用于小型化铷原子频标的开放式一体化小型铷光谱灯

摘要

本发明公开了用于小型化铷原子频标的开放式一体化小型铷光谱灯，包括灯泡和灯头，灯头内设置有线圈骨架安装通孔，线圈骨架安装通孔的内端设置有锥形卡座，线圈骨架安装通孔内设置有线圈骨架，线圈骨架的外壁与线圈骨架安装通孔的内壁贴合，线圈骨架的内壁设置有内螺纹，线圈骨架内壁的内螺纹嵌设有振荡线圈，灯泡泡尾开设在锥形卡座内，振荡线圈与激励PCB板电性连接，灯头与隔热垫片固定，线圈骨架安装通孔的外端设置有蓝宝石玻璃片，灯头上设置有加热管，灯头上设置有感温元件。本发明可以满足小体积、低工作温度、高可靠性的设计要求。具有调试简单、工艺一致性好、便于批量生产的优点，可用于小型化铷频标的大、中批量生产。

权利要求

1.用于小型化铷原子频标的开放式一体化小型铷光谱灯，包括灯泡（1），其特征在于，还包括灯头（2），灯头（2）内设置有线圈骨架安装通孔（14），线圈骨架安装通孔（14）的内端设置有锥形卡座，线圈骨架安装通孔（14）的孔壁开设有第一出线缝（15），线圈骨架安装通孔（14）内设置有线圈骨架（4），线圈骨架（4）为圆筒形，线圈骨架（4）的侧壁开设有与第一出线缝（15）位置对应的第二出线缝（16），线圈骨架（4）的外壁与线圈骨架安装通孔（14）的内壁贴合，线圈骨架（4）的内壁设置有内螺纹，线圈骨架（4）内壁的内螺纹嵌设有振荡线圈（3），灯泡（1）包括灯泡本体以及与灯泡本体一体化设置的灯泡泡尾，灯泡泡尾开设在锥形卡座内，灯泡泡尾与锥形卡座之间涂设有硅胶，灯泡本体位于线圈骨架（4）中，振荡线圈（3）的两端分别与两根线圈引线（12）一端连接，两根线圈引线（12）的另一端依次贯穿第二出线缝（16）和第一出线缝（15）与激励PCB板（6）电性连接，激励PCB板（6）固定在灯座（7）上，灯头（2）与隔热垫片（8）固定，线圈骨架安装通孔（14）的外端设置有蓝宝石玻璃片（9），隔热垫片（8）与灯座侧立板（17）连接，灯座侧立板（17）的底部与灯座（7）一体化连接，灯头（2）上设置有加热管（10），灯头（2）上开设有感温元件安装孔（13），感温元件安装孔（13）内设置有感温元件，灯泡与振荡线圈分离。

2.根据权利要求1所述的用于小型化铷原子频标的开放式一体化小型铷光谱灯，其特征在于，所述的激励PCB板（6）上设置有激励电路，激励电路包括振荡管（5）、第一电阻（R1）、第二电阻（R2）、第三电阻（R3）、第一电感（L1）、第二电感（L2）、第一电容（C1）、第二电容（C2）、第三电容（C3）、第四电容（C4）、第五电容（C5）、和二极管（D1），振荡管（5）的集电极分别与第四电容（C4）一端、第五电容（C5）一端、第一电阻（R1）一端以及电源VCC连接，第四电容（C4）另一端和第五电容（C5）另一端与电气地连接；

振荡管（5）的基极与第二电容（C2）一端、第三电容（C3）一端、第二电感（L2）一端连接，第二电容（C2）另一端分别与振荡管（5）的发射极、第三电阻（R3）一端连接，第三电阻（R3）另一端通过第一电感（L1）与电气地连接，第三电容（C3）另一端通过振荡线圈（3）与电气地连接，第二电感（L2）另一端与第一电阻（R1）另一端、第二电阻（R2）一端和第一电容（C1）一端连接，第一电容（C1）另一端与电气地连接，第二电阻（R2）另一端与二极管（D1）的阳极连接，二极管（D1）的阴极与电气地连接，第三电容（C3）为可调电容。

说明书

用于小型化铷原子频标的开放式一体化小型铷光谱灯

技术领域

[0001] 本发明属于铷光谱灯领域，更具体涉及用于小型化铷原子频标的开放式一体化小型铷光谱灯。应用于对体积要求严格的小型化铷原子频标中，开放式、一体化的结构使得铷光谱灯便于调试、安装。

背景技术

[0002] 作为物理系统的抽运光源，铷光谱灯是铷原子频标的关键部件之一，其性能的优劣会对铷原子频标的整体性能产生影响。为了适应铷原子频标小型化的设计要求，需要减小铷光谱灯的体积。

[0003] 铷光谱灯利用了铷金属气体的无极放电发光原理。激励电路产生约100MHz的射频信号激励灯泡中的启辉气体电离，启辉气体离子与87Rb 蒸气原子碰撞，激励后者发光。灯泡内充有87Rb 蒸气和启辉气体，处于振荡线圈产生的射频场内。激励电路选用电路结构简单、振荡频率和幅度稳定性好的Clapp 振荡电路，振荡管为贴片封装，与其它贴片元件一起集成在激励PCB板上，安装在灯座上。

[0004] 铷光谱灯发光的工作物质是铷蒸气原子。为了形成足够的铷原子蒸气密度，需对铷灯泡加热。同时，为了保证谱灯光强的稳定，铷蒸气原子的密度也要十分稳定，所以需要对铷灯泡进行恒温设计。但是由于灯泡的工作温度较高，而铷光谱灯的体积较小，容易产生热积累效应，所以还需要考虑谱灯的合理散热。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于针对现有技术存在的上述问题，提供用于小型化铷原子频标的开放式一体化小型铷光谱灯，结构紧凑，调试、安装、更换方便，可以满足小型化铷原子频标对物理系统抽运光源的小体积、低工作温度、高可靠性的设计要求。这种设计还具有调试简单、工艺一致性好、便于批量生产的优点，可用于小型化铷频标的大、中批量生产。

[0006] 用于小型化铷原子频标的开放式一体化小型铷光谱灯，包括灯泡，还包括灯头，灯头内设置有线圈骨架安装通孔，线圈骨架安装通孔的内端设置有锥形卡座，线圈骨架安装通孔的孔壁开设有第一出线缝，线圈骨架安装通孔内设置有线圈骨架，线圈骨架为圆筒形，线圈骨架的侧壁开设有与第一出线缝位置对应的第二出线缝，线圈骨架的外壁与线圈骨架安装通孔的内壁贴合，线圈骨架的内壁设置有内螺纹，线圈骨架内壁的内螺纹嵌设有振荡线圈，灯泡包括灯泡本体以及与灯泡本体一体化设置的灯泡泡尾，灯泡泡尾开设在锥形卡座内，灯泡泡尾与锥形卡座之间涂设有硅胶，灯泡本体位于线圈骨架中，振荡线圈的两端分别与两根线圈引线一端连接，两根线圈引线的另一端依次贯穿第二出线缝和第一出线缝与激励PCB板电性连接，激励PCB板固定在灯座上，灯头与隔热垫片固定，线圈骨架安装通孔的外端设置有蓝宝石玻璃片，隔热垫片与灯座侧立板连接，灯座侧立板的底部与灯座一体化连接，灯头上设置有加热管，灯头上开设有感温元件安装孔，感温元件安装孔内设置有感温元件。

[0007] 如上所述的激励PCB板上设置有激励电路，激励电路包括振荡管、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一电感L1、第二电感L2、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、和二极管D1，

[0008] 振荡管的集电极分别与第四电容C4一端、第五电容C5一端、第一电阻R1一端以及电源VCC连接，第四电容C4另一端和第五电容C5另一端与电气地连接；

[0009] 振荡管的基极与第二电容C2一端、第三电容C3一端、第二电感L2一端连接，第二电容C2另一端分别与振荡管5的发射极、第三电阻R3一端连接，第三电阻R3另一端通过第一电感L1与电气地连接，第三电容C3另一端通过振荡线圈3与电气地连接，第二电感L2另一端与第一电阻R1另一端、第二电阻R2一端和第一电容C1一端连接，第一电容C1另一端与电气地连接，第二电阻R2另一端与二极管D1的阳极连接，二极管D1的阴极与电气地连接，第三电容C3为可调电容。

[0010] 本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

[0011] 1、使用小尺寸的灯泡。光谱灯的发光强度与灯泡的大小有关，考虑到小型化铷频标吸收泡和滤光泡的尺寸较小，因此减小了灯泡的尺寸，选用的灯泡外径为6mm，灯泡本体长为8mm，灯泡泡尾长5mm，泡壁厚0.6mm。由于灯泡的尺寸小，激励灯泡发光需要的射频能量就小，灯泡壁厚较薄，从射频场中耦合能量的效率也更高；

[0012] 2、采用灯泡与振荡线圈分离的设计。谱灯工作时，振荡线圈中存在大的交流电流，不可避免地会对铷灯泡产生加热作用，可能导致加热电路失效、灯温难以控制的局面。为了减小这部分热量对灯泡温度的影响，将振荡线圈固定在线圈骨架上，而非直接绕制在灯泡上，实现线圈与灯泡的物理分离，避免在灯泡上出现热量过度积累的现象；

[0013] 3、线圈骨架设计成内螺纹的结构。通常铷光谱灯的振荡线圈采用密绕的缠绕方式，螺线管内径为灯泡外径。这种绕制方式不仅一致性差，而且随着铷光谱灯使用时间的增长，密绕的螺线管存在形变的可能。而由振荡线圈的形状所决定的等效电感值是振荡电路中的一个重要参数，会在很大程度上影响激励频率和激励功率的稳定性，从而影响谱灯发光的稳定性。本发明中，将线圈骨架设计成内螺纹结构，线槽深度和槽距均为固定值，这样绕制而成的振荡线圈的结构参数高度一致，一方面保证了设计、装配的一致性，另一方面使得激励电路的调试更加便捷、高效，确定了等效电感值，只需相应调整电容值，使灯泡达到最佳耦合状态即可；

[0014] 4、灯头采用L型结构设计，将加热管安装在灯头上对其加热而非对整个灯体进行加热，减小热功耗。铷光谱灯发光的工作物质是铷蒸气原子，为了形成足够的铷原子蒸气密度，需对铷灯泡加热，通常的工作温度在100℃附近。灯头为铝合金材料，设计成L型结构，圆锥形卡座用于安装灯泡，如图5所示，灯头右侧伸出的部分用于安装加热管，左侧的感温元件安装孔用于安装感温元件。这样的设计可以实现用加热管对灯头的小范围加热，将热量传导至灯泡上，不仅可以降低加热功耗，还可以使得对灯泡的温度控制更加真实、准确。低热导率材料制得的线圈骨架安装在灯泡外侧，通光孔处安装蓝宝石玻璃片，可对灯泡进行有效的保温。同时，在灯头与灯座侧壁之间设计一个隔热垫片，起到一定的保温作用；

[0015] 5、激励电路接地良好，保证激励电路的稳定性和较好的抗干扰能力。激励PCB板通过四个螺钉安装在灯座底部，保证电路地电位的稳定，改善激励信号的频谱质量，避免对光强稳定性造成影响；

[0016] 6、灯座采用开放式设计，而非封闭壳体式设计。为了适应小型化铷原子频标大、中批量生产的需求，采取开放式灯座设计，将激励PCB板上的关键振荡参数器件放置于板上开放处，便于调试、优化参数，同时避免了封闭式壳体设计中灯头、线圈难安装的问题。

附图说明

[0017] 图1为本发明的剖面图；

[0018] 图2为本发明的立体图；

[0019] 图3为线圈骨架的立体图；

[0020] 图4为线圈骨架的剖面图；

[0021] 图5为灯头的立体图；

[0022] 图6为灯头的正视图；

[0023] 图7为激励电路的原理图；

[0024] 图8为激励电路的交流等效电路。

[0025] 其中：1-灯泡；2-灯头；3-振荡线圈；4-线圈骨架；5-振荡管；6-激励PCB板；7-灯座；8-隔热垫片；9-蓝宝石玻璃片；10-加热管；11-转接PCB板；12-线圈引线；13-感温元件安装孔；14-线圈骨架安装通孔；15-第一出线缝；16-第二出线缝；17-灯座侧立板。

[0026] 具体实施方法

[0027] 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。

[0028] 如图1所示，用于小型化铷原子频标的开放式一体化小型铷光谱灯，包括灯泡1、灯头2、振荡线圈3、线圈骨架4、振荡管5、激励PCB板6、灯座7、隔热垫片8、蓝宝石玻璃片9、加热管10、转接PCB板11、线圈引线12、和感温元件安装孔13。

[0029] 灯头2内设置有线圈骨架安装通孔14，线圈骨架安装通孔14的内端设置有锥形卡座，线圈骨架安装通孔14的孔壁开设有第一出线缝15，线圈骨架安装通孔14内设置有线圈骨架4，线圈骨架4为圆筒形，线圈骨架4的侧壁开设有与第一出线缝15位置对应的第二出线缝16，线圈骨架4的外壁与线圈骨架安装通孔14的内壁贴合，线圈骨架4的内壁设置有内螺纹，线圈骨架4内壁的内螺纹嵌设有振荡线圈3，灯泡1包括灯泡本体以及与灯泡本体一体化设置的灯泡泡尾，灯泡泡尾开设在锥形卡座内，灯泡泡尾与锥形卡座之间涂有硅胶，在安装灯泡1时，将灯泡泡尾埋入锥形卡座内壁的硅胶中，即完成灯泡1的安装固定。灯泡本体位于线圈骨架4中，振荡线圈3的两端分别与两根线圈引线12一端连接，两根线圈引线12的另一端均依次贯穿第二出线缝16和第一出线缝15与激励PCB板6电性连接，激励PCB板6通过4个M2的圆头螺钉安装在灯座7上，振荡管5为贴片封装，与其它贴片元件一起集成在激励PCB板6上，锥形卡座所在的灯头2的侧面（图2中的后侧面）与隔热垫片8固定，线圈骨架安装通孔
14的外端设置有蓝宝石玻璃片9，隔热垫片8与灯座侧立板17连接，灯座侧立板17的底部与灯座7一体化连接，灯头2上设置有加热管10。灯头2上开设有感温元件安装孔13，感温元件安装孔13内设置有感温元件，感温元件通过引线与转接PCB板11电性连接，转接PCB板11对温度进行监测。

[0030] 本实施例中，灯泡1的灯泡外径为6mm，灯泡本体长8mm，灯泡泡尾长5mm，泡壁厚0.6mm。

[0031] 激励PCB板6上设置有激励电路，激励电路包括功率三极管Q1（即振荡管5）、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一电感L1、第二电感L2、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、二极管D1。

[0032] 功率三极管Q1的集电极分别与第四电容C4一端、第五电容C5一端、第一电阻R1一端以及电源VCC连接，第四电容C4另一端和第五电容C5另一端与电气地连接；

[0033] 功率三极管Q1的基极与第二电容C2一端、第三电容C3一端、第二电感L2一端连接，第二电容C2另一端分别与功率三极管Q1的发射极、第三电阻R3一端连接，第三电阻R3另一端通过第一电感L1与电气地连接，第三电容C3另一端通过振荡线圈3与电气地连接，第二电感L2另一端与第一电阻R1另一端、第二电阻R2一端和第一电容C1一端连接，第一电容C1另一端与电气地连接，第二电阻R2另一端与二极管D1的阳极连接，二极管D1的阴极与电气地连接。

[0034] 其中，第三电容C3为可调电容。振荡线圈3的两端分别通过两根线圈引线12与电气地和第三电容C3连接。

[0035] 激励PCB板6的激励电路采用电路结构简单，振荡频率和幅度稳定性好的Clapp振荡电路，其交流等效电路为图8。灯泡1的灯泡本体放在漆包线绕成的电感（即振荡线圈3）中。第一电阻R1、第二电阻R2、二极管D1，第三电阻R3构成的直流偏置电路为振荡管设定合适的静态工作点。振荡管的极间电容Cce、第二电容C2、第三电容C3、振荡线圈3组成谐振回路。振荡管5为贴片封装，是为了减小PCB板的体积，使谱灯的结构更加紧凑。

[0036] 本文中所描述的具体实施方式仅仅是对本发明精神作说明。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补充或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。