一种铷光谱灯的大功率启动方法及装置

摘要

本发明公开了一种铷光谱灯的大功率启动方法及装置，其步骤：A.通过光电池检测光谱灯发出的到达置于微波腔底部光电池表面的光强；B.微弱的光电流经过光电流流过电阻，产生电压差，得到直流电压；C.光电压通过反相器产生LT信号接入下极三极管的基极，三极管为开关控制大功率电阻的大功率启动。光谱灯激励电路通过激励光谱灯发光，发出的光通过通光孔到达微波腔底部的光电池，光电池产生光电流与后级的光电流-电压转换电路相连产生直流电压信号，直流电压与后级的反相器相连，反相器输出为LT信号。LT信号直接与光谱灯激励电路的大功率控制端相连。方法易行，稳定可靠，易于实现。结构简单，使用方便，此装置反应灵敏，能使光谱灯快速起辉。

权利要求

1.一种铷光谱灯的大功率启动的方法，其步骤是：

A、通过光电池检测光谱灯发出的到达置于微波腔底部光电池表面的光强，光电池产生微弱的光电流接入后级的光+、光-端；

B、微弱的光电流经过采样第二电阻(R5)，在采样第二电阻(R5)上产生电压差，然后经过运放(U1)进行电流-电压转换，将光电流转换为光电压，得到直流电压(DV)；

C、光电压(DV)通过反相器产生信号(LT)接入下极三极管的基极，三极管作为一个开关控制大功率电阻并入灯起辉电路控制灯的大功率启动。

2.一种用于权利要求1所述方法的铷光谱灯的大功率启动装置，它包括光谱灯激励电路(I)，光电流-电压转换电路(II)，反相器(III)，其特征在于：光谱灯激励电路(I)通过激励光谱灯发光，发出的光通过通光孔到达置于微波腔底部的光电池，光电池产生光电流与后级的光电流-电压转换电路(II)相连产生直流电压(DV)信号，直流电压(DV)与后级的反相器(III)相连，反相器(III)输出为信号(LT)，信号(LT)直接与光谱灯激励电路(I)的大功率控制端相连。

3.根据权利要求2所述的一种铷光谱灯的大功率启动装置，其特征在于：所述的光谱灯激励电路(I)包括晶体管Q1、反馈电容(C1)、可调电容(C2)、限流电阻(R1)、发射极电感(L1)、二极管D1，上偏电阻(R2)接电源20V，上偏电阻(R2)另一端和下偏电阻(R3)串联，上偏电阻(R2)与第一电阻(R4)及三极管Q2的串联进行并联，下偏电阻(R3)经二极管D1接地，共同设置晶体管Q1基极偏置点，晶体管Q1的集电极接20V供电，晶体管Q1的发射极接限流电阻(R1)和射极电感(L1)接地，晶体管Q1的基极和发射极之间接反馈电容(C1)，晶体管Q1的基极接激励线圈(L2)和可调电容(C2)接地。

4.根据权利要求2所述的一种铷光谱灯的大功率启动装置，其特征在于：所述的光电流-电压压转换电路(II)包括置于微波腔底部的光电池，运放(U1)，采样第二电阻(R5)，反相器(III)，光电池D2出来的电流信号光+、光-之间串接采样第二电阻(R5)，同时光+端接第三电阻(R6)，光-端接第四电阻(R7)，第四电阻(R7)、第三电阻(R6)另一端分别接运放(U1)的正、负输入端，第四电阻(R7)的另一端接第六接地电阻(R9)到地，第五电阻(R8)接入运放(U1)的负输入端与运放输出之间，运放输出信号(DV)接反相器(III)的输入端，反相器(III)的输出端(LT)接入三极管Q2的基极。

说明书

一种铷光谱灯的大功率启动方法及装置

技术领域

[0001] 本发明涉及时间频率标准领域，更具体涉及一种原子频标铷光谱灯的大功率启动方法，同时还涉及一种原子频标铷光谱灯的大功率启动的装置，尤其适用于原子频率标准。

背景技术

[0002] 铷原子频标虽然在长稳指标上不如铯频标和氢频标，但重量轻、体积小、功耗低等特有优势再加上较适当的频率稳定度及漂移指标使它已足以满足大多数航天、军用及民用的要求。

[0003] 被动型铷原子频标由物理系统及电子线路两大部分组成，其中物理系统包括光谱灯、集成滤光共振泡、微波腔和光电探测器(光电池)、C场、磁屏等组成，电子线路由隔离放大、VCXO、综合、倍频混频、伺服等组成。物理系统提供量子鉴频基准，电子线路提供微波探询信号，电子线路与物理系统构成一个频率锁定环路，用以将压控晶体振荡器VCXO的输出频率锁定在物理系统的量子参考频率上。

[0004] 物理系统是被动型铷原子频率源的核心部件，起到鉴频器的作用，它提供一个频率稳定、线宽较窄的原子共振吸收线，频率源正是通过将压控晶体振荡器的输出频率锁定在物理系统的原子共振吸收峰上而获得稳定的频率输出的。由此可见频标的性能指标主要由物理系统决定。

[0005] 在被动型铷原子频标的物理系统中，抽运光源是一个无极放电的铷光谱灯，作为被动型铷原子频标的关键部件之一，铷光谱灯性能对系统的短期和长期稳定度指标有着直接的影响。从长稳的角度看，主要是光强的稳定性对日漂和日波动的贡献；从短稳的角度看，主要是光本底噪声对信噪比的贡献。灯泡内除了充有金属铷外，还充有激发电位低、化学性质稳定的惰性起辉气体(常用的起辉气体为Kr或Ar)。灯泡放在一个高频振荡线圈中，振荡频率约在100MHz左右，振荡功率一般在1-5W之间，整个灯由高频场激励并维持发光。

[0006] 光谱灯无极放电发光的原理大致如下：高频电场对起辉气体中本来存在的少量离子和电子加速，使其动能增加，从而与起辉气体分子碰撞，产生更多的离子和电子，动能较高的离子或电子与起辉气体分子碰撞就能把起辉气体分子激发到激发态上去。当它回到基态时就可看到起辉气体分子发光。但若这种处在激发态的起辉气体分子与铷原子分子碰撞就可以把激发态能量转移给铷原子，自己无辐射的回到基态，而把铷原子激发到激发态上去。当铷原子从激发态回到基态时就可看到铷原子发光。

[0007] 当激励功率大时，光谱灯容易起辉，但是激励功率越大，灯泡的寿命越短，这是因为激励功率大，灯泡中铷的损耗大。另外，激励功率大，产生的热量多，灯室则不容易被恒温，同时对系统中其它电路的高频干扰也大，不易消除。所以，一般在保证灯稳定工作的条件下，应该用尽可能小的激励功率。另外，为了得到稳定的抽运光，整个灯室包括灯泡和振荡器电路都应该恒温，把温度控制在铷原子稳定发光的温度上。

[0008] 然而，为了入原子钟快速锁定稳定工作，要求铷光谱灯快速起辉并且尽快进入稳定工作区，就需要采用一定措施保证灯泡内的稀有气体原子被快速的激发和电离从而发光。除了选择低起辉电压的稀有气体填充铷泡外，本发明从电路着手使光谱灯快速起辉。

[0009] 目前，铷光谱灯大功率启动的方法一般利用电流反馈的电路来调节射频功率使得光谱灯快速起辉，该方法课参考US.Pat.No.4721890。另外，也有采用在调节射频功率的同时采用开机预热的方式使得光谱灯快速起辉的方法，该方法可参考美国专利US.Pat.No.4456891。

发明内容

[0010] 本发明的目的是在于提供了一种原子频率标准用大功率启动的方法，方法易行，操作简便，原理简单，性能稳定可靠，易于实现。

[0011] 本发明的另一个目的是在于提供了一种原子频率标准用大功率启动的装置，结构简单，使用方便，此装置反应灵敏，能使光谱灯快速起辉。

[0012] 一种铷光谱灯的大功率启动的方法，其步骤是：

[0013] A、通过光电池检测光谱灯发出的到达置于微波腔底部光电池表面的光强，光电池产生微弱的光电流接入后级的光+、光-端。

[0014] B、微弱的光电流经过光电流流过采样电阻R5，在电阻R5上产生电压差，然后经过运放U1进行电流-电压转换，将光电流转换为光电压，得到直流电压DV。

[0015] C、光电压DV通过反相器产生LT信号接入下极三极管的基极，三极管作为一个开关控制是否将大功率电阻并入灯起辉电路从而控制光谱灯的大功率启动。

[0016] 所述的大功率是指通过提高激励线圈L2上的射频电压从而使得射频功率增加。

[0017] 一种原子频率标准用大功率启动的装置，它包括以下两个部分：

[0018] (a)加入大功率启动装置和温度补偿措施的激励电路。

[0019] (b)通过光检测将光电流转换为光电压转换电路。

[0020] 大功率启动装置包括它包括光谱灯激励电路I，光电流-电压转换电路II，反相器III，其连接关系是：光谱灯激励电路I通过激励光谱灯发光，然后发出的光通过通光孔到达置于微波腔底部的光电池，光电池产生光电流与后级的光电流-电压转换电路II相连产生直流电压DV信号。DV与后级的反相器III相连，反相器III输出为LT信号。LT信号直接与光谱灯激励电路I的大功率控制端相连控制光谱灯的大功率启动。

[0021] 本发明所采用的光谱灯激励电路采用的是串联型改进电容三端式电路，又称克拉泼振荡电路，其主要优点是频率稳定度高，其电路连接见图2。激励电路包括晶体管Q1，三极管Q2，反馈电容C1，可调电容C2，限流电阻R1，上偏电阻R2，下偏电阻R3，大功率启动电阻R4，发射极电感L1，激励线圈L2，二极管D1。其连接关系是：上偏电阻R2接电源20V，上偏电阻R2另一端和下偏电阻R3串联，同时上偏电阻R2与用于大功率启动的R4与Q2的串联进行并联，然后电阻R3经二极管D1接地，共同设置晶体管Q1基极偏置点。晶体管Q1的集电极接20V供电，晶体管Q1的发射极接限流电阻R1和射极电感L1接地。晶体管Q1的基极和发射极之间接反馈电容C1。晶体管Q1的基极接激励线圈L2和可调电容C2接地。

[0022] 本发明所采用的光电流-电压转换电路包括置于微波腔底部的光电池，运放U1，电阻R5，电阻R6，电阻R7，电阻R8，电阻R9，反相器III。其连接关系是：光电池D2出来的电流信号光+、光-之间串接采样电阻R5，同时光+端接电阻R6，光-端接电阻R7。电阻R7、电阻R6另一端分别接运放U1的正、负输入端，电阻R7的另一端接R9接地。电阻R8接入运放U1的负输入端与运放输出之间。运放输出信号DV接后级的反相器III的输入端。反相器III的输出端LT接入后级控制大功率启动三极管Q2的基极。

[0023] 此光电池除了探测灯是否起辉以外，还用作光检测，即通过检测Rb87吸收泡的透射光强的变弱来检测磁共振。在被动型铷原子频标光检测和信号传送的光电系统中，光电检测器件的作用是将载有原子共振跃迁信息的光辐射能量变换为电能，并在实现这种变换的过程中完成信息的传递。检测器件是沟通物理系统和电子系统的接口环节，它既是光路元件又是电路元件，有着光学和电子学的双重属性。本发明选用硅光电池作为光电探测器，因其灵敏度在800nm比较好。

[0024] 本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：其结构简单，元器件少，性能稳定可靠，控制反应速度灵敏，能够使得铷光谱灯在短时间内快速起辉。

附图说明

[0025] 图1为一种原子频率标准用大功率启动方法示意图

[0026] 图2为一种原子频率标准用大功率启动装置灯激励电路示意图

[0027] 图3为一种原子频率标准用大功率启动装置光电流-电压转换电路示意图。

具体实施方式

[0028] 实施例1：

[0029] 一种原子频率标准用大功率启动方法，其步骤是：

[0030] A、通过光电池检测光谱灯发出的到达置于微波腔底部光电池表面的光强，光电池产生微弱的光电流接入后级的光+、光-端。

[0031] B、微弱的光电流经过光电流流过采样电阻R5，在电阻R5上产生电压差，然后经过运放U1进行电流-电压转换，将光电流转换为光电压，得到直流电压DV。

[0032] C、光电压DV通过反相器产生LT信号接入下极三极管的基极，三极管作为一个开关控制是否将大功率电阻并入灯起辉电路从而控制灯的大功率启动；

[0033] 下面结合附图对本发明的具体实施作进一步说明：

[0034] 根据图1可知，一种原子频率标准用大功率启动的装置，它包括光谱灯激励电路I，光电流-电压转换电路II，反相器III，其连接关系是：光谱灯激励电路I通过激励光谱灯发光，然后发出的光通过通光孔到达置于微波腔底部的光电池，光电池产生光电流与后级的光电流-电压转换电路II相连产生直流电压DV信号。DV与后级的反相器III相连，反相器III输出为LT信号。LT信号直接与光谱灯激励电路I的大功率控制端相连控制光谱灯的大功率启动。

[0035] 根据图2可知，光谱灯激励电路I包括晶体管Q1，三极管Q2，反馈电容C1，可调电容C2，限流电阻R1，上偏电阻R2，下偏电阻R3，大功率启动电阻R4，发射极电感L1，激励线圈L2，二极管D1。其连接关系是：上偏电阻R2接电源20V，上偏电阻R2另一端和下偏电阻R3串联，同时上偏电阻R2与用于大功率启动的电阻R4与三极管Q2的串联进行并联，然后电阻R3经二极管D1接地，共同设置晶体管Q1基极偏置点。晶体管Q1的集电极接20V供电，晶体管Q1的发射极接限流电阻R1和射极电感L1接地。晶体管Q1的基极和发射极之间接反馈电容C1。晶体管Q1的基极接激励线圈L2和可调电容C2接地。

[0036] 本发明的光谱灯激励电路I中，晶体管Q1采用高频大功率晶体管，其功率最大值为10W，稳定工作时功率在2W左右。基极-射极反馈电容C1选取值为150pF的电容。L2为激励线圈，其电感量由绕制线圈的材料和圈数以及灯泡的电感量共同决定，激励线圈一般采用直径为0.8mm的铜丝绕5圈左右制成，灯泡镶嵌于线圈内部。C2采用高Q值的可调电容或固定电容，其值为1-7pF之间。通过调整激励线圈L2和可调电容C2的值，可以调整整个振荡电路的振荡频率。在通常的条件下光谱灯的激励频率愈高愈有利于Ar气启辉和Rb发光，但对于克拉泼电路而言，振荡频率过高的条件下振荡幅度会下降，反而不利于Ar气启辉和Rb发光，因此存在选取最佳频率的问题，一般使电路工作频率在135MHz左右比较稳定。电阻R2和电阻R3为激励电路的上、下偏电阻，其值分别为2kΩ和200Ω。调整上、下偏电阻的配比可以使晶体管Q1处于不同的工作点。电阻R4的值为3kΩ，用于大功率启动。三极管Q2相当于个一个控制开关，控制灯的大功率启动。由于对于一般的激励电路而言，随着环境温度上升，激励管电流IC增大，导致激励功率增大。本发明中在发射极串入反馈电阻R1，其值为20Ω，构成一个电流负反馈偏置稳电路来稳定激励管电流。同时基极下偏置电路串入了一个二极管D1，由于二极管具有负的温度系数，而晶体管具有正的温度系数，选择合适特性的二极管用于激励电路，能很好的对激励电路进行温度补偿，在设计布板时，使二极管D1和晶体管Q1处于同一个温区，利用晶体管和二极管相关参数的温度特性从而达到温度补偿的效果。

[0037] 根据图3可知，光电流-电压压转换电路II包括置于微波腔底部的光电池，运放U1，电阻R5，电阻R6，电阻R7，电阻R8，电阻R9，反相器III。其连接关系是：光电池D2出来的电流信号光+、光-之间串接采样电阻R5，同时光+端接电阻R6，光-端接电阻R7。电阻R7、电阻R6另一端分别接运放U1的正、负输入端，电阻R7的另一端接电阻R9接地。电阻R8接入运放U1的负输入端与运放输出之间。运放输出信号DV接后级的反相器III的输入端。反相器III的输出端LT接入后级控制大功率启动三极管Q2的基极。

[0038] 本发明中电流-电压转换电路II的具体工作过程为：通过将透过集成滤光共振泡的光照射到光电池上产生的的微弱的光检测光+、光-电流信号经过运放U1进行电流-电压转换，将光电流转换为光电压，得到直流电压DV，这里光电池的输出电流和照射到它上面的光强成正比。直流部分直流电压DV信号作为判断光谱灯是否起辉的依据。直流电压DV经过反相器输出信号LT则作为控制灯大功率起辉的控制信号。如图3所示，光电流的值在40uA-200uA，光电流流过10KΩ采样电阻R5，在电阻R5上产生电压差为0.4V-2V。由运放的虚断特性知，运放输入端没有电流流过，则流过电阻R7和电阻R9的电流相等，流过电阻R6和电阻R8的电流相等。电阻R6与电阻R7的值均为10KΩ，电阻R8与电阻R9的值均为
40KΩ，在运放输出端会产生的直流电压DV的范围为1.6V-8V。然后直流电压DV经过反相器III，输出信号LT与灯激励电路控制端相连。

[0039] 本发明中LT信号控制大功率启动的原理为：如图2所示，LT信号与后级的三极管Q2相连，三极管Q2的作用相当于一个开关。当光谱灯未起辉时，光电池上产生的光电流很小，经过光电流-电压转换电路产生的直流电压DV信号为低电平，经过反相器产生的LT信号为高电平，此时三极管Q2导通，大功率启动开关开启，此时电阻R4相当于与光谱灯激励电路的上偏电阻R2进行并联，晶体管Q1基极的电位升高，流过晶体管Q1基极的电流IB增大，从而使得激励电流IE增加。激励电流IE的增加的主要影响有两点：I.提高了激励线圈L2上的射频电压II.通过射频感应加热使灯泡内凝结的碱金属快速重新分布从而使激励电路负载降低，进一步提升了激励线圈L2上的射频电压。激励线圈L2上的射频电压的升高使得射频功率增加，光谱灯处于大功率启动状态，从而更容易起辉。

[0040] 本发明当光谱灯起辉后，光电池产生的光电流超过一定值后，经过光电流-电压转换电路产生的DV电平超过某一确定电平，经过反相器产生的LT信号变为低电平，此时三极管Q2不导通，晶体管Q1基极电位降低，流过晶体管Q1基极的电流IB减小，激励电流IE减小，光谱灯恢复正常工作时的功率。