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申请/专利权人：中国科学院国家授时中心

摘要：本发明公开了一种磁悬浮水平超稳光学参考腔及其控制装置及控制方法，磁悬浮水平超稳光学参考腔，其外壁两侧的相同高度处分别设置有第一凸台和第二凸台，第一凸台与第二凸台对称设置；所述第一凸台和第二凸台的台阶面为水平面，所述第一凸台和第二凸台磁悬浮水平超稳光学参考腔的腔体轴线方向设置。通过磁悬浮控制的方式对超稳光学参考腔进行控制，使其不再和其它支撑物体进行接触，进而实现无接触的支撑，将外界振动和热扰动进行隔离，减少它们对于超稳光学参考腔的有效腔长的扰动。

主权项：1.磁悬浮水平超稳光学参考腔控制装置，其特征在于，磁悬浮水平超稳光学参考腔（5）外壁两侧的相同高度处分别设置有第一凸台（9）和第二凸台（10），第一凸台（9）与第二凸台（10）对称设置；所述第一凸台（9）和第二凸台（10）的台阶面为水平面；还包括永磁体（1），所述永磁体（1）设置在磁悬浮水平超稳光学参考腔（5）的第一凸台（9）和第二凸台（10）的相同位置，所述磁悬浮水平超稳光学参考腔（5）为圆柱状或梭形结构，包括真空腔体（7）以及设置在真空腔体（7）内的电磁铁（2），所述真空腔体（7）用于容纳磁悬浮水平超稳光学参考腔（5），磁悬浮水平超稳光学参考腔（5）设置在真空腔体（7）内，真空腔体（7）为磁悬浮水平超稳光学参考腔（5）提供真空环境；磁悬浮水平超稳光学参考腔（5）上设置有永磁体（1），永磁体（1）设置在磁悬浮水平超稳光学参考腔（5）的第一凸台（9）和第二凸台（10）的相同位置；所述电磁铁（2）设置在真空腔体（7）内顶部，且电磁铁（2）与所述永磁体（1）一一对应；永磁体（1）和电磁铁（2）共同作用产生向上拉力，实现磁悬浮水平超稳光学参考腔（5）的悬浮，还包括传感器（3），所述传感器（3）安装在真空腔体（7）内顶部，所述传感器（3）包括位移传感器和速度传感器，用于采集磁悬浮水平超稳光学参考腔（5）的位置和速度。

全文数据：磁悬浮水平超稳光学参考腔及其控制装置及控制方法技术领域本发明属于超稳光学参考腔领域，涉及超稳光学参考腔结构和支撑方式，尤其是一种磁悬浮水平超稳光学参考腔及其控制装置及控制方法。背景技术超稳光学参考腔是一种极为重要的精密测量工具，其已广泛被应用在光学原子钟、高精密光谱测量、引力红移测量、相对论的检验和引力波观测等领域。特别是，超稳光学参考腔是光原子钟中极为重要的部件之一，其有效腔长的稳定性直接决定了光原子钟短期稳定度。但目前影响超稳光学参考腔腔长变化的主要是低频振动和温度控制精度，已成为其性能进一步提高的主要限制因素。为了解决上述两个问题，主要采取以下措施：针对问题一：目前，广泛采用的是对超稳光学参考腔进行被动隔振和主动隔振，或者采用主被动隔振相结合等手段解决超稳光学参考腔受到的低频振动影响。在此基础之上，采用有限元分析的手段针对超稳光学参考腔的支撑方式进行优化，获得最佳的支撑方式和方法，即获得最低振动敏感度的位置。针对问题二：一般，将超稳光学参考腔放置在高真空环境中，在超稳光学参考腔周围安装多层的热屏蔽，在真空腔室外部或外部采用主被动控温的方式实现所要求的mK量级的温度控制要求。虽采取了上述措施取得了较大的进步，但依然存在以下问题：1、低频振动依然可以通过支撑体和超稳光学参考腔的直接接触，把低频振动的扰动传递给超稳光学参考腔，进而影响超稳光学参考腔有效腔长的稳定性。2、外界的温度扰动依然可以通过针对超稳光学参考腔的支撑接触传递给腔体，将腔体的有效腔长进行改变，从而影响到其性能指标。发明内容本发明的目的在于克服上述超稳光学参考腔隔振和控温存在的缺点，提供一种磁悬浮水平超稳光学参考腔及其控制装置及控制方法，通过磁悬浮控制的方式对超稳光学参考腔进行控制，使其不再和其它支撑物体进行接触，进而实现无接触的支撑，将外界振动和热扰动进行隔离，减少它们对于超稳光学参考腔的有效腔长的扰动。为了实现本发明的上述目的，本发明采用的技术方案是，磁悬浮水平超稳光学参考腔，其外壁两侧的相同高度处分别设置有第一凸台和第二凸台，第一凸台与第二凸台对称设置；所述第一凸台和第二凸台的台阶面为水平面；还包括永磁体，所述永磁体设置在磁悬浮水平超稳光学参考腔的第一凸台和第二凸台的相同位置。所述磁悬浮水平超稳光学参考腔为圆柱状或梭形结构。所述永磁体的个数为四个，分别设置在磁悬浮水平超稳光学参考腔的第一凸台和第二凸台上，每个凸台上各设置有两个永磁体，所述真空腔体内固定有四个电磁铁，电磁铁与其对应的永磁体在竖直方向上正对设置。本发明还提供了一种磁悬浮水平超稳光学参考腔控制装置，包括真空腔体以及设置在真空腔体内的电磁铁，所述真空腔体用于容纳磁悬浮水平超稳光学参考腔，磁悬浮水平超稳光学参考腔设置在真空腔体内，真空腔体为磁悬浮水平超稳光学参考腔提供真空环境；磁悬浮水平超稳光学参考腔上设置有永磁体，永磁体设置在磁悬浮水平超稳光学参考腔的第一凸台和第二凸台的相同位置；所述电磁铁设置在真空腔体内顶部，且电磁铁与所述永磁体一一对应；永磁体和电磁铁共同作用产生向上拉力，实现磁悬浮水平超稳光学参考腔的悬浮。进一步的，还包括传感器，所述传感器安装在真空腔体内顶部，所述传感器包括位移传感器和速度传感器，用于采集磁悬浮水平超稳光学参考腔的位置和速度。进一步的，还包括PID控制器，所述PID控制器安装在真空腔体顶部，所述传感器与PID控制器之间通过信号线连接，所述PID控制器用于接收传感器反馈的位移值和速度值，并调节驱动电磁铁的电流直至超稳光学参考腔悬浮在指定位置。进一步的，所述电磁铁与PID控制器通过真空腔体上的密封电极法兰连接，所述传感器与PID控制器之间通过真空室上密封电极法兰连接。进一步的，所述永磁体的个数为四个，分别设置在磁悬浮水平超稳光学参考腔的第一凸台和第二凸台上，每个凸台上各设置有两个永磁体，所述真空腔体内固定有四个电磁铁，电磁铁与其对应的永磁体在竖直方向上正对设置。进一步的，每个电磁铁旁的真空腔体上均设置有一组传感器，每组传感器均包括一位移传感器和一速度传感器。进一步的，所述真空腔体的内壁设置有热屏蔽层。本发明还提供了控制装置的控制方法，包括以下步骤：第一步：将磁悬浮水平超稳光学参考腔放置在真空腔体内的；第二步：打开PID控制器，通过位移传感器检测磁悬浮水平超稳光学参考腔的位置，通过速度传感器检测磁悬浮水平超稳光学参考腔的速度，并将位移值和速度值反馈给PID控制器；第三步：PID控制器根据磁悬浮水平超稳光学参考腔的质量和长度参数计算四个电磁铁所需要的电流值；第四步：利用计算的电流值驱动四个电磁铁，此时电磁铁和永磁体之间产生拉力，拉动磁悬浮水平超稳光学参考腔向上运动，并实时检测磁悬浮水平超稳光学参考腔的位移和速度；第五步：根据磁悬浮水平超稳光学参考腔的位移和速度，调整驱动电磁铁的电流直至磁悬浮水平超稳光学参考腔悬浮在指定位置。与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果，根据磁悬浮水平超稳光学参考腔降低振动敏感度理论理论，本发明所涉及的超稳光学参考腔需要在四个点产生磁悬浮力，本发明通过磁悬浮产生的拉力实现对磁悬浮水平超稳光学参考腔的振动隔离，其使得磁悬浮水平超稳光学参考腔不再与其它物体接触，进而实现无接触的支撑，将外界振动和热扰动进行隔离，减少它们对于磁悬浮水平超稳光学参考腔的有效腔长的扰动。本发明基于磁悬浮拉力的磁悬浮水平超稳光学参考腔可以应用于超稳光学参考腔、光学干涉仪、超窄线宽激光器、光学原子钟、引力波探测等高科技领域。附图说明图1为本发明的总结构及控制原理示意图。图2为应用于圆柱形磁悬浮水平超稳光学参考腔永磁体布置示意图，其中，图2a为主视图，图2b为图2a的左视图，图2c为图2b的仰视图。图3为应用于梭形磁悬浮水平超稳光学参考腔永磁体布置示意图，其中，图3a为主视图，图3b为图3a的左视图，图3c为图3b的仰视图。附图中：1为永磁体，2为电磁铁，3为传感器，4为PID控制器，5为磁悬浮水平超稳光学参考腔，6为屏蔽层，7为真空层，8为高反镜，9为第一凸台，10为第二凸台。具体实施方式下面结合具体实施方式对本发明做进一步说明。如图2和3所示，本发明涉及的磁悬浮水平超稳光学参考腔有两类，分别如图2的圆柱形和如图3的梭型结构，磁悬浮水平超稳光学参考腔5腔体两个端面通过光胶方式将两个高反镜10联结，通常磁悬浮水平超稳光学参考腔指的是其通光孔沿着水平方向。为了方便于4个永磁体的放置和得到较低的磁悬浮水平超稳光学参考腔振动敏感度，磁悬浮水平超稳光学参考腔5腔体的两边加工有对称的凸台，分别设置为第一凸台9和第二凸台10，第一凸台9与第二凸台10对称设置；所述第一凸台9和第二凸台10的台阶面为水平面，所述第一凸台9和第二凸台10磁悬浮水平超稳光学参考腔的腔体轴线方向设置；将4个永磁体放置在凸台上，4个永磁体通过高强度真空胶在真空中不放气与磁悬浮水平超稳光学参考腔的凸台联结。如图2所示，2个永磁体放在一边的凸台上，另外2个放置在另一边的凸台上。两边的2个永磁体是对称放置的，4个永磁体对称关系见图2所示。4个永磁体的具体放置位置是根据磁悬浮水平超稳光学参考腔振动敏感度计算来确定，圆柱形磁悬浮水平超稳光学参考腔和梭型磁悬浮水平超稳光学参考腔上的4个永磁体放置方法是相同的。如图1所示，本发明的磁悬浮水平超稳光学参考腔控制装置，包括真空腔体7以及设置在真空腔体7内的永磁体1和电磁铁2，所述真空腔体7用于容纳磁悬浮水平超稳光学参考腔5，磁悬浮水平超稳光学参考腔5设置在真空腔体7内，真空腔体7为磁悬浮水平超稳光学参考腔5提供真空环境；所述永磁体1设置在磁悬浮水平超稳光学参考腔5的第一凸台9和第二凸台10的相同位置；所述电磁铁2设置在真空腔体7内顶部，且电磁铁2与所述永磁体1一一对应；永磁体1和电磁铁2共同作用产生向上拉力，实现磁悬浮水平超稳光学参考腔5的悬浮。还包括传感器3，所述传感器3安装在真空腔体7内顶部，所述传感器3包括位移传感器和速度传感器，用于采集磁悬浮水平超稳光学参考腔5的位置和速度；还包括PID控制器4，所述PID控制器4安装在真空腔体7顶部，所述传感器3与PID控制器4之间通过信号线连接，所述PID控制器4用于接收传感器3反馈的位移值和速度值，并调节驱动电磁铁2的电流直至超稳光学参考腔悬浮在指定位置。在本发明的某一实施例中，4个电磁铁固定在热屏蔽层6上，当然了，在本发明的其他实施例中，根据实际需要，4个电磁铁也可以选择固定在真空室上，固定的方式可以是焊接、螺钉和螺栓连接。如果固定在非最内部热屏蔽层上，都需要留有孔，方便于磁场的进入。4个电磁铁在同一平面基准上安装，在该平面内位置要和上述4个永磁体的位置相对应，保证它们之间位置的对称和重合。4组传感器为霍尔传感器，用来测量磁悬浮水平超稳光学参考腔5的位移变化和磁悬浮水平超稳光学参考腔的速度值，同时实现磁悬浮水平超稳光学参考腔加速度的测量。PID控制器放置在真空腔体7的外部，在本发明的某一实施例中，固定在真空腔体7上；PID控制器通过电极真空法兰盘和真空腔室内部的电磁铁2和传感器3相连接。PID控制器的作用是通过接收传感器3采集到的位移信号和速度信号，利用电流驱动电磁铁2，形成闭环回路控制整个磁悬浮水平超稳光学参考腔5处于要求的位置。热屏蔽层6是为了降低外界环境中的温度对于超稳光学参考腔的扰动，它同时也可以提供电磁铁2和传感器3的安装位置。真空腔体7主要是为了超稳光学参考腔提供真空环境，进而减少声音、振动和热等对于超稳光学参考腔的影响。所述电磁铁2与PID控制器4通过真空腔体7上的密封电极法兰连接，所述传感器3与PID控制器4之间通过真空室上密封电极法兰连接。所述永磁体1的个数为四个，分别设置在磁悬浮水平超稳光学参考腔5的第一凸台9和第二凸台10上，每个凸台上各设置有两个永磁体1，所述真空腔体7内固定有四个电磁铁2，电磁铁2与其对应的永磁体1在竖直方向上正对设置。每个电磁铁2旁的真空腔体7上均设置有一组传感器，每组传感器均包括一位移传感器和一速度传感器；真空腔体7的内壁设置有热屏蔽层6。下面对本发明控制方法进行详细的叙述：第一步：将磁悬浮水平超稳光学参考腔5放置在真空腔体7，磁悬浮水平超稳光学参考腔5的台阶面朝下。第二步：打开PID控制器，利用位移传感器检测磁悬浮水平超稳光学参考腔5的位置，使用速度传感器检测磁悬浮水平超稳光学参考腔的速度；第三步：根据磁悬浮水平超稳光学参考腔的质量、长度参数计算将磁悬浮水平超稳光学参考腔移动至指定位置，4个电磁铁所需要的电流值；第四步：利用计算的电流值驱动4个电磁铁，此时电磁铁和永磁体之间产生拉力，将拉动超稳光学参考腔向上运动，并实时检测磁悬浮水平超稳光学参考腔的位移和速度；第五步：根据超稳光学参考腔的位移和速度值，不断改变驱动电磁铁的电流直至超稳光学参考腔悬浮在指定位置。本发明通过安装在上部的电磁铁和磁悬浮水平超稳光学参考腔上的永磁体之间产生的拉力实现对磁悬浮水平超稳光学参考腔的振动和热隔离，本发明使得磁悬浮水平超稳光学参考腔不再与其它物体接触，进而实现无接触的支撑，将外界振动和热扰动进行隔离，减少它们对于磁悬浮水平超稳光学参考腔的有效腔长的扰动。

权利要求：1.磁悬浮水平超稳光学参考腔，其特征在于，磁悬浮水平超稳光学参考腔5外壁两侧的相同高度处分别设置有第一凸台9和第二凸台10，第一凸台9与第二凸台10对称设置；所述第一凸台9和第二凸台10的台阶面为水平面；还包括永磁体1，所述永磁体1设置在磁悬浮水平超稳光学参考腔5的第一凸台9和第二凸台10的相同位置。2.根据权利要求1所述的磁悬浮水平超稳光学参考腔，其特征在于，所述磁悬浮水平超稳光学参考腔5为圆柱状或梭形结构。3.磁悬浮水平超稳光学参考腔控制装置，其特征在于，包括真空腔体7以及设置在真空腔体7内的电磁铁2，所述真空腔体7用于容纳磁悬浮水平超稳光学参考腔5，磁悬浮水平超稳光学参考腔5设置在真空腔体7内，真空腔体7为磁悬浮水平超稳光学参考腔5提供真空环境；磁悬浮水平超稳光学参考腔5上设置有永磁体1，永磁体1设置在磁悬浮水平超稳光学参考腔5的第一凸台9和第二凸台10的相同位置；所述电磁铁2设置在真空腔体7内顶部，且电磁铁2与所述永磁体1一一对应；永磁体1和电磁铁2共同作用产生向上拉力，实现磁悬浮水平超稳光学参考腔5的悬浮。4.根据权利要求3所述的磁悬浮水平超稳光学参考腔控制装置，其特征在于，还包括传感器3，所述传感器3安装在真空腔体7内顶部，所述传感器3包括位移传感器和速度传感器，用于采集磁悬浮水平超稳光学参考腔5的位置和速度。5.根据权利要求4所述的磁悬浮水平超稳光学参考腔控制装置，其特征在于，还包括PID控制器4，所述PID控制器4安装在真空腔体7顶部，所述传感器3与PID控制器4之间通过信号线连接，所述PID控制器4用于接收传感器3反馈的位移值和速度值，并调节驱动电磁铁2的电流直至超稳光学参考腔悬浮在指定位置。6.根据权利要求5所述的磁悬浮水平超稳光学参考腔控制装置，其特征在于，所述电磁铁2与PID控制器4通过真空腔体7上的密封电极法兰连接，所述传感器3与PID控制器4之间通过真空室上密封电极法兰连接。7.根据权利要求3所述的磁悬浮水平超稳光学参考腔控制装置，其特征在于，所述永磁体1的个数为四个，分别设置在磁悬浮水平超稳光学参考腔5的第一凸台9和第二凸台10上，每个凸台上各设置有两个永磁体1，所述真空腔体7内固定有四个电磁铁2，电磁铁2与其对应的永磁体1在竖直方向上正对设置。8.根据权利要求3所述的磁悬浮水平超稳光学参考腔控制装置，其特征在于，每个电磁铁2旁的真空腔体7上均设置有一组传感器，每组传感器均包括一位移传感器和一速度传感器。9.根据权利要求3所述的磁悬浮水平超稳光学参考腔控制装置，其特征在于，所述真空腔体7的内壁设置有热屏蔽层6。10.一种权利要求3-9任一项所述控制装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步：将磁悬浮水平超稳光学参考腔5放置在真空腔体7内的；第二步：打开PID控制器4，通过位移传感器检测磁悬浮水平超稳光学参考腔5的位置，通过速度传感器检测磁悬浮水平超稳光学参考腔5的速度，并将位移值和速度值反馈给PID控制器4；第三步：PID控制器4根据磁悬浮水平超稳光学参考腔5的质量和长度参数计算四个电磁铁2所需要的电流值；第四步：利用计算的电流值驱动四个电磁铁2，此时电磁铁2和永磁体1之间产生拉力，拉动磁悬浮水平超稳光学参考腔5向上运动，并实时检测磁悬浮水平超稳光学参考腔5的位移和速度；第五步：根据磁悬浮水平超稳光学参考腔5的位移和速度，调整驱动电磁铁2的电流直至磁悬浮水平超稳光学参考腔5悬浮在指定位置。

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