一種頻標穩(wěn)定性優(yōu)化系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及原子頻標【技術領域】，具體涉及一種頻標穩(wěn)定性優(yōu)化系統(tǒng)。包括H鐘外參考源、物理系統(tǒng)、光電池、集成濾光共振泡、光譜燈、頻率穩(wěn)定度測試儀、數(shù)字測試儀、PC機；所述H鐘外參考源輸出與所述頻率穩(wěn)定度測試儀連接，所述頻率穩(wěn)定度測試儀還與所述物理系統(tǒng)輸出連接，所述光電池、所述集成濾光共振泡、所述光譜燈依次設置在所述物理系統(tǒng)內，所述物理系統(tǒng)輸出還與所述數(shù)字測試儀連接，所述頻率穩(wěn)定度測試儀輸出、所述數(shù)字測試儀輸出均與PC機連接。本實用新型提供的一種頻標穩(wěn)定性優(yōu)化系統(tǒng)，可以優(yōu)化頻標穩(wěn)定性。
【專利說明】一種頻標穩(wěn)定性優(yōu)化系統(tǒng)

【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及原子頻標【技術領域】，特別涉及一種頻標穩(wěn)定性優(yōu)化系統(tǒng)。

【背景技術】
[0002] 光譜燈燈泡常用球型玻璃泡，直徑約10-15 mm。燈泡中除充有金屬銣外還充有激 發(fā)電位低、化學性質不活潑的起輝氣體。常用Kr或Ar，氣壓l-2T〇rr，燈泡放在一個高頻振 蕩器的振蕩線圈中，振蕩頻率約為100MHz左右，功率1-5W。振蕩頻率越高所需的激發(fā)功率 越小，振蕩頻率越低所需的激發(fā)功率越大。激發(fā)功率大時容易點燃燈，但是激發(fā)功率越大， 燈的壽命越短。另外，激發(fā)功率太大，產生熱量太多，燈室則不易控溫。激發(fā)功率大對頻標 中其他線路的高頻干擾也大，不易消除。所以，一般在保證燈穩(wěn)定工作的條件下，用盡可能 小的激發(fā)功率。
[0003] 光譜燈無極放電發(fā)光的原理大致如下：高頻電場對起輝氣體中本來存在的少量離 子和電子加速，使其動能增加，從而與起輝氣體分子碰撞，產生更多的離子和電子，動能較 高的離子或電子與起輝氣體分子碰撞就能把起輝氣體分子激發(fā)到激發(fā)態(tài)上去。當它回到基 態(tài)時就可看到起輝氣體分子發(fā)光。但若這種處在激發(fā)態(tài)的起輝氣體分子與銣原子分子碰撞 就可以把激發(fā)態(tài)能量轉移給銣原子，自己無輻射的回到基態(tài)，而把銣原子激發(fā)到激發(fā)態(tài)上 去。當銣原子從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)時就可看到銣原子發(fā)光。在燈泡溫度極低，銣原子密度較 低的情況下，往往只看到起輝氣體分子發(fā)光。在燈泡溫度較高，銣原子密度較高的情況下， 銣原子發(fā)光就占絕對優(yōu)勢，此時往往只看到銣原子發(fā)光而看不到起輝氣體分子發(fā)光。在兩 種發(fā)光過程過渡的情況下，往往看到兩種發(fā)光過程交替地出現(xiàn)：一會兒主要是起輝氣體分 子發(fā)光，一會兒又變成主要是銣原子發(fā)光。這種現(xiàn)象稱為張馳振蕩，振蕩頻率從零點幾赫到 幾千赫都有可能。為了得到穩(wěn)定的抽運光，整個燈室包括燈泡和振蕩器電路都應該恒溫，把 溫度控制在銣原子穩(wěn)定發(fā)光的溫度上。 實用新型內容
[0004] 本實用新型所要解決的技術問題是提供一種提高頻標溫度性的的頻標穩(wěn)定性優(yōu) 化系統(tǒng)。
[0005] 為解決上述技術問題，本實用新型提供了一種頻標穩(wěn)定性優(yōu)化系統(tǒng)，包括Η鐘外 參考源、物理系統(tǒng)、光電池、集成濾光共振泡、光譜燈、頻率穩(wěn)定度測試儀、數(shù)字測試儀、PC 機；
[0006] 所述Η鐘外參考源輸出與所述頻率穩(wěn)定度測試儀連接，所述頻率穩(wěn)定度測試儀還 與所述物理系統(tǒng)輸出連接，所述光電池、所述集成濾光共振泡、所述光譜燈依次設置在所述 物理系統(tǒng)內，所述物理系統(tǒng)輸出還與所述數(shù)字測試儀連接，所述頻率穩(wěn)定度測試儀輸出、所 述數(shù)字測試儀輸出均與PC機連接。
[0007] 進一步地，所述頻率穩(wěn)定度測試儀，用于在Η鐘外參考源的參考下，實現(xiàn)對系統(tǒng)光 譜燈輸出頻率的數(shù)據采集、分析。
[0008] 進一步地，所述數(shù)字測試儀，用于實現(xiàn)對系統(tǒng)光譜燈溫度及光電流的數(shù)據采集。
[0009] 進一步地，所述物理系統(tǒng)包括恒溫裝置、高頻振蕩電路、中性濾光片、透鏡；所述高 頻振蕩電路包括激勵線圈，所述光譜燈設置于所述激勵線圈中，所述光譜燈及所述高頻振 蕩電路設置在所述恒溫裝置內，所述中性濾光片設置在所述光譜燈的發(fā)光光路上，所述透 鏡設置在所述光譜燈的發(fā)光光路上，所述中性濾光片設置在所述透鏡和所述光譜燈之間， 所述集成濾光共振泡設置在透鏡的光路上。
[0010] 進一步地，所述中性濾光片為透明塑料濾光片。
[0011] 進一步地，所述高頻振蕩電路包括第一電容、第二電容、第三電容、第四電容、第一 電阻、第二電阻、第三電阻、激勵線圈組成的第一電感、第二電感、三極管、電源；所述第三電 容一端接地，所述第三電容另一端依次與第一電感、第一電容、第二電阻、第一電阻、電源連 接，所述第二電感一端接地，所述第二電感另一端依次與三極管發(fā)射極、三極管集電極、電 源連接，所述第四電容一端接地，所述第四電容另一端與電源連接，所述第三電阻并聯(lián)在第 二電阻兩端，第二電容并聯(lián)在所述三極管基極、所述三極管發(fā)射極兩端，所述第二電阻一端 還與所述三極管基極連接。
[0012] 進一步地，所述恒溫裝置包括恒溫套及恒溫控制裝置；所述恒溫控制裝置與所述 恒溫套為電連接，所述第三電阻、所述第一電感、所述光譜燈設置在所述恒溫套內。
[0013] 進一步地，所述第三電阻是由PTC材料制成。
[0014] 本實用新型提供的一種頻標穩(wěn)定性優(yōu)化系統(tǒng)，能快速啟動光譜燈、降低功耗，提高 頻標穩(wěn)定性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015] 圖1為本實用新型實施例提供的一種頻標穩(wěn)定性優(yōu)化系統(tǒng)的結構示意圖；
[0016] 圖2為本實用新型實施例提供的一種頻標穩(wěn)定性優(yōu)化系統(tǒng)中物理系統(tǒng)的結構示 意圖。
[0017] 圖3為本實用新型實施例提供的一種頻標穩(wěn)定性優(yōu)化系統(tǒng)中高頻振蕩電路的結 構示意圖。
[0018] 圖4為本實用新型實施例提供的一種頻標穩(wěn)定性優(yōu)化系統(tǒng)中零光強頻移泡溫測 試曲線。
[0019] 其中，1 一物理系統(tǒng)；2-光電池；3-集成濾光共振泡；4 一光譜燈；5-恒溫裝置； 6-激勵線圈；7-中性濾光片；8-透鏡。

【具體實施方式】
[0020] 如圖1、圖2所示，本實用新型提供了一種頻標穩(wěn)定性優(yōu)化系統(tǒng)，包括Η鐘外參考 源、物理系統(tǒng)1、光電池2、集成濾光共振泡3、光譜燈4、頻率穩(wěn)定度測試儀、數(shù)字測試儀、PC 機；
[0021] Η鐘外參考源輸出與頻率穩(wěn)定度測試儀連接，頻率穩(wěn)定度測試儀還與物理系統(tǒng)1 輸出連接，光電池2、集成濾光共振泡3、光譜燈4依次設置在物理系統(tǒng)1內，物理系統(tǒng)1輸 出還與數(shù)字測試儀連接，頻率穩(wěn)定度測試儀輸出、數(shù)字測試儀輸出均與PC機連接。
[0022] 頻率穩(wěn)定度測試儀，用于在Η鐘外參考源的參考下，實現(xiàn)對系統(tǒng)光譜燈4輸出頻率 的數(shù)據采集、分析。本實施例中，頻率穩(wěn)定度測試儀型號為PicoTime。
[0023] 數(shù)字測試儀，用于實現(xiàn)對系統(tǒng)光譜燈4溫度及光電流的數(shù)據采集。本實施例中，數(shù) 字測試儀型號為Agilent34970A。
[0024] 如圖2所示，物理系統(tǒng)1包括恒溫裝置5、高頻振蕩電路、中性濾光片7、透鏡8 ;高 頻振蕩電路包括激勵線圈6，光譜燈4設置于激勵線圈6中，光譜燈4及高頻振蕩電路設置 在恒溫裝置5內，中性濾光片7設置在光譜燈4的發(fā)光光路上，透鏡8設置在光譜燈4的發(fā) 光光路上，中性濾光片7設置在透鏡8和光譜燈4之間，集成濾光共振泡設置在透鏡8的光 路上。
[0025] 為了使銣光譜燈發(fā)出的光衰減到需要的光強。本實施例中，中性濾光片7為透明 塑料濾光片。
[0026] 如圖3所示，高頻振蕩電路包括第一電容、第二電容、第三電容、第四電容、第一電 阻、第二電阻、第三電阻、激勵線圈6組成的第一電感、第二電感、三極管、電源；第三電容一 端接地，第三電容另一端依次與第一電感、第一電容、第二電阻、第一電阻、電源連接，第二 電感一端接地，第二電感另一端依次與三極管發(fā)射極、三極管集電極、電源連接，第四電容 一端接地，第四電容另一端與電源連接，第三電阻并聯(lián)在第二電阻兩端，第二電容并聯(lián)在三 極管基極、三極管發(fā)射極兩端，第二電阻一端還與三極管基極連接。本實施例中，第三電阻 是由PTC材料制成。正溫度系數(shù)PTC第三電阻置于光譜燈4恒溫套上，既用作溫度傳感器， 又用作電流控制執(zhí)行器件，在常溫下第三電阻的電阻值約為20歐姆左右，當光譜燈進入 120度左右的恒溫點后，其電阻值將迅速升至幾十千歐姆。這就使得光譜燈4在起輝階段及 正常工作階段，獲得比較理想的對應的激勵功率。
[0027] 恒溫裝置5包括恒溫套及恒溫控制裝置；恒溫控制裝置與恒溫套為電連接，第三 電阻、第一電感、光譜燈4設置在恒溫套內。
[0028] 光譜燈4處于室溫狀態(tài)，第三電阻很小，三極管基極電流很大，因此三極管激勵電 流Ic很大，光譜燈4可獲得很高的激勵功率，從而快速啟動光譜燈4工作。隨光譜燈4恒 溫區(qū)溫度的不斷上升，第三電阻上升，三極管基極電流迅速減小，從而使激勵電流Ic也迅 速減小，直至120度左右的恒溫點。光譜燈工作頻率為110MHz。
[0029] 1、由于光譜燈4啟動階段，第三電阻很小，lb很大，Ic很大，激勵功率很大，迅速啟 動光譜燈工作。
[0030] 2、光譜燈4到達恒溫點后，第三電阻很大，lb很小，Ic很小，維持譜燈正常工作的 激勵功率很小，降低了功耗。
[0031] 3、由于光譜燈4是正溫度系數(shù)的，隨著溫度上升，第三電阻上升，lb下降，Ic下降， 而一般三極管的Ic為正溫度系數(shù)，隨著溫度上升，Ic上升，二者因溫度效應引起的Ic變化 可以互相補償。采用這一措施保證了三極管的Ic電流不隨外界環(huán)境溫度變化而變化，從而 保證光譜燈4光輸出的穩(wěn)定，有利于改善原子頻標整機輸出頻率信號的穩(wěn)定性。
[0032] 光譜燈4在長期的工作中，由于其工作狀態(tài)的變化，燈泡內部87Rb的消耗等因素， 光強發(fā)生變化，影響頻標的穩(wěn)定性指標。通過實驗，可找到整機輸出頻率對光強不敏感的參 數(shù)點。
[0033] 在實際工作中，為了將光頻移對系統(tǒng)的影響減到最小程度，將光強的選擇與集成 濾光共振泡的溫度選擇結合在一起考慮，選擇適當?shù)呐轀厥构忸l移減到最小。實驗時選擇 不同的光強下，通過改變集成濾光共振泡3的溫度，測量整機頻率的輸出，得到需要的零光 強頻移泡溫。
[0034] 如圖4所示，當集成濾光共振泡3溫度選擇在Til；時整機輸出頻率與譜燈光強I 無關，?；即零光強頻移的泡溫。改變光強所測得的整機頻率曲線不可能完全交于一點，往 往是交于一個小的三角形區(qū)域，因此并不能完全消除光頻移對穩(wěn)定度的影響。在選擇了最 佳的集成濾光共振泡溫度的情況下，光強對頻率的影響可以做到IX 1〇_12/1%，即光強變化 1%，則引起頻率的變化為1Χ1〇_12。當然對于不同的銣鐘系統(tǒng)，光強對頻率的影響程度有所 不同，對于工作在不同狀態(tài)的同一系統(tǒng)也會有所不同。
[0035] 對于大小不同、光譜線型相同的抽運光，腔溫的變化引起的差頻值變化是不一樣 的，70%光強曲線的斜率要比100%光強曲線的斜率小，即對于70%光強，當腔溫變化時引起 的頻移要比100%光強時小。假如光強的選擇再進一步減小(如50%光強，30%光強…），照圖 5中的趨勢，會得到更佳的斜率光強，但考慮到系統(tǒng)的信噪比，不可能選擇很小的光強，此時 需要通過改變集成濾光共振泡3中緩沖氣體的配比以及壓力來獲得零溫度系數(shù)的光強，此 時緩沖氣體的配比為氙：氬=1 :1，壓力為1-1. 5個大氣壓。
[0036] 本實用新型提供的一種頻標穩(wěn)定性優(yōu)化系統(tǒng)，利用PTC材料做成溫度電阻值加入 高頻率振蕩電路的方法，并在光譜燈4發(fā)光后通過中性濾光片7以及透鏡8組合成光譜燈 4的光路，在不改變燈的光譜輪廓前提下，獲得零光強頻移點，改善原子鐘的頻率穩(wěn)定度。
[0037] 最后所應說明的是，以上【具體實施方式】僅用以說明本實用新型的技術方案而非限 制，盡管參照實例對本實用新型進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對 本實用新型的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本實用新型技術方案的精神和范 圍，其均應涵蓋在本實用新型的權利要求范圍當中。
【權利要求】
1. 一種頻標穩(wěn)定性優(yōu)化系統(tǒng)，其特征在于，包括Η鐘外參考源、物理系統(tǒng)、光電池、集成 濾光共振泡、光譜燈、頻率穩(wěn)定度測試儀、數(shù)字測試儀、PC機； 所述Η鐘外參考源輸出與所述頻率穩(wěn)定度測試儀連接，所述頻率穩(wěn)定度測試儀還與所 述物理系統(tǒng)輸出連接，所述光電池、所述集成濾光共振泡、所述光譜燈依次設置在所述物理 系統(tǒng)內，所述物理系統(tǒng)輸出還與所述數(shù)字測試儀連接，所述頻率穩(wěn)定度測試儀輸出、所述數(shù) 字測試儀輸出均與PC機連接。
2. 如權利要求1所述的一種頻標穩(wěn)定性優(yōu)化系統(tǒng)，其特征在于，所述頻率穩(wěn)定度測試 儀，用于在Η鐘外參考源的參考下，實現(xiàn)對系統(tǒng)光譜燈輸出頻率的數(shù)據采集、分析。
3. 如權利要求1所述的一種頻標穩(wěn)定性優(yōu)化系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)字測試儀，用于 實現(xiàn)對系統(tǒng)光譜燈溫度及光電流的數(shù)據采集。
4. 如權利要求1所述的一種頻標穩(wěn)定性優(yōu)化系統(tǒng)，其特征在于，所述物理系統(tǒng)包括恒 溫裝置、高頻振蕩電路、中性濾光片、透鏡；所述高頻振蕩電路包括激勵線圈，所述光譜燈 設置于所述激勵線圈中，所述光譜燈及所述高頻振蕩電路設置在所述恒溫裝置內，所述中 性濾光片設置在所述光譜燈的發(fā)光光路上，所述透鏡設置在所述光譜燈的發(fā)光光路上，所 述中性濾光片設置在所述透鏡和所述光譜燈之間，所述集成濾光共振泡設置在透鏡的光路 上。
5. 如權利要求4所述的一種頻標穩(wěn)定性優(yōu)化系統(tǒng)，其特征在于，所述中性濾光片為透 明塑料濾光片。
6. 如權利要求4所述的一種頻標穩(wěn)定性優(yōu)化系統(tǒng)，其特征在于，所述高頻振蕩電路包 括第一電容、第二電容、第三電容、第四電容、第一電阻、第二電阻、第三電阻、激勵線圈組成 的第一電感、第二電感、三極管、電源；所述第三電容一端接地，所述第三電容另一端依次與 第一電感、第一電容、第二電阻、第一電阻、電源連接，所述第二電感一端接地，所述第二電 感另一端依次與三極管發(fā)射極、三極管集電極、電源連接，所述第四電容一端接地，所述第 四電容另一端與電源連接，所述第三電阻并聯(lián)在第二電阻兩端，第二電容并聯(lián)在所述三極 管基極、所述三極管發(fā)射極兩端，所述第二電阻一端還與所述三極管基極連接。
7. 如權利要求4所述的一種頻標穩(wěn)定性優(yōu)化系統(tǒng)，其特征在于，所述恒溫裝置包括恒 溫套及恒溫控制裝置；所述恒溫控制裝置與所述恒溫套為電連接，所述第三電阻、所述第一 電感、所述光譜燈設置在所述恒溫套內。
8. 如權利要求6所述的一種頻標穩(wěn)定性優(yōu)化系統(tǒng)，其特征在于，所述第三電阻是由PTC 材料制成。
【文檔編號】H05B41/14GK203884060SQ201420193298
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年4月18日 優(yōu)先權日:2014年4月18日
【發(fā)明者】雷海東 申請人:江漢大學