CN113075874B - 一种改善原子光晶格钟黑体辐射频移不确定度的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改善原子光晶格钟黑体辐射频移不确定度的装置。包括黑体辐射屏蔽腔，黑体辐射屏蔽腔包括环形腔体，上腔盖，下腔盖，原子束进出的通道口：入口通道，出口通道，光学通道使用的第一平窗片～第八平窗片，细束腰光束从第一圆铜板入射，经第二圆铜板出射，细束腰光束从第三圆铜板入射，经第四圆铜板出射，本发明能够在在室温下，给原子提供一个温度均匀稳定的热辐射环境，改善原子光晶格钟黑体辐射频移不确定度的同时，维持了实验***的极高真空度，未带入额外的静电场或者静磁场，从而使得原子光晶格钟具有极高的精度，在高精度原子钟领域具有重要的应用前景。

Description

一种改善原子光晶格钟黑体辐射频移不确定度的装置

技术领域

本发明涉及原子频标领域，具体涉及一种改善原子光晶格钟黑体辐射频移不确定度的装置。适用于热辐射分析、精密测量、原子频标等领域。

背景技术

目前，原子光晶格钟的稳定度和不确定度都已经进入了10^(-18)量级，性能远超作为一级频率标准的铯原子喷泉钟，有望在2026年用于重新进行“秒”定义。而黑体辐射频移是制约原子光晶格钟不确定度的一个重要因素。所以改善黑体辐射频移引起的不确定度对于原子光晶格钟具有重要的意义。

原子光晶格钟黑体辐射频移是由原子周围的热辐射场引起的，与辐射场的温度以及温度梯度有关。为了评估热辐射场对光钟的影响，科学家们曾提出将整个光钟***放置在极低温环境，从而将黑体辐射频移抑制到极低的水平，但是这种方法成本极大。后来又提出了在室温条件下，精确控制实验装置的环境温度以改善光钟的黑体辐射频移。在室温情况下，精确控制实验装置的环境温度从而改善光钟黑体辐射频移的实施方案，但如何制作一个适应于高真空环境的热辐射屏蔽腔，存在很多技术和材料的限制。

本发明提出一种全新的黑体屏蔽腔制作的技术方案，用来改善原子光晶格钟的黑体辐射频移不确定度，从而得到更高准确度的光钟。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的壁垒，提供了一种改善原子光晶格钟黑体辐射频移不确定度的装置。该装置采用内嵌黑体辐射屏蔽腔的方案，黑体辐射屏蔽腔内壁涂有极低放气率高热辐射系数导电涂层，可以满足光钟E-9Pa量级的高真空要求。

本发明的上述目的通过以下技术手段实现：

一种改善原子光晶格钟黑体辐射频移不确定度的装置，包括环形腔体，所述的环形腔体的周向设置有第三圆铜板、第四圆铜板、入口通道、出口通道、第一平窗片、第四平窗片、第二平窗片、第五平窗片、第一圆铜板、第二圆铜板、第三平窗片、第六平窗片，

第三圆铜板和第四圆铜板的中心的连线过环形腔体的中心，第三圆铜板和第四圆铜板上开设有圆铜板偏心孔，第三圆铜板和第四圆铜板上的圆铜板偏心孔的连线过环形腔体的中心，

入口通道和出口通道的中心连线过环形腔体的中心且垂直于第三圆铜板和第四圆铜板的中心的连线，

第一平窗片和第四平窗片的中心连线、第二平窗片和第五平窗片的中心连线、以及第三平窗片和第六平窗片的中心连线均过环形腔体的中心；

第一圆铜板和第二圆铜板的中心开设有圆铜板中心孔，第一圆铜板和第二圆铜板的圆铜板中心孔的连线过环形腔体的中心，

环形腔体的顶部设置有上腔盖，上腔盖上设置有第八平窗片，环形腔体的底部设置有下腔盖，下腔盖上设置有第七平窗片，第七平窗片和第八平窗片的中心的连线过环形腔体的中心。

如上所述的入口通道、出口通道、第一平窗片、第二平窗片、第三平窗片、第四平窗片、第五平窗片、第六平窗片、第一圆铜板、第二圆铜板、第三圆铜板、第四圆铜板分别通过对应的侧部铜压片按压在环形腔体上，侧部铜压片通过固定螺钉固定在环形腔体上，第七平窗片通过底部铜压片按压在下腔盖上，底部铜压片通过固定螺钉固定在环形腔体上，第八平窗片通过顶部铜压片按压在上腔盖上，顶部铜压片通过固定螺钉固定在环形腔体上。

一种改善原子光晶格钟黑体辐射频移不确定度的装置，还包括下陶瓷片和上陶瓷片，下陶瓷片压设在下腔盖的下表面，固定螺钉依次穿过下陶瓷片和下腔盖固定在环形腔体上，上陶瓷片压设在上腔盖的上表面，固定螺钉依次穿过上陶瓷片和上腔盖固定在环形腔体上，下陶瓷片和上陶瓷片上开设有加热丝穿孔。

如上所述的固定螺钉为钛金属，固定螺钉的螺帽至螺尖开有螺钉通孔，环形腔体上与固定螺钉适配连接的螺丝孔为盲孔。

如上所述的环形腔体、上腔盖、下腔盖、入口通道、出口通道、第一圆铜板、第二圆铜板、第三圆铜板和第四圆铜板的材料为无氧铜，且内表面都涂有热辐射系数高于0.96的导电涂层，第一平窗片～第八平窗片内表面镀有ITO导电薄膜。

如上所述的导电涂层为纯度99.9％的石墨粉与有机硅树脂胶按照1：2的质量比充分搅拌混合而成。

如上所述的第一平窗片～第八平窗片截止波长大于2.8μm远红外波段透射。

如上所述的底部铜压片、顶部铜压片、上腔盖、下腔盖、以及环形腔***于同一径向方向开设有缝。

本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

在室温下，给原子提供一个温度均匀稳定的热辐射环境，改善原子光晶格钟黑体辐射频移不确定度的同时，维持了实验***的极高真空度，未带入额外的静电场或者静磁场，从而使得原子光晶格钟具有极高的精度，在高精度原子钟领域具有重要的应用前景。

附图说明

图1是本发明装配后的结构示意图；

图2是本发明的拆解图。

图中：1-环形腔体；201-上腔盖；202-下腔盖；301-入口通道；302-出口通道；401～408分别为第一平窗片～第八平窗片；501-第一圆铜板；502-第二圆铜板；601-第三圆铜板；602-第四圆铜板；7-侧部铜压片；801-底部铜压片；802-顶部铜压片；901-下陶瓷片；902-上陶瓷片；10-固定螺钉。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

一种改善原子光晶格钟黑体辐射频移不确定度的装置。包括黑体辐射屏蔽腔，黑体辐射屏蔽腔包括环形腔体1，上腔盖201，下腔盖202，原子束进出的通道口：入口通道301，出口通道302，光学通道使用的第一平窗片～第八平窗片401～408，细束腰光束从第一圆铜板501入射，经第二圆铜板502出射，细束腰光束从第三圆铜板601入射，经第四圆铜板602出射，第一平窗片401～第六平窗片406、第一圆铜板～第四圆铜板、入口通道和出口通道分别通过对应的侧部铜压片7按压在环形腔体1，侧部铜压片7通过固定螺钉10固定在环形腔体1上，第七平窗片407通过底部铜压片801按压在下腔盖202上，底部铜压片801通过固定螺钉10固定在环形腔体1上，第八平窗片408通过顶部铜压片802按压在上腔盖201上，顶部铜压片802通过固定螺钉10固定在环形腔体1上，还包括加热黑体辐射屏蔽腔腔体使用的下陶瓷片901和上陶瓷片902，以及固定铜压片、下陶瓷片901、上陶瓷片902使用的固定螺钉10。

第一圆铜板501和第二圆铜板502的中心开设有圆铜板中心孔，第一圆铜板501和第二圆铜板502的圆铜板中心孔的连线过环形腔体1的中心，

第三圆铜板601和第四圆铜板602的中心的连线过环形腔体1的中心，第三圆铜板601和第四圆铜板602上开设有圆铜板偏心孔，第三圆铜板601和第四圆铜板602上的圆铜板偏心孔的连线过环形腔体1的中心，

第一平窗片401和第四平窗片404的中心连线、第二平窗片402和第五平窗片405的中心连线、以及第三平窗片403和第六平窗片406的中心连线均过环形腔体1的中心；

入口通道301和出口通道302的中心连线过环形腔体1的中心且垂直于第三圆铜板601和第四圆铜板602的中心的连线，

环形腔体1的顶部设置有上腔盖201，上腔盖201上设置有第八平窗片408，环形腔体1的底部设置有下腔盖202，下腔盖202上设置有第七平窗片407，第七平窗片407和第八平窗片408的中心的连线过环形腔体1的中心。

下陶瓷片901压设在下腔盖202的下表面，固定螺钉10依次穿过下陶瓷片901和下腔盖202固定在环形腔体1上，上陶瓷片902压设在上腔盖201的上表面，固定螺钉依次穿过上陶瓷片902和上腔盖(201固定在环形腔体1上，下陶瓷片901)和上陶瓷片902上开设有加热丝穿孔。

环形腔体1，上腔盖201，下腔盖202，入口通道301，出口通道302，第一圆铜板501，第二圆铜板502，第三圆铜板601和第四圆铜板602的材料为无氧铜，所有内表面都涂有一层极低放气率高热辐射系数的导电涂层。导电涂层由纳米级纯度为99.9％的石墨粉与有机硅树脂胶按照1：2的质量比充分搅拌混合而成。导电涂层的热辐射系数高于0.96，涂层厚度140μm时表面电阻仅为50Ω，可适用于1.3E-9Pa的真空环境。

黑体辐射屏蔽腔的内壁形成一个导电的屏蔽层，避免了原子附近的静电场对原子光晶格钟的直流斯塔克频移影响。同时屏蔽腔的主要材料是导热系数为380W/m K的无氧铜，内壁是一层热辐射系数高于0.96的涂层，而且通光所用的平窗片(401-408)截止了波长大于2.8μm远红外波段的透射。因此，黑体辐射屏蔽腔内部的原子几乎是处于一个近似密闭的接近理想黑体辐射的热辐射环境中。

第一平窗片～第八平窗片401～408的材料是硼硅玻璃，厚度为6mm，硼硅玻璃材料可截止波长大于2.8μm的远红外波段的透射。第一平窗片～第八平窗片401～408内表面镀有ITO导电薄膜，可避免窗片内表面的电荷积累。

第一圆铜板501和第二圆铜板502中心开有直径4mm的圆铜板中心孔，第三圆铜板601和第四圆铜板602偏离中心2mm位置开有直径6mm的圆铜板偏心孔。第三圆铜板601和第四圆铜板602上的圆铜板偏心孔的连线过环形腔体1的中心且位于环形腔体1的横截中心面，环形腔体1的横截中心面为垂直于环形腔体1的中轴线的平面，且环形腔体1的中心位于横截中心面上。圆铜板的材料为无氧铜，厚度均为6mm。

环形腔体1，上腔盖201，下腔盖202，入口通道301，出口通道302，第一圆铜板501，第二圆铜板502，第三圆铜板601，第四圆铜板602，侧部铜压片7，底部铜压片801，顶部铜压片802经浓度3％的稀盐酸清洗之后，用蒸馏水冲洗，然后放在丙酮里用超声清洗，最后取出晾干。环形腔体1，上腔盖201，下腔盖202，入口通道301，出口通道302，第一圆铜板501，第二圆铜板502，第三圆铜板601，第四圆铜板602的内表面涂上一层极低放气率高热辐射系数的导电涂层。

入口通道301和出口通道302放置在环形腔体1水平方向的一对位置上，作为原子束的进出通道。第三圆铜板601和第四圆铜板602放置在环形腔体1水平方向的另外一对位置上，与原子束进出方向垂直，并且第三圆铜板601和第四圆铜板602上的圆铜板偏心孔的连线通过环形腔体1的中心。第一圆铜板501和第二圆铜板502放置在环形腔体1水平方向的另外一对位置上，在第三圆铜板601和第四圆铜板602的旁边，第一圆铜板501和第二圆铜板502的圆铜板中心孔的直线也通过环形腔体1的中心。环形腔体1水平方向的另外三对通光孔分别放置第一平窗片～第六平窗片401～406。

入口通道301、出口通道302、第一平窗片401、第二平窗片402、第三平窗片403、第四平窗片404、第五平窗片405、第六平窗片406、第一圆铜板501、第二圆铜板502、第三圆铜板601、第四圆铜板602分别通过对应的侧部铜压片7按压在环形腔体1上，侧部铜压片7通过固定螺钉10固定在环形腔体1上，第七平窗片407通过底部铜压片801按压在下腔盖202上，底部铜压片801通过固定螺钉10固定在环形腔体1上，第八平窗片408通过顶部铜压片802按压在上腔盖201上，顶部铜压片802通过固定螺钉10固定在环形腔体1上。

上腔盖201和下腔盖202分别放置在环形腔体1的上面和下面，第七平窗片407和第八平窗片408分别放置在下腔盖202和上腔盖201表面的中心，第七平窗片407由底部铜压片801按压并由对应的固定螺钉固定在下腔盖202，第八平窗片408由顶部铜压片802按压并由对应的固定螺钉固定于上腔盖201。底部铜压片801、顶部铜压片802、上腔盖201、下腔盖202、以及环形腔体1位于同一径向方向开设有细缝，细缝的宽度为0.2mm，避免环境磁场变化在黑体辐射屏蔽腔内产生涡流，同时保证了黑体辐射屏蔽腔的整体性，提高了腔体周围温度的均匀性。

下陶瓷片901压设在下腔盖202的下表面，固定螺钉依次穿过下陶瓷片901和下腔盖202固定在环形腔体1上，上陶瓷片902压设在上腔盖201的上表面，固定螺钉依次穿过上陶瓷片902和上腔盖201固定在环形腔体1上。

下陶瓷片901和上陶瓷片902的材料是氮化硼，导热系数为33W/m K，膨胀系数低。下陶瓷片901和上陶瓷片902开设有径向开有加热丝穿孔，可供细加热丝穿过，通过给加热丝供电，整个屏蔽腔可用以分析不同温度下的黑体辐射频移效果。

固定螺钉的材料是四等级的钛金属，固定螺钉的螺帽至螺尖的中心开有1.2mm的螺钉通孔，制备真空时可通过螺钉通孔排除螺丝孔中的残存气体。环形腔体上与固定螺钉适配连接的螺丝孔为盲孔，深度都是特定的，不会内外连通。为避免丝孔内残留有空气影响真空，所以固定螺钉都是中间开有通孔的真空放气螺钉。

本发明应用于真空度为1.3E-9Pa的镱原子光晶格钟物理***，可以完全满足超高真空的环境要求，可在室温环境下用于改善光钟的黑体辐射频移引起的不确定度。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或者采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (8)

1.一种改善原子光晶格钟黑体辐射频移不确定度的装置，包括环形腔体(1)，其特征在于，所述的环形腔体(1)的周向设置有第三圆铜板(601)、第四圆铜板(602)、入口通道(301)、出口通道(302)、第一平窗片(401)、第四平窗片(404)、第二平窗片(402)、第五平窗片(405)、第一圆铜板(501)、第二圆铜板(502)、第三平窗片(403)、第六平窗片(406)，

第三圆铜板(601)和第四圆铜板(602)的中心的连线过环形腔体(1)的中心，第三圆铜板(601)和第四圆铜板(602)上开设有圆铜板偏心孔，第三圆铜板(601)和第四圆铜板(602)上的圆铜板偏心孔的连线过环形腔体(1)的中心，

入口通道(301)和出口通道(302)的中心连线过环形腔体(1)的中心且垂直于第三圆铜板(601)和第四圆铜板(602)的中心的连线，

第一平窗片(401)和第四平窗片(404)的中心连线、第二平窗片(402)和第五平窗片(405)的中心连线、以及第三平窗片(403)和第六平窗片(406)的中心连线均过环形腔体(1)的中心；

第一圆铜板(501)和第二圆铜板(502)的中心开设有圆铜板中心孔，第一圆铜板(501)和第二圆铜板(502)的圆铜板中心孔的连线过环形腔体(1)的中心，

环形腔体(1)的顶部设置有上腔盖(201)，上腔盖(201)上设置有第八平窗片(408)，环形腔体(1)的底部设置有下腔盖(202)，下腔盖(202)上设置有第七平窗片(407)，第七平窗片(407)和第八平窗片(408)的中心的连线过环形腔体(1)的中心。

2.根据权利要求1所述的一种改善原子光晶格钟黑体辐射频移不确定度的装置，其特征在于，所述的入口通道(301)、出口通道(302)、第一平窗片(401)、第二平窗片(402)、第三平窗片(403)、第四平窗片(404)、第五平窗片(405)、第六平窗片(406)、第一圆铜板(501)、第二圆铜板(502)、第三圆铜板(601)、第四圆铜板(602)分别通过对应的侧部铜压片(7)按压在环形腔体(1)上，侧部铜压片(7)通过固定螺钉(10)固定在环形腔体(1)上，第七平窗片(407)通过底部铜压片(801)按压在下腔盖(202)上，底部铜压片(801)通过固定螺钉(10)固定在环形腔体(1)上，第八平窗片(408)通过顶部铜压片(802)按压在上腔盖(201)上，顶部铜压片(802)通过固定螺钉(10)固定在环形腔体(1)上。

3.根据权利要求2所述的一种改善原子光晶格钟黑体辐射频移不确定度的装置，其特征在于，还包括下陶瓷片(901)和上陶瓷片(902)，下陶瓷片(901)压设在下腔盖(202)的下表面，固定螺钉(10)依次穿过下陶瓷片(901)和下腔盖(202)固定在环形腔体(1)上，上陶瓷片(902)压设在上腔盖(201)的上表面，固定螺钉依次穿过上陶瓷片(902)和上腔盖(201)固定在环形腔体(1)上，下陶瓷片(901)和上陶瓷片(902)上开设有加热丝穿孔。

4.根据权利要求3所述的一种改善原子光晶格钟黑体辐射频移不确定度的装置，其特征在于，所述的固定螺钉(10)为钛金属，固定螺钉(10)的螺帽至螺尖开有螺钉通孔，环形腔体(1)上与固定螺钉(10)适配连接的螺丝孔为盲孔。

5.根据权利要求3所述的一种改善原子光晶格钟黑体辐射频移不确定度的装置，其特征在于，所述的环形腔体(1)、上腔盖(201)、下腔盖(202)、入口通道(301)、出口通道(302)、第一圆铜板(501)、第二圆铜板(502)、第三圆铜板(601)和第四圆铜板(602)的材料为无氧铜，且内表面都涂有热辐射系数高于0.96的导电涂层，第一平窗片(401)～第八平窗片(408)内表面镀有ITO导电薄膜。

6.根据权利要求5所述的一种改善原子光晶格钟黑体辐射频移不确定度的装置，其特征在于，所述的导电涂层为纯度99.9％的石墨粉与有机硅树脂胶按照1：2的质量比充分搅拌混合而成。

7.根据权利要求1所述的一种改善原子光晶格钟黑体辐射频移不确定度的装置，其特征在于，所述的第一平窗片(401)～第八平窗片(408)截止波长大于2.8μm远红外波段透射。

8.根据权利要求2所述的一种改善原子光晶格钟黑体辐射频移不确定度的装置，其特征在于，所述的底部铜压片(801)、顶部铜压片(802)、上腔盖(201)、下腔盖(202)、以及环形腔体(1)位于同一径向方向开设有缝。

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