CN108002343B - 一种复眼式堆叠密集型多泡结构的原子气室及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种复眼式堆叠密集型多泡结构的原子气室，所述原子气室包括玻璃外壳和填充的介质，所述玻璃外壳内还设置多个由玻璃壁构造的微原子气泡，所述微原子气泡内填充碱金属原子和缓冲气体。本发明的复眼式堆叠密集型多泡结构的原子气室能够稳定温度系数和抑制压力频移，解决气泡式铷原子频标和铯原子磁力仪由于原子气室温度和压力变化对其长期频率稳定度指标的制约，从而解决其频率长期漂移的问题。本发明的技术方案为铷原子钟、原子磁力仪、原子滤光器及法拉第主动光钟等有较高要求的应用提供了更低温度系数、温度起伏和更小压力频移的原子气室。

Description

一种复眼式堆叠密集型多泡结构的原子气室及其制备方法
【技术领域】
本发明涉及一种原子气室，具体地，涉及一种复眼式堆叠密集型多泡结构的原子气室，可以广泛应用到气泡型的铷原子钟、原子磁力仪、原子滤光器、无极灯及法拉第主动光钟等领域。
【背景技术】
目前气泡型的铷原子频标中采用的铷吸收泡是单泡原子气室，如图1所示，其内部充有碱金属铷原子和缓冲气体，这种结构的铷吸收泡存在两个弊端，一是温度易受外界影响，温度系数不易提高；二是碱金属铷原子向玻璃泡壁的扩散会造成原子气室内气压变化，带来压力频移。这两个问题严重制约铷原子频标长期稳定度的指标的提升空间。几十年来，国内外的铷原子频标的长期频率稳定度研究在持续缓慢优化，但是没有取得突破性的进展。
类似的，铯原子磁力仪中也用到如图1所示的单泡原子气室，由于气压和温度的漂移，也严重制约着磁力仪的频率稳定度难以进一步提升。
类似的，在法拉第反常色散原子滤光器中也用到如图1所示的单泡原子气室，其温度和气压的变化会影响透射谱的中心频率漂移，同时也会造成透射率发生变化。法拉第反常色散原子滤光器比较典型的应用就是法拉第主动光钟，其频率稳定度决定于原子滤光器的中心频率和透射率。
类似的，无极灯的核心组成部分也是如图1所示的单泡原子气室，原子气室的压力频移也会造成光谱频率不稳定和发光强度的波动。
有鉴于此，本发明提供一种复眼式堆叠密集型多泡结构的原子气室及其制备方法，这种创新性结构的铷吸收气室，通过内置大量微原子气泡这样多泡之间各独立泡参数的总体平均，极大降低和消除温度和压力的无规游走漂移，因此具有极低温度系数和温度起伏的优点，以及极小压力频移的内禀特性，与国际上沿用几十年的单泡原子气室相比，本发明的新颖性将能帮助实现应用这种多泡原子气室的领域研究指标提高一到两个量级。
【发明内容】
本发明的目的是克服现有技术缺陷，试图通过改进原子气室结构，从单泡原子气室改进为一种复眼式堆叠密集型多泡结构原子气室，通过大量的微原子气泡之间各独立泡参数的总体平均降低或消除温度和压力的无规游走漂移，从而降低温度系数、温度起伏和压力频移。
为了实现上述目的，本发明提供一种具有复眼式堆叠密集型多泡结构的原子气室，所述原子气室包括玻璃外壳和填充在玻璃外壳内的介质，所述玻璃外壳内还设置多个由玻璃壁构造的微原子气泡，所述微原子气泡内填充碱金属原子和缓冲气体。
在本发明中，填充在玻璃外壳与微原子气泡间的介质可以是真空、碱金属原子、缓冲气体或是缓冲气体和碱金属原子。通常，该介质为碱金属原子或缓冲气体和碱金属原子时，所选用的碱金属原子与微原子气泡内填充的碱金属原子相同；类似地，当该介质为缓冲气体或缓冲气体和碱金属原子时，所选用的缓冲气体与微原子气泡内填充的缓冲气体相同。
通过这样的结构改进获得了一种复眼式堆叠密集型多泡结构的原子气室，处于玻璃外壳内的多个微原子气泡采用相同的材料。这样，多个微原子气泡作为一个个独立的单元填充到玻璃外壳中，尽管每个单元的温度和气压存在微弱的随机变化，但对于整体而言，多泡结构起到了平均温度和气压的作用，所以这种复眼式堆叠密集型多泡结构的原子气室可以减小碱金属原子(如铷原子、铯原子)吸收泡温度漂移对碱金属原子频标和原子磁力仪等长期稳定度带来的影响，其结果是它们频率不确定度的阿伦方差不会随时间变化先减小后增大，而是沿着时间轴持续减小，比现有的最优的长期稳定度指标还提高一到两个量级。
在本发明中，所述玻璃外壳是球形或圆柱形，如有需要，本领域技术人员也可以根据要求设计成其他形状。
根据一种优选的实施方式，所述圆柱形的玻璃外壳的直径是8毫米至50毫米，长度是6毫米至60毫米。所述微原子气泡的直径是0.1毫米至10毫米。
因此上述密集型多泡结构的原子气室可容纳的微原子气泡的数量范围在几个到几百个之间。将上述原子气室看作整体，与传统的单泡原子气室相比，可以起到平均温度和气压无规漂移系数的作用，把温度带来的影响降低到几倍到上百倍。典型的，这种复眼式堆叠密集型多泡结构的原子气室可以减小铷吸收泡温度漂移对铷原子频标长期稳定度带来的影响，其效果是应用这种复眼式堆叠密集型多泡结构的原子气室的铷原子频标会比现有最优的铷原子频标长期稳定度还提高一到两个量级。
在本发明中，所述缓冲气体选自氮气、氩气或氮气和氩气的混合气体。
在本发明中，所述碱金属原子选自铷原子或铯原子。其中，所述铷原子是纯铷87原子、铷85原子或者自然丰度的铷原子。
作为一种改进的技术方案，所述原子气室还包括设置在所述玻璃外壳以外的第二玻璃外壳，通过支架将所述玻璃外壳固定在所述第二玻璃外壳内，所述玻璃外壳与第二玻璃外壳之间为第二介质。
类似的，第二介质可以是真空、碱金属原子、缓冲气体或是缓冲气体和碱金属原子。
通过内外两层玻璃外壳及其间的真空设置，能够为处于内层的玻璃外壳提供保温，以获得更优越的稳定度差；通过内外两层玻璃外壳及其间填充的碱金属原子，能够平衡微原子气泡内外碱金属原子的饱和蒸汽压，抑制微原子气泡中碱金属原子向玻璃的渗透；通过内外两层玻璃外壳及其间填充的缓冲气体，能够平衡微原子气泡中缓冲气体的内外气压，保证微原子气泡中缓冲气体气压的稳定；通过内外两层玻璃外壳及其间填充的缓冲气体和碱金属原子，能够平衡微原子气泡中缓冲气体的内外气压，同时能够平衡微原子气泡内外碱金属原子的饱和蒸汽压，保证微原子气泡中缓冲气体气压的稳定和抑制微原子气泡中碱金属原子向玻璃的渗透。针对不同的需求，所述玻璃外壳内和所述玻璃外壳与第二玻璃外壳之间可以选择不同的填充方式。
本发明将单泡原子气室结构改进为具有复眼式堆叠密集型多泡结构的原子气室，通过以多泡结构构建的整体取代单泡原子气室起到平衡碱金属原子气室的温度漂移和压力频移的作用。将这种能够稳定温度系数和抑制压力频移的具有密集型多泡结构的原子气室应用到被动型气泡式铷原子频标中，能够有效解决铷原子频标由于铷吸收泡温度和压力变化对其长期频率稳定度指标的制约。类似的，还能够提高铯原子磁力仪的长期频率稳定度。类似的，原子滤光器透过谱的中心频率和透过率会更加稳定，进而推进水下光通信***等领域的研究，同时也能提高法拉第主动光钟的频率稳定度指标。综上这种改进的具有复眼式堆叠密集型多泡结构的原子气室能够解决国际上长期以来困扰本领域技术人员的单泡原子气室温度漂移和压力频移的问题。本发明的技术方案为铷原子钟、原子磁力仪、原子滤光器及法拉第主动光钟等有较高要求的应用提供了更低温度系数、温度起伏和更小压力频移的原子气室。
【附图说明】
图1为现有技术的原子气室结构示意图；
图2为实施例1的原子气室结构示意图；
图3为实施例2的原子气室结构示意图；
其中；1、排气孔；2、玻璃外壳；3、微原子气泡；4、第二排气孔；5、第二玻璃外壳；6、支架。
【具体实施方式】
以下实施例用于非限制性地解释本发明的技术方案。
实施例1
构造如图2所示的铷原子气室，包括玻璃外壳2和填充在玻璃外壳2内的微原子气泡3。玻璃外壳采用的直径16、长30毫米的圆柱形玻璃外壳，铷原子气室3直径0.5毫米。铷原子气室3内填充氩气和铷85原子。
通过在玻璃外壳2预留排气孔1，通过排气孔1向玻璃外壳2内充入氩气、使氩气存在于铷原子气室3之间，使得多个铷原子气室所处的环境内外气压相同，从而减少铷原子向玻璃的渗透，起到稳定铷原子气室气压的作用。然后封闭排气孔1，实现密集型多泡结构的铷原子气室。
由于各个微原子气泡不直接与外界接触，与现有技术的单泡原子气室相比(其结构如图1所示)，其温度受外界的影响也会减弱。通过使用上述的一种复眼式堆叠密集型多泡结构的铷原子气室，可解决困扰本领域研究人员几十年的铷原子频标长期稳定度差的瓶颈问题。
实施例2
为了进一步降低气室内温度漂移和压力频移，可以在实施例1的铷原子气室的基础上设置进一步的第二玻璃外壳5，通过支架6将实施例1的铷原子气室固定在第二玻璃外壳5内，如图3所示。通过预留在第二玻璃外壳5上的第二排气孔4将两层玻璃外壳间抽成真空，以进一步提高处于内层的玻璃外壳保温作用，从而更大程度的解决铷原子频标的长期稳定度差的瓶颈问题。

Claims (9)

1.一种具有复眼式堆叠密集型多泡结构的原子气室，所述原子气室包括玻璃外壳和填充在玻璃外壳内的介质，其特征在于所述玻璃外壳内还设置多个由玻璃壁构造的以密集复眼式堆叠的微原子气泡，所述微原子气泡内填充碱金属原子和缓冲气体，所述介质是真空、碱金属原子、缓冲气体或缓冲气体和碱金属原子。
2.根据权利要求1所述的原子气室，其特征在于所述玻璃外壳是球形或圆柱形。
3.根据权利要求2所述的原子气室，其特征在于所述圆柱形的玻璃外壳的直径是8毫米至50毫米，长度是6毫米至60毫米。
4.根据权利要求1所述的原子气室，其特征在于所述微原子气泡的直径是0.1毫米至10毫米。
5.根据权利要求1所述的原子气室，其特征在于所述缓冲气体选自氮气、氩气或氮气和氩气的混合气体。
6.根据权利要求1所述的原子气室，其特征在于所述碱金属原子选自铷原子、铯原子、钠原子或钾原子。
7.根据权利要求6所述的原子气室，其特征在于所述铷原子是纯铷87原子、铷85原子或者自然丰度的铷原子。
8.根据权利要求1所述的原子气室，其特征在于所述原子气室还包括设置在所述玻璃外壳以外的第二玻璃外壳，通过支架将所述玻璃外壳固定在所述第二玻璃外壳内，所述玻璃外壳与第二玻璃外壳之间是第二介质。
9.根据权利要求8所述的原子气室，其特征在于所述第二介质是真空、碱金属原子、缓冲气体或缓冲气体和碱金属原子。
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