CN112769433A - 一种原子钟用碱金属气泡的制备***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种原子钟用碱金属气泡的制备***及方法，涉及原子钟领域。***包括腔体、真空泵组、反应装置、真空计和质谱仪。先利用真空泵组为腔体内部提供真空环境；利用反应装置产生制备所需的碱金属气体；利用真空计对腔体内的真空度进行实时监测；待腔体内的真空度符合制备条件时，开启腔体内的加热装置对腔体加热，当腔体内达到制备所需温度时，向腔体内通入碱金属气体，当碱金属气体的原子成分比例符合制备要求时，利用腔体内的制备装置对充有碱金属气体的待封接容器和与待封接容器开口一致的玻璃底板进行封接，完成碱金属气泡的制备。本发明能够有效提高碱金属气泡的制备效率，提高制备一致性以及制备质量。
Description
技术领域
本发明涉及原子钟领域，特别是涉及一种原子钟用碱金属气泡的制备***及方法。
背景技术
原子钟是一种精确的计时装置，其基于原子物理学原理，利用原子从一个能量态跃迁至低的能量态时释放的电磁波频率实现精确计时。
碱金属原子钟是原子钟的一种，可利用碱金属气泡为碱金属原子钟提供精确计时所需的碱金属原子。
然而现有在制备碱金属气泡时，多采用火工玻璃烧结的方式，该方法对操作人员的经验要求高，且在火工烧结的过程中存在很多内在或外在的不确定因素，导致制备一致性差。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种原子钟用碱金属气泡的制备***及方法。能够有效解决碱金属气泡制备所需经验要求高、制备一致性差以及制备效率低等问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种原子钟用碱金属气泡的制备***，包括：
腔体，用于提供气泡制备场所；
反应装置，用于产生并提供制备所需的碱金属气体；
真空泵组，用于为所述腔体提供真空环境；
真空计，用于对所述腔体内的真空度进行实时监测；
所述真空泵组、所述反应装置和所述真空计均位于所述腔体的外部，但均与所述腔体的内部连通；
质谱仪，位于所述腔体的外部，用于实时监测所述腔体内所述碱金属气体的原子成分比例；
待所述腔体内的真空度符合制备要求时，所述腔体内的加热装置对所述腔体加热；当所述腔体内达到制备所需温度时，所述反应装置向所述腔体内通入所述碱金属气体；当所述碱金属气体的原子成分比例符合制备要求时，所述腔体内的制备装置对充有所述碱金属气体的待封接容器和与所述待封接容器开口一致的玻璃底板进行封接，完成所述碱金属气泡的制备。
本发明还提供了一种原子钟用碱金属气泡的制备方法，基于原子钟用碱金属气泡的制备***实现，包括以下步骤：
利用真空泵组为腔体内部提供真空环境；
利用反应装置产生制备所需的碱金属气体；
利用真空计对所述腔体内的真空度进行实时监测；
待所述腔体内的真空度符合制备条件时，开启所述腔体内的加热装置对所述腔体加热；当所述腔体内达到制备所需温度时，向所述腔体内通入所述碱金属气体；当所述碱金属气体的原子成分比例符合制备要求时，利用所述腔体内的制备装置对充有所述碱金属气体的待封接容器和与所述待封接容器开口一致的玻璃底板进行封接，完成所述碱金属气泡的制备。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
1)本发明为实现碱金属气泡的制备操作简单，对操作人员要求不高：在制备前，需要操作人员将待封接容器和玻璃底板放入腔体内，将待反应化学药品或碱金属放入反应装置内，事先设定制备碱金属气泡所需的真空度要求、温度要求以及气体成分比例要求；在制备过程中，操作人员仅需在达到上述要求时通过控制腔体内的样品转盘、摄像头、机械操作手和激光器就可制备出工艺和密封程度良好的碱金属气泡。
2)本发明可将腔体内的样品转盘、摄像头、机械操作手和激光器设置为多个，并在腔体内放入多套待封接容器和玻璃底板，通过同时控制多个设备，可在相同制备条件下同时制备出多个碱金属气泡，制备效率较高；且由于多个碱金属气泡是在同等条件下制备得到的，即它们的制备一致性也较好。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1中原子钟用碱金属气泡的制备***的结构示意图。
符号说明：
1-真空泵组，2-腔体，3-反应装置，4-真空计，5-样品转盘，6-激光器，7-摄像头，8-机械操作手，9-质谱仪。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
现有技术中在制备原子钟用碱金属气泡时对操作人员的要求较高、制备时不确定因素较多、制备一致性较差、制备效率较低。
本发明提出了一种原子钟用碱金属气泡的制备***和一种基于该***的的制备方法，利用简单的***结构和简单的方法就可同时解决上述问题。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1：
如图1为本发明实施例1中原子钟用碱金属气泡的制备***的结构示意图。
其中，制备***包括腔体2、反应装置3、真空泵组1、真空计4和质谱仪9。
腔体2用于提供气泡制备场所；
反应装置3用于产生并提供制备所需的碱金属气体；
真空泵组1用于为腔体提供真空环境；
真空计4用于对腔体2内的真空度进行实时监测；
质谱仪9用于实时监测腔体2内碱金属气体的原子成分比例。
在位置关系上，反应装置3、真空泵组1、真空计4和质谱仪9均位于腔体2的外部。其中，反应装置3、真空泵组1和真空计4均与腔体2的内部连通。
接下来对制备***内的结构做进一步描述。
腔体2内部的制备装置包括样品转盘5、机械操作手8、激光器6和摄像头7。
其中，样品转盘5用于承载并转动玻璃底板使玻璃底板改变角度；
具体地，可通过与样品转盘5连接的位于腔体2外部的摇把实现样品转盘5的转动。
机械操作手8用于抓取待封接容器，并在碱金属气体的原子成分比例符合制备要求时，机械操作手8将充有碱金属气体的待封接容器的开口处与玻璃底板拼接；
激光器6用于利用发射的激光封接待封接容器开口处与玻璃底板的接触位置；
具体地，可通过设置在腔体2外部的控制装置或控制***对激光器6的发射位置、发射角度或激光强度进行调节。
摄像头7用于实时观察样品转盘5、机械操作手8和激光器6的工作情况。
具体地，在腔体2内碱金属气体的原子成分比例符合制备要求时，可通过摄像头7实时观察样品转盘5的转动角度，配合样品转盘5的摇把对样品转盘5的角度进行调整，并使多个样品转盘5做圆周运动，以使承载在样品转盘5上的玻璃底板与待封接容器的开口处充分封接。
更具体地，为了提高碱金属气泡的制备效率，可将腔体2内的样品转盘5、机械操作手8、激光器6和摄像头7的数量由一个增加为多个，在同等真空度、同等加热温度以及同等气体成分比例的情况下，可同时实现多个碱金属气泡的制备。
另外，可通过设置在腔体2内的加热装置使腔体2内达到制备所需的温度，该加热装置可为铠装加热丝，加热温度为300℃-500℃。
腔体2的顶部设有刀口法兰，用于在将待封接容器和玻璃底板放入腔体2后，利用刀口法兰固封腔体2的顶部。
反应装置3的一端安装有刀口法兰盘，用于在将反应药品或碱金属放入反应装置3后，利用刀口法兰盘固封反应装置3；
具体地，通过螺丝和铜垫圈对刀口法兰盘进行紧密固封。
反应装置3的另一端通过角阀与腔体2的内部连通，用于在腔体2内达到制备所需温度时，通过打开角阀将碱金属气体从反应装置3通入到腔体2内。
具体地，反应装置3内安装有加热丝，用于对反应药品或碱金属进行加热以产生碱金属气体，加热温度为100℃-300℃。
另外，本发明的真空泵组1为干泵与分子泵的组合。干泵含油分子少，可提供低真空环境，实现碱金属气泡的低真空制备；分子泵可提供高真空环境，实现碱金属气泡的高真空制备。
其中，低真空指的是压强在105Pa-102Pa的真空环境，高真空指的是压强小于10- 1Pa的真空环境。
本发明中将碱金属气泡制备所需真空度设置为10-7Pa。
另外，在连接关系上，真空泵组1和反应装置3均通过角阀与腔体的内部连通。
本发明的腔体2为不锈钢材质。
实施例2：
本发明还在实施例2中介绍了一种原子钟用碱金属气泡的制备方法，基于实施例1中的原子钟用碱金属气泡的制备***实现。
具体包括以下步骤：
在制备碱金属气泡前：
先将待封接容器放入腔体2内，将玻璃底板放在腔体2内的样品转盘5上，并通过腔体2顶部的刀口法兰对顶部固封；将配置好比例的化学药品放入反应装置3内，或者直接将碱金属放入反应装置3内，并通过反应装置3一端的刀口法兰盘固封。
之后通过真空泵组1为腔体2提供真空环境。当腔体2内的真空度符合充制条件时(本发明实施例中的真空度充制条件为10-7Pa)，利用腔体2内的加热装置对腔体2进行加热，当达到制备所需温度时，通过反应装置3内的加热丝对化学药品进行加热，使其反应产生碱金属气体；或者直接对纯的碱金属加热，使其直接蒸发出碱金属气体。打开反应装置3与腔体2间的角阀，使得产生的碱金属气体进入腔体2内。
通过设置在腔体2外部的质谱仪9对腔体2内的碱金属气体成分比例进行实时监测，若腔体2内的真空度符合制备条件、温度符合制备条件且碱金属气体成分比例符合制备条件，则可制备碱金属气泡。
在制备碱金属气泡时：
通过腔体2内样品转盘5、摄像头7和机械操作手8的配合，将腔体2内的待封接容器放置在样品转盘5上，并与样品转盘5上的玻璃底板紧密拼接。其中，样品转盘5的形状和尺寸与待封接容器开口处的形状和尺寸一致。
通过调节腔体2内激光器6的激光发射位置、发射角度或发射光强并照射样品转盘5上待封接容器与玻璃底板的拼接处，可实现待封接容器与玻璃底板的完全密封，进而可得到制备好的碱金属气泡。
另外，为了提高碱金属气泡的制备效率，并保证制备一致性。可将腔体2内的样品转盘5、机械操作手8、激光器6和摄像头7设置为多个，同时控制多个样品转盘5旋转，通过控制多个机械操作手8将待封接容器放置到样品转盘5的玻璃底板上，同时控制多个激光器6对多个待封接容器和多个对应的玻璃底板进行封接，进而可在相同制备条件下同时制备出多个碱金属气泡。
而且本发明的制备***和制备方法不受待封接容器和玻璃底板形状的限制，可制备出不同形状的碱金属气泡。
基于上述，本发明提出的原子钟用碱金属气泡的制备***及方法能够有效解决现有技术中碱金属气泡制备所需经验要求高、制备一致性差以及制备效率低等问题，能够有效推动原子钟领域中碱金属气泡制备技术的发展。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种原子钟用碱金属气泡的制备***，其特征在于，包括：
腔体，用于提供气泡制备场所；
反应装置，用于产生并提供制备所需的碱金属气体；
真空泵组，用于为所述腔体提供真空环境；
真空计，用于对所述腔体内的真空度进行实时监测；
所述真空泵组、所述反应装置和所述真空计均位于所述腔体的外部，但均与所述腔体的内部连通；
质谱仪，位于所述腔体的外部，用于实时监测所述腔体内所述碱金属气体的原子成分比例；
待所述腔体内的真空度符合制备要求时，所述腔体内的加热装置对所述腔体加热；当所述腔体内达到制备所需温度时，所述反应装置向所述腔体内通入所述碱金属气体；当所述碱金属气体的原子成分比例符合制备要求时，所述腔体内的制备装置对充有所述碱金属气体的待封接容器和与所述待封接容器开口一致的玻璃底板进行封接，完成所述碱金属气泡的制备。
2.根据权利要求1所述的原子钟用碱金属气泡的制备***，其特征在于，所述制备装置包括：
样品转盘，用于承载并转动所述玻璃底板使所述玻璃底板改变角度；
机械操作手，用于抓取所述待封接容器，并在所述碱金属气体的原子成分比例符合制备要求时，将充有所述碱金属气体的所述待封接容器的开口处与所述玻璃底板拼接；
激光器，用于利用发射的激光封接所述待封接容器开口处与所述玻璃底板的接触位置；
摄像头，用于实时观察所述样品转盘、所述机械操作手和所述激光器的工作情况；
所述样品转盘、所述机械操作手、所述激光器和所述摄像头的数量均为至少一个。
3.根据权利要求1所述的原子钟用碱金属气泡的制备***，其特征在于，所述真空泵组为干泵与分子泵的组合。
4.根据权利要求1所述的原子钟用碱金属气泡的制备***，其特征在于，所述真空泵组和所述反应装置均通过角阀与所述腔体的内部连通。
5.根据权利要求1所述的原子钟用碱金属气泡的制备***，其特征在于，所述腔体的顶部设有刀口法兰，用于在将所述待封接容器和所述玻璃底板放入所述腔体后，利用所述刀口法兰固封所述腔体的顶部。
6.根据权利要求1所述的原子钟用碱金属气泡的制备***，其特征在于，
所述反应装置的一端安装有刀口法兰盘，用于在将反应药品或碱金属放入所述反应装置后，利用所述刀口法兰盘固封所述反应装置；
所述反应装置的另一端通过角阀与所述腔体的内部连通，用于在所述腔体内达到制备所需温度时，通过打开所述角阀将所述碱金属气体从所述反应装置通入到所述腔体内。
7.根据权利要求6所述的原子钟用碱金属气泡的制备***，其特征在于，所述反应装置内安装有加热丝，用于对所述反应药品或所述碱金属进行加热以产生所述碱金属气体，加热温度为100℃-300℃。
8.根据权利要求1所述的原子钟用碱金属气泡的制备***，其特征在于，所述腔体内的加热装置为铠装加热丝，加热温度为300℃-500℃。
9.根据权利要求1所述的原子钟用碱金属气泡的制备***，其特征在于，所述腔体为不锈钢材质。
10.一种原子钟用碱金属气泡的制备方法，其特征在于，基于权利要求1-9所述的原子钟用碱金属气泡的制备***实现，包括以下步骤：
利用真空泵组为腔体内部提供真空环境；
利用反应装置产生制备所需的碱金属气体；
利用真空计对所述腔体内的真空度进行实时监测；
待所述腔体内的真空度符合制备条件时，开启所述腔体内的加热装置对所述腔体加热；当所述腔体内达到制备所需温度时，向所述腔体内通入所述碱金属气体；当所述碱金属气体的原子成分比例符合制备要求时，利用所述腔体内的制备装置对充有所述碱金属气体的待封接容器和与所述待封接容器开口一致的玻璃底板进行封接，完成所述碱金属气泡的制备。
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