一种氢脉泽蓝宝石谐振腔的频率温度补偿方法

摘要

本发明公开了一种氢脉泽蓝宝石谐振腔的频率温度补偿方法，氢脉泽蓝宝石谐振腔包括：谐振腔底盖(1)、谐振腔筒(2)、蓝宝石(3)、活塞(4)、谐振腔顶盖(5)、弹簧(6)、钛酸锶晶体片(7)。通过确定钛酸锶晶体片(7)，设计钛酸锶晶体片(7)的直径、厚度、片数，组装谐振腔，将钛酸锶晶体片(7)均匀分布在蓝宝石(3)上下表面，并且测定蓝宝石(3)谐振腔温度系数，最后完成补偿谐振腔的频率温度系数的方法。本发明的优点是代替机械温度补偿方法，大幅度降低蓝宝石谐振腔的温度系数，实现氢频标的小型化。

主权项

1.一种氢脉泽蓝宝石谐振腔的频率温度补偿方法，其特征在于该方法的具体步骤为：第一步确定钛酸锶晶体片(7)蓝宝石(3)是单轴各向异性晶体，垂直于光轴和平行于光轴的相对介电常数分别为9.4和11.6，在47℃时其垂直于光轴方向的损耗角正切值为1×10^-5；钛酸锶晶体片(7)是各向异性晶体，相对介电常数为300，在47℃时其损耗角正切值为8×10^-4；钛酸锶晶体片(7)的相对介电常数为是蓝宝石(3)相对介电常数的30倍，而钛酸锶晶体片(7)为负温度系数晶体，其介电常数随着温度的升高而降低，与蓝宝石(3)介电常数的变化相反；当温度变化时，钛酸锶晶体片(7)就可以补偿蓝宝石(3)介电常数的变化而引起的谐振腔频率的变化，因此选择钛酸锶晶体片(7)作为频率温度补偿；第二步设计钛酸锶晶体片(7)的直径、厚度、片数钛酸锶晶体片(7)为圆柱型，由于晶体生长能力所限，直径最大为17mm，选择钛酸锶晶体片(7)直径为10mm～17mm；然后选择不同的厚度和个数来计算谐振腔的频率温度系数，根据计算结果选择钛酸锶晶体片(7)的最优尺寸；首先根据公式求解当蓝宝石(3)及钛酸锶晶体片(7)的介电常数、蓝宝石(3)厚度、蓝宝石(3)高度、谐振腔高度和半径有微小量变化Δε_t1、Δε_t2、Δd、Δh₂、Δh₁和Δa时，相应的带来谐振频率的量变Δf，由此得到系数A；$A_{r1}=\frac{{ϵ}_{t1}}{f}\frac{\mathrm{\Delta f}}{{\mathrm{\Delta ϵ}}_{t1}}---\left(1\right)$公式(1)求解当蓝宝石(3)的介电常数有微小变化时，相应带来谐振频率的量变系数A_r1，其中ε_t1为蓝宝石(3)的介电常数；$A_{r2}=\frac{{ϵ}_{t2}}{f}\frac{\mathrm{\Delta f}}{{\mathrm{\Delta ϵ}}_{t2}}---\left(2\right)$公式(2)求解当钛酸锶晶体片(7)的介电常数有微小变化时，相应带来谐振频率的量变系数A_r2，其中ε_t2为钛酸锶晶体片(7)的介电常数；$A_d=\frac{d}{f}\frac{\mathrm{\Delta f}}{\mathrm{\Delta d}}---\left(3\right)$公式(3)求解当蓝宝石(3)的厚度发生微小变化时，相应带来谐振频率的量变系数A_d，其中d为蓝宝石(3)的厚度；$A_a=\frac{a}{f}\frac{\mathrm{\Delta f}}{\mathrm{\Delta a}}---\left(4\right)$公式(4)求解当谐振腔的半径发生微小变化时，相应的带来的谐振频率的量变系数A_a，其中a为谐振腔的半径；$A_{h1}=\frac{h_1}{f}\frac{\mathrm{\Delta f}}{\Delta h_1}---\left(5\right)$公式(5)求解当谐振腔的高度发生微小变化时，相应的带来的谐振频率的量变系数A_h1，其中h₁为谐振腔的高度；$A_{h2}=\frac{h_2}{f}\frac{\mathrm{\Delta f}}{\Delta h_2}---\left(6\right)$公式(6)求解当蓝宝石(3)的高度发生微小变化时，相应的带来的谐振频率的量变系数A_h1，其中h₂为蓝宝石(3)的高度；由于钛酸锶晶体片(7)的高度和厚度相对于谐振腔很小，其由于温度变化引起的热膨胀可以忽略；求解蓝宝石(3)相对介电常数、钛酸锶晶体片(7)相对介电常数、蓝宝石(3)的径向和轴向及谐振腔的温度系数；然后根据谐振腔频率温度系数的计算公式：$\frac{\partial f}{\partial T}=[\frac{\partial f}{{\partial ϵ}_t}\frac{{\partial ϵ}_t}{\partial T}+\frac{\partial f}{\partial d}\frac{\partial d}{\partial T}+\frac{\partial f}{\partial h_1}\frac{{\partial h}_1}{\partial T}+\frac{\partial f}{\partial a}\frac{\partial a}{\partial T}+\frac{\partial f}{{\partial h}_2}\frac{{\partial h}_2}{\partial T}]---\left(7\right)$在实际计算时，把近似替换成Δf/Δε_t，其它的偏导数也按照同样的方法进行替换，由此可推出公式(8)：τ_f＝(A_r1τ_r1+A_r2τ_r2+A_dτ_α1+A_h1τ_α2+A_aτ_c+A_h2τ_c)(8)其中：τ_f谐振频率f的温度系数，τ_r1、τ_r2、τ_α1、τ_α2、τ_c都为常数，分别为蓝宝石(3)相对介电常数温度系数、钛酸锶晶体片(7)相对介电常数温度系数、蓝宝石(3)的径向和轴向热膨胀系数、谐振腔的热膨胀系数；把钛酸锶晶体片(7)的厚度和高度代入上述公式计算得到谐振腔的频率温度系数，根据计算结果进行选择，确定钛酸锶晶体片(7)厚度为5mm～7mm；钛酸锶晶体片(7)为8～32片，且为偶数片；第三步组装谐振腔钛酸锶晶体片(7)均匀粘接在蓝宝石(3)的上、下表面，且上、下表面片数相同，上、下表面的钛酸锶晶体片(7)各组成正多边形；蓝宝石(3)螺纹固定在谐振腔底盖(1)，谐振腔筒(2)与谐振腔底盖(1)螺孔固定；活塞(4)置于蓝宝石(3)顶部，弹簧(6)置于活塞(4)上的凹槽中，六个弹簧(6)组成正六边形，谐振腔顶盖(5)置于弹簧(6)上，谐振腔顶盖(5)与谐振腔筒(2)螺钉固定；第四步补偿谐振腔的频率温度系数当工作温度升高时，谐振腔体积增大，蓝宝石(3)的介电常数变大，根据公式(4)、(5)和(1)，A_a、A_h1及A_r1变大，并且计算结果为正数；根据公式(8)，谐振腔的频率温度系数增大；由于钛酸锶晶体片(7)为负温度系数晶体，因此公式(2)的结果为负数；根据公式(8)，钛酸锶晶体片(7)介电常数是蓝宝石(3)介电常数的30倍，抵消谐振腔由于蓝宝石(3)介电常数变化引起的频率变化；当工作温度降低时，谐振腔体积减小，蓝宝石(3)的介电常数变小，钛酸锶晶体片(7)的介电常数变大，降低谐振腔的频率温度系数；第五步测定蓝宝石(3)谐振腔温度系数进行蓝宝石(3)谐振腔温度系数的测量，把整个谐振腔放入高低温箱中，设定温度T₁，6个小时后整个谐振腔达到温度平衡，测得当前频率为f₁；设定第二个温度T₂，谐振腔温度平衡后测得频率为f₂；以此测量多次，利用差值计算公式，得到谐振腔频率的温度系数：$f{\tau }_f=\frac{\underset{i=2}{\overset{n}{\Sigma }}[(f_i-f_{i-1})/(T_i-T_{i-1})]}{n-1}---\left(9\right)$代入测试数据，经计算得到谐振腔的温度系数为-9.7kHz/℃，低于目前的-60kHz/℃。