CN111060088A - 一种高压原子气室制造***及方法 - Google Patents

Abstract

一种高压原子气室制造***及方法，包括：真空控制***、气室分装器、原子气室及连接细管、填充气体***、碱金属反应***、承压容器、高能激光器。其中承压容器可以控制原子气室外部的气体压强，使外部压强始终高于气室内部，以实现气室的负压熔封；其中，高能激光器采用二氧化碳激光器，可实现对原子气室的非接触高效率熔封。采用本装置制备的高压原子气室压强更高且可控(数个至十几个大气压)稳定，气室内组分可精确控制，为高压原子气室获得更优性能奠定基础。

Description

一种高压原子气室制造***及方法

技术领域

本发明涉及一种高压原子气室制造***及方法，属于原子气室制造技术领域。特别是一种高压原子气室的制造***，以及利用该***制造高压原子气室的方法。

背景技术

高压原子气室内填充碱金属(钾、铷或铯)和工作气体(氙气，氮气等)，是SERF陀螺仪、SERF磁力仪的核心部件，是原子极化、自旋交换、自旋弛豫自旋进动等过程发生的物理场所,将直接影响上述仪表的最终精度。为了制备出更加稳定的SERF态，原子气室内的充制气压需要达到几个到十几个大气压，用以抑制极化原子的自旋交换碰撞弛豫，以实现极高灵敏度的量子精密测量。

早期的原子气室多采用吹制工艺制成的球型玻璃结构，光束会在球型气室传播过程中多次折返，因此会产生给信号带来不利影响的杂散光。现阶段，原子气室多采用玻璃立方/圆柱形结构。2008年以来，北京航空航天大学于开展了SERF陀螺仪的研究，其研制的原子气室为圆柱形，尺度在10mm以上。

当前，针对气室内填充气压高于0.1MPa的情况，采用液氮浸泡然后熔封的方式。通过利用液氮冷却气室内的气体，使其压强降至0.1MPa以下，再进行气室熔封。熔封后的气室恢复常温后，气室内压强恢复至0.1MPa以上。该方案的缺点主要有三点：一是液氮温度(-196℃)下可能会导致部分气体(Xe)液化或凝固，从而引起成品气室内气体组分的偏差；二采用液氮浸泡法制取的气室压力最高约0.3MPa,且无法主动控制气室内压强，这限制了气室压力的继续提高；三是采用液氮过程中存在冻伤、***、窒息等一系列安全隐患。显然，液氮浸泡方案难以适应高压原子气室气体组分精确控制和更高压强的发展方向。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出了一种高压原子气室制造***及方法，不同于现有的大气压下进行原子气室熔封，本发明将原子气室置于高压气氛容器中，利用非接触式加热对其中进行熔封，获得远高于以前的气室压强。本发明中通过控制气室外气氛压力，使得气室内始终保持相对负压，利用二氧化碳激光器实现对其进行非接触熔封。

本发明的技术方案是：

一种高压原子气室制造***，包括：真空控制***、气室分装器、原子气室、连接细管、填充气体***、碱金属反应***、承压容器、压力控制***、高能激光器；

气室分装器通过n根连接细管分别连接有n个原子气室；其中，n为正整数；

填充气体***通过管路连接气室分装器，填充气体***用于向气室分装器输送填充气体；

碱金属反应***通过管路连接气室分装器，碱金属反应***进行化学反应制取碱金属并向气室分装器输送碱金属；

真空控制***用于抽除气室分装器、连接细管、原子气室内的空气，使气室分装器、连接细管、原子气室内为高真空环境；

气室分装器用于将碱金属和填充气体均匀分配至各个原子气室，每个原子气室内碱金属和填充气体的组分一致；

气室分装器、n根连接细管和n个原子气室均设置在承压容器的腔体内，压力控制***用于控制承压容器内的压力大于原子气室内部的压力；

承压容器壁上对应原子气室的位置设置有激光光窗；

高能激光器用于在原子气室完成碱金属和填充气体填充后，通过激光光窗向连接细管和原子气室的连接处发射激光实现原子气室的非接触熔封；

所述连接细管的壁厚取值范围为1～2mm，连接细管的直径取值范围为3～4mm。

一种利用上述的一种高压原子气室制造***进行高压原子气室制造的方法，包括以下步骤：

1)气室分装器通过n根连接细管分别连接有n个原子气室，同时，气室分装器通过管路连接填充气体***、碱金属反应***和真空控制***；开启真空控制***，通过置换气将气室分装器、连接细管、原子气室内抽真空，且真空度高于10^-5Pa；

2)对碱金属反应***进行加热，碱金属反应***的化学反应产生足量碱金属输送至气室分装器，通过热驱动使碱金属均匀分配至各个原子气室；

3)按照给定的气体组分比例，填充气体***向气室分装器内充入额定组分气体，通过扩散效应分配至各个原子气室；

4)安装承压容器，承压容器内充入惰性气体，使承压容器内压强高于原子气室内压强0.05-0.1MPa；

5)移动高能激光器对连接细管和原子气室连接处的熔封点进行瞄准聚焦，开启高能激光器对熔封点进行脉冲加热，熔封处玻璃软化直至在内外压差作用下实现完全熔封后，关闭高能激光器；

6)重复步骤5)n次将n个原子气室分别进行熔封；

7)将承压容器内的惰性气体排空，恢复常压后拆下承压容器，摘取熔封后的原子气室；

8)对取出后的原子气室进行检查，对熔封接口进行二次处理，对其表面进行清洁。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

1)采用本发明制备的高压原子气室时，气室内填充气体无相变发生，气室内组分可精确控制；

2)采用本发明制备的高压原子气室压强更高且可控稳定，气室填充压强可达数个至十几个大气压；

3)采用本发明制备的高压原子气室操作简易，生产效率高，安全性好。

附图说明

图1为本发明***示意图。

其中，1为真空控制***，2为气室分装器，3为填充气体***，4为碱金属反应***，5为连接细管，6为原子气室，7为承压容器，8为压力控制***，9为高能激光器，10为熔封点。

具体实施方式

本发明一种高压原子气室制造***，如图1所示，包括：真空控制***1、气室分装器2、原子气室6、连接细管5、填充气体***3、碱金属反应***4、承压容器7、压力控制***8、高能激光器9。

气室分装器2通过n根连接细管5分别连接有n个原子气室6；其中，n为正整数；

填充气体***3通过管路连接气室分装器2，填充气体***3用于向气室分装器2输送填充气体；

碱金属反应***4通过管路连接气室分装器2，碱金属反应***4进行化学反应制取碱金属并向气室分装器2输送碱金属；

真空控制***1用于抽除气室分装器2、连接细管5、原子气室6内的空气，使气室分装器2、连接细管5、原子气室6内为高真空环境；

气室分装器2用于将碱金属和填充气体均匀分配至各个原子气室6，每个原子气室6内碱金属和填充气体的组分一致；

气室分装器2、n根连接细管5和n个原子气室6均设置在承压容器7的腔体内，压力控制***8用于控制承压容器7内的压力大于原子气室6内部的压力；原子气室6外部压强始终高于气室内部，以实现气室的负压熔封；

承压容器7壁上对应原子气室6的位置设置有激光光窗；

高能激光器9用于在原子气室6完成碱金属和填充气体填充后，通过激光光窗向连接细管5和原子气室6的连接处发射激光实现原子气室6的非接触熔封；所述高能激光器9具体采用二氧化碳激光器实现，高能激光器9的工作波长为10600nm。

所述连接细管5的壁厚取值范围为1～2mm，连接细管5的直径取值范围为3～4mm。

所述真空控制***1包括：机械泵、分子泵和离子泵；

离子泵、分子泵、机械泵、气室分装器2依次通过管路连接。机械泵用于真空抽至10Pa，分子泵用于真空抽至10^-3Pa，离子泵用于真空抽至10^-5Pa

所述填充气体包括：氙气¹²⁹Xe、氙气¹³¹Xe、氦气He、氮气N₂；

所述氙气¹²⁹Xe、氙气¹³¹Xe、氦气He、氮气N₂的体积比为1:2:10:20；

所述碱金属包括：钾K、铷Rb和铯Cs。

所述承压容器7为不锈钢材质，承压容器7配置压力传感器、充排气接口和安全阀。

一种利用上述的一种高压原子气室制造***进行高压原子气室制造的方法，包括以下步骤：

1)气室分装器2通过n根连接细管5分别连接有n个原子气室6，同时，气室分装器2通过管路连接填充气体***3、碱金属反应***4和真空控制***1；开启真空控制***1，通过置换气将气室分装器2、连接细管5、原子气室6内抽真空，且真空度高于10^-5Pa；对气体填充管路、气室分装器2、原子气室及连接细管5进行置换气清洗去除杂气，获得极限真空10^{- 5}Pa以上。

2)对碱金属反应***4进行加热，碱金属反应***4的化学反应产生足量碱金属输送至气室分装器2，通过热驱动使碱金属均匀分配至各个原子气室6；

3)按照给定的气体组分比例，填充气体***3向气室分装器2内充入额定组分气体，通过扩散效应分配至各个原子气室6；即填充气体***3在气室分装器2、原子气室及连接细管5等达到高真空以后，按照配比依次向气室分装器2内充入不同种类气体，留取足够时间使不同气体充分扩散均匀；

4)不拆除碱金属反应***4、填充气体***3直接安装承压容器7，承压容器7内充入惰性气体，使承压容器7内压强高于原子气室6内压强0.05-0.1MPa；

5)移动高能激光器9对连接细管5和原子气室6连接处的熔封点进行瞄准聚焦，开启高能激光器9对熔封点进行脉冲加热，熔封处玻璃软化直至在内外压差作用下实现完全熔封后，关闭高能激光器9；

6)重复步骤5)n次将n个原子气室分别进行熔封；

7)将承压容器7内的惰性气体排空，恢复常压后拆下承压容器7，摘取熔封后的原子气室6；

8)对取出后的原子气室6进行检查，对熔封接口进行二次处理，对其表面进行清洁。

本装置中承压容器7为不锈钢材质，承压容器7上配置激光光窗、压力传感器、充排气接口和安全阀等。承压容器7可以控制原子气室外部的气体压强，使外部压强始终高于气室内部，以实现气室的负压熔封；本装置中高能激光器9采用工作波长为10600nm的二氧化碳激光器；以上部分完成高压原子气室的熔封。

具体的操作流程为：

1)将碱金属反应***4、填充气体***3、气室分装器2(通过玻璃细管连接多个原子气室玻壳)等接入真空控制***1，开启真空控制***1，通过多次置换气抽真空，使***内真空优于10^-5Pa；

2)对碱金属反应***4进行加热，化学反应产生足量碱金属进入气室分装器2，通过热驱动使碱金属均匀分配至各个原子气室6；

3)按照给定气体组分比例，填充气体***3向气室分装器2内充入额定组分气体，通过扩散效应分配至各个原子气室6；

4)安装承压容器7，承压容器7内充入惰性气体，使容器内压强略高于气室内压强；

5)移动激光器对气室熔封点进行瞄准聚焦，开启激光器对玻璃细管进行脉冲加热，熔封处玻璃软化直至在内外压差作用下实现完全熔封，关闭激光器；

6)利用步骤5)中方法依次将各个原子气室6进行熔封，关闭激光器；

7)将承压容器7内的惰性气体排空，恢复常压后拆下承压容器7，摘取熔封后的原子气室；

8)对取出后的原子气室6进行检查，对熔封接口进行二次处理，对其表面进行清洁。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种高压原子气室制造***，其特征在于，包括：真空控制***(1)、气室分装器(2)、原子气室(6)、连接细管(5)、填充气体***(3)、碱金属反应***(4)、承压容器(7)、压力控制***(8)、高能激光器(9)；

气室分装器(2)通过n根连接细管(5)分别连接有n个原子气室(6)；其中，n为正整数；

填充气体***(3)通过管路连接气室分装器(2)，填充气体***(3)用于向气室分装器(2)输送填充气体；

碱金属反应***(4)通过管路连接气室分装器(2)，碱金属反应***(4)进行化学反应制取碱金属并向气室分装器(2)输送碱金属；

真空控制***(1)用于抽除气室分装器(2)、连接细管(5)、原子气室(6)内的空气，使气室分装器(2)、连接细管(5)、原子气室(6)内为高真空环境；

气室分装器(2)用于将碱金属和填充气体均匀分配至各个原子气室(6)，每个原子气室(6)内碱金属和填充气体的组分一致；

气室分装器(2)、n根连接细管(5)和n个原子气室(6)均设置在承压容器(7)的腔体内，压力控制***(8)用于控制承压容器(7)内的压力大于原子气室(6)内部的压力；

承压容器(7)壁上对应原子气室(6)的位置设置有激光光窗；

高能激光器(9)用于在原子气室(6)完成碱金属和填充气体填充后，通过激光光窗向连接细管(5)和原子气室(6)的连接处发射激光实现原子气室(6)的非接触熔封；

所述连接细管(5)的壁厚取值范围为1～2mm，连接细管(5)的直径取值范围为3～4mm。

2.根据权利要求1所述的一种高压原子气室制造***，其特征在于，所述高能激光器(9)具体采用二氧化碳激光器实现，高能激光器(9)的工作波长为10600nm。

3.根据权利要求1所述的一种高压原子气室制造***，其特征在于，所述真空控制***(1)包括：机械泵、分子泵和离子泵；

离子泵、分子泵、机械泵、气室分装器(2)依次通过管路连接。

4.根据权利要求1所述的一种高压原子气室制造***，其特征在于，所述填充气体包括：氙气¹²⁹Xe、氙气¹³¹Xe、氦气He、氮气N₂；

所述氙气¹²⁹Xe、氙气¹³¹Xe、氦气He、氮气N₂的体积比为1:2:10:20；

所述碱金属包括：钾K、铷Rb和铯Cs。

5.根据权利要求1所述的一种高压原子气室制造***，其特征在于，所述承压容器(7)为不锈钢材质，承压容器(7)配置压力传感器、充排气接口和安全阀。

6.一种利用如权利要求1所述的一种高压原子气室制造***进行高压原子气室制造的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)气室分装器(2)通过n根连接细管(5)分别连接有n个原子气室(6)，同时，气室分装器(2)通过管路连接填充气体***(3)、碱金属反应***(4)和真空控制***(1)；开启真空控制***(1)，通过置换气将气室分装器(2)、连接细管(5)、原子气室(6)内抽真空，且真空度高于10^-5Pa；

2)对碱金属反应***(4)进行加热，碱金属反应***(4)的化学反应产生足量碱金属输送至气室分装器(2)，通过热驱动使碱金属均匀分配至各个原子气室(6)；

3)按照给定的气体组分比例，填充气体***(3)向气室分装器(2)内充入额定组分气体，通过扩散效应分配至各个原子气室(6)；

4)安装承压容器(7)，承压容器(7)内充入惰性气体，使承压容器(7)内压强高于原子气室(6)内压强0.05-0.1MPa；

5)移动高能激光器(9)对连接细管(5)和原子气室(6)连接处的熔封点进行瞄准聚焦，开启高能激光器(9)对熔封点进行脉冲加热，熔封处玻璃软化直至在内外压差作用下实现完全熔封后，关闭高能激光器(9)；

6)重复步骤5)n次将n个原子气室分别进行熔封；

7)将承压容器(7)内的惰性气体排空，恢复常压后拆下承压容器(7)，摘取熔封后的原子气室(6)；

8)对取出后的原子气室(6)进行检查，对熔封接口进行二次处理，对其表面进行清洁。

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