制成，其厚度小于1mm，磁場線圈繞制在磁筒骨架的外表面，其安裝結(jié)構(gòu)如圖1所示。螺線管線圈是C場線圈的基本部件(主線圈)，為了設(shè)計出超均勻的C場,必須精確定量地計算出螺線管線圈內(nèi)部的磁場分布。根據(jù)Biot-Savart定理，電流微元在真空中任一場點產(chǎn)生的磁感強(qiáng)度可表示為
權(quán)利要求
1.一種被動型氫鐘超均勻度C場磁筒，其特征在于，包括磁筒骨架和磁場線圈，所述磁筒骨架為圓筒形，所述磁場線圈纏繞在所述磁筒骨架的外側(cè)，從所述磁筒骨架的一端開始依次繞制所述磁場線圈:先采用 //4線徑的漆包線在所述磁筒骨架表面繞制Z/16長度的磁場線圈，再采用V線徑的漆包線在所述磁筒骨架表面繞制Ζ/4長度的磁場線圈，再采用m線徑的漆包線在所述磁筒骨架表面繞制Z/16長度的磁場線圈，再采用V線徑的漆包線在所述磁筒骨架表面繞制Z/4長度的磁場線圈，再采用m線徑的漆包線在所述磁筒骨架表面繞制Z/16長度的磁場線圈，再采用V線徑的漆包線在所述磁筒骨架表面繞制Z/4長度的磁場線圈，再采用dl\線徑的漆包線在所述磁筒骨架表面繞制Z/16長度的磁場線圈，其中，d為標(biāo)準(zhǔn)線徑，Z為所述磁筒骨架的長度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的被動型氫鐘超均勻度C場磁筒，其特征是:所述磁場線圈從頭到尾由一條不同半徑的漆包線端接而形成的繞線繞制而成，所述磁場線圈僅有兩個出線頭。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的被動型氫鐘超均勻度C場磁筒，其特征是:所述磁筒骨架的厚度小于等于1mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的被動型氫鐘超均勻度C場磁筒，其特征是:所述磁筒骨架由透磁材料制成。
5.根據(jù)權(quán)利要求5所述的被動型氫鐘超均勻度C場磁筒，其特征是:所述透磁材料為招或欽。
6.一種被動型氫鐘超均勻度C場磁筒的制作方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)采用透磁材料卷曲成圓筒形，然后將接縫焊接，再對焊縫處進(jìn)行打磨、拋光，得到圓筒形的磁筒骨架； (2)從磁筒骨架的一端開始依次繞制磁場線圈:先采用m線徑的漆包線在磁筒骨架表面繞制Z/16長度線圈，再采用V線徑的漆包線繞制Z/4長度線圈，再采用dll線徑的漆包線繞制Z/16長度線圈，再采用V線徑的漆包線繞制Z/4長度線圈，再采用m線徑的漆包線在磁筒骨架表面繞制Z/16長度線圈，再采用d線徑的漆包線繞制Z/4長度線圈，再采用m線徑的漆包線繞制Z/16長度線圈，其中，V為標(biāo)準(zhǔn)線徑，Z為磁筒骨架的長度。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的被動型氫鐘超均勻度C場磁筒的制作方法，其特征是:所述磁筒骨架的厚度小于等于1_。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的被動型氫鐘超均勻度C場磁筒的制作方法，其特征是:所述透磁材料為招或鈦。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種被動型氫鐘超均勻C場磁筒及其制作方法，本發(fā)明的C場磁筒包括磁筒骨架和磁場線圈，磁場線圈纏繞在圓柱形磁筒骨架的外側(cè)。線圈具有磁場均勻度補(bǔ)償作用，磁筒表面的線圈關(guān)于中點呈對稱分布，線圈的漆包線在磁筒表面緊密繞制一層，通過改變漆包線的線徑來實現(xiàn)不同密度的線圈的繞制，而無需通過疊層繞制來增加線圈的密度，在圓筒形磁筒的兩端和距中心L/8處的L/16長度(L為線圈總長度)內(nèi)線圈密度加大為標(biāo)準(zhǔn)密度的2倍和4倍。本發(fā)明提出的C場磁筒的線圈參數(shù)經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計選取，在儲存泡空間區(qū)域內(nèi)軸線上的磁場均勻度誤差能達(dá)到2‰以下，而整個空間內(nèi)均勻度誤差可以小于5‰，滿足被動型氫鐘對C場的超均勻度要求。
文檔編號H01F5/00GK103077799SQ20121051470
公開日2013年5月1日 申請日期2012年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月5日
發(fā)明者邱實, 王勇, 李建清 申請人:東南大學(xué)