用於原子鐘的原子束準直器的製作方法

2023-05-08 02:55:26

本實用新型涉及原子鐘技術領域。更具體地，涉及一種用於原子鐘的原子束準直器。

背景技術：

量子頻率標準(原子鐘)物理部件裡經常用到密封在真空中的原子束，如圖1所示，通常情況下原子束是從一個密閉氣室1』一端開的小孔處逸出來，由於孔足夠小，不會破壞氣室內的氣體平衡；為得到發散角較小，而又有足夠原子束流的原子束，通常採用的方法是在密閉氣室一端設置具有密排多孔結構的準直器2』，進而達到提高原子束的利用效率，減少了散射到真空中的無用原子。

如圖2、圖3、圖4所示，現有準直器2』上的準直孔21』為等徑的圓柱形結構，且準直孔21』內壁光滑並附有彈性，當原子從密閉氣室入射進準直孔21』時，原子的入射角度在各個方向是隨機分布的，且由於準直孔21』為等徑的圓柱形結構的限制，使得無論以何種角度入射的原子經過準直孔21』出射後，其出射角度並有改變，即原子入射角度θ1'等於原子出射角度θ2'，在實際使用中，真正有用的是近似平行於準直孔中心發射出來的具有很小出射角的原子，而具有較大入射角和出射角的原子不能被有效利用，進而導致該部分原子進入真空中成為本底雜散原子，所以採用現有結構準直器所得到的有用原子數比較少。

因此，需要提供一種新的用於原子鐘的原子束準直器，用來克服現有原子束準直器所存在的缺陷。

技術實現要素：

本實用新型要解決的技術問題是提供一種用於原子鐘的原子束準直器。所述準直器通過改進準直器上準直孔的原子入射埠結構、準直孔的原子出射埠結構以及準直孔孔徑結構，使得當該準直器在具有一個本體單元時，入射角大的原子，經過準直孔內壁一次或者多次反射，最終出射的原子，出射角變小，進而變成可以利用的原子，從而有效增加了出射原子束中可被利用的部分。同時當該準直器具有多個本體單元時，除了部分入射角大的原子，變成可以利用的原子之外，部分入射角更大的原子，在打到相鄰兩個本體單元的連接部位時，會被反射，重新從準直孔的原子入射埠回到密閉氣室內，並被重新利用，進而避免成為雜散原子。

為解決上述技術問題，本實用新型採用下述技術方案：

一種用於原子鐘的原子束準直器，所述準直器包括至少一個本體單元，在所述本體單元上沿本體單元的軸向設有若干準直孔，所述準直孔一端原子入射埠的孔徑小於該準直孔另一端原子出射埠的孔徑。

進一步的，所述準直孔的長度大於或等於20倍準直孔原子出射埠孔徑。

進一步的，所述準直器包括沿準直器軸向方向連接固定的第一本體單元和第二本體單元；所述第一本體單元的準直孔與所述第二本體單元的準直孔一一對應，且同軸設置；

所述第二本體單元上準直孔的原子入射埠匹配對應設置在第一本體單元上準直孔的原子出射埠處。

進一步的，所述準直孔的孔徑為漸變孔徑。

進一步的，沿所述準直孔的原子入射埠至準直孔的原子出射埠方向，所述準直孔的孔腔呈漸變外擴結構。

進一步的，所述準直孔的內壁面呈錐面結構。

進一步的，所述準直孔的原子入射埠和原子出射埠均為圓形結構。

本實用新型所提供的用於原子鐘的原子束準直器，通過將準直孔的原子入射埠設置為小口徑，將準直孔的原子出射埠設置為大口徑，並將準直孔孔腔設置為沿所述準直孔的原子入射埠至準直孔的原子出射埠方向漸變外擴結構，使得當該準直器在具有一個本體單元時，原子從密閉氣室入射進準直孔後，入射角大的原子在打到準直孔內壁後會進行反射，由於準直孔內壁相對準直孔中心軸線是斜的，入射角大的原子在反射後的角度會相對準直孔中心軸線變小，這樣，入射角大的原子經過準直孔內壁一次或者多次反射，最終出射的原子，出射角變小，進而變成可以利用的原子，從而有效增加了出射原子束中可被利用的部分。

同時在本實用新型中，當採用多個本體單元的組合作為準直器使用時，除了部分入射角大的原子，在經過多個本體單元的準直孔內壁一次或者多次反射，變成可以利用的原子之外，部分入射角更大的原子，在打到相鄰兩個本體單元的連接部位時，會被反射，重新從準直孔的原子入射埠回到密閉氣室內，並被重新利用，進而避免成為雜散原子。

附圖說明

下面結合附圖對本實用新型的具體實施方式作進一步詳細的說明。

圖1示出現有技術中安裝有原子束準直器的原子氣室示意圖。

圖2示出現有技術中原子束準直器的立體結構示意圖。

圖3示出現有技術中原子束準直器的立體結構剖視圖。

圖4示出現有技術中入射角大的原子在原子束準直器準直孔內的運動軌跡示意圖。

圖5示出本實用新型第一實施例所提供的原子束準直器的立體結構剖視圖。

圖6示出原子在本實用新型第一實施例所提供的原子束準直器準直孔內的運動軌跡示意圖。

圖7示出本實用新型第二實施例所提供的原子束準直器的立體結構圖。

圖8示出本實用新型第二實施例所提供的原子束準直器的立體結構剖視圖。

圖9示出原子在本實用新型第二實施例所提供的原子束準直器準直孔內的運動軌跡示意圖。

具體實施方式

為了更清楚地說明本實用新型，下面結合優選實施例和附圖對本實用新型做進一步的說明。附圖中相似的部件以相同的附圖標記進行表示。本領域技術人員應當理解，下面所具體描述的內容是說明性的而非限制性的，不應以此限制本實用新型的保護範圍。

實施例1：

如圖5、6所示，本實施例提供一種用於原子鐘的原子束準直器，所述準直器包括一個本體單元1，在所述本體單元1上沿本體單元1的軸向設有若干準直孔11，若干準直孔11可以以長方形、正方形、圓形等各種形狀的陣列形式排布於所述本體單元1上，所述準直孔11一端原子入射埠111的孔徑小於該準直孔11另一端原子出射埠112的孔徑，優選的，所述準直孔11的長度大於或等於20倍準直孔11原子出射埠112孔徑，且所述準直孔11的原子入射埠111和原子出射埠112均採用圓形結構。

進一步的，所述準直孔11的孔徑為漸變孔徑，優選的，沿所述準直孔11的原子入射埠111至準直孔11的原子出射埠112方向，所述準直孔11的孔腔呈漸變外擴結構，且該準直孔11的內壁面呈錐面結構。

如圖6所示，本實用新型第一實施例所提供的用於原子鐘的原子束準直器，通過將準直孔11的原子入射埠111設置為小口徑，將準直孔11的原子出射埠112設置為大口徑，並將準直孔11孔徑設置為沿所述準直孔11的原子入射埠111至準直孔11的原子出射埠112方向漸變外擴結構，使得原子從密閉氣室入射進準直孔11後，參照圖6中原子運行的K1路線軌跡所示，入射角小的原子(即近似平行於準直孔11中心軸線入射的具有很小入射角的原子)可經過準直孔11直接從原子出射埠112射出，進而成為原子束中可被利用的部分。

參照圖6中原子運行的K2路線軌跡所示，當相對於準直孔11中心軸線入射的具有大入射角的原子，在打到準直孔11內壁後會進行多次反射，由於準直孔11內壁相對準直孔11中心軸線是斜的，入射角大的原子在反射後的角度會相對準直孔11中心軸線變小，這樣，入射角大的原子經過準直孔11內壁多次反射，最終出射的原子，出射角變小，進而變成可以利用的原子，從而有效增加了出射原子束中可被利用的部分。

實施例2：

如圖7、8、9所示，本實施例所提供一種用於原子鐘的原子束準直器，該原子束準直器包括沿準直器軸向方向連接固定的兩個本體單元，即第一本體單元2和第二本體單元3；

所述第一本體單元2上沿第一本體單元2的軸向設有若干準直孔21，若干準直孔21以長方形的陣列形式排布於所述第一本體單元2上，所述準直孔21一端原子入射埠211的孔徑小於該準直孔21另一端原子出射埠212的孔徑，優選的，所述準直孔21的長度大於或等於20倍準直孔21原子出射埠212孔徑，且所述準直孔21的原子入射埠211和原子出射埠212均採用圓形結構。

進一步的，所述準直孔21的孔徑為漸變孔徑，優選的，沿所述準直孔21的原子入射埠211至準直孔21的原子出射埠212方向，所述準直孔21的孔腔呈漸變外擴結構，且該準直孔21的內壁面呈錐面結構。

本實施例中，所述第二本體單元3與所述第一本體單元2結構相同，所述第二本體單元3上沿第二本體單元3的軸向設有若干準直孔31，若干準直孔31以長方形的陣列形式排布於所述第二本體單元3上，所述準直孔31一端原子入射埠311的孔徑小於該準直孔31另一端原子出射埠312的孔徑，優選的，所述準直孔31的長度大於或等於20倍準直孔31原子出射埠312孔徑，且所述準直孔31的原子入射埠311和原子出射埠312均採用圓形結構。

進一步的，所述準直孔31的孔徑為漸變孔徑，優選的，沿所述準直孔31的原子入射埠311至準直孔31的原子出射埠312方向，所述準直孔31的孔腔呈漸變外擴結構，且該準直孔31的內壁面呈錐面結構。

進一步的，所述第一本體單元2的準直孔21與所述第二本體單元3的準直孔31一一對應，且同軸設置；所述第二本體單元3上準直孔31的原子入射埠311匹配對應設置在第一本體單元2上準直孔21的原子出射埠212處。

如圖9所示，本實用新型第二實施例所提供的用於原子鐘的原子束準直器，當原子從密閉氣室入射進第一本體單元2準直孔21及第二本體單元3準直孔31後，參照圖9中原子運行的K3路線軌跡所示，入射角小的原子(即近似平行於第一本體單元2準直孔21中心軸線入射的具有很小入射角的原子)從第一本體單元2的原子入射埠211射入準直器，經過第一本體單元2準直孔21及第二本體單元3準直孔31後，可直接從第二本體單元3的原子出射埠312射出，成為原子束中可被利用的部分。

參照圖9中原子運行的K4路線軌跡所示，當相對於第一本體單元2準直孔21中心軸線入射的具有大入射角的原子，在打到第一本體單元2準直孔21內壁後，會進行反射，入射角大的原子在經過多次反射後的角度會相對準直孔中心軸線變小，即，入射角大的原子經過第一本體單元2準直孔21內壁及第二本體單元3準直孔31內壁的多次反射後，最終出射的原子，出射角變小，進而變成可以利用的原子，從而有效增加了出射原子束中可被利用的部分。

同時參照圖9中原子運行的K5路線軌跡所示，當採用兩個本體單元(即第一本體單元2和第二本體單元3)的組合作為準直器整體使用時，除了部分入射角大的原子，在經過兩個本體單元的準直孔內壁多次反射，變成可以利用的原子之外，部分入射角更大的原子，在打到相鄰兩個本體單元的連接部位時(即第一本體單元2的原子出射埠212和第二本體單元3的原子入射埠311的連接處)，會被第二本體單元3的原子入射埠311端面3111反射，重新從第一本體單元2的原子入射埠211回到密閉氣室內，並被重新利用，進而避免成為雜散原子。

顯然，本實用新型的上述實施例僅僅是為清楚地說明本實用新型所作的舉例，而並非是對本實用新型的實施方式的限定，對於所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動，這裡無法對所有的實施方式予以窮舉，凡是屬於本實用新型的技術方案所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處於本實用新型的保護範圍之列。