RU2811394C1 - Source of atoms - Google Patents

Abstract

FIELD: quantum electronics.

SUBSTANCE: devices for producing a directed beam of atoms, used in atomic beam frequency standards with atomic beams, for example, strontium, ytterbium, rubidium or cesium. The result is achieved by proposing a source of atoms containing a vacuum flange mechanically connected to a heat insulator-screen, inside of which there is a microreservoir containing tubular heaters located radially on the side of the vacuum flange along the entire length of the microreservoir, on the opposite side of which there is a collimating device attached to it with a pressure cap, while the microreservoir is connected to a heat insulator-screen in the plane of the collimating device.

EFFECT: increasing the thermal insulation of the heating device of the microreservoir and the maintainability of optical and atomic beam frequency standards.

1 cl, 5 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к области квантовой электроники, устройствам для получения направленного пучка атомов, и может быть использовано в атомно-лучевых стандартах частоты с атомными пучками, например, стронция, иттербия, рубидия или цезия.The present invention relates to the field of quantum electronics, devices for producing a directed beam of atoms, and can be used in atomic beam frequency standards with atomic beams, for example, strontium, ytterbium, rubidium or cesium.

В оптических стандартах частоты процесс использования сверхточного атомного перехода начинается с получения необходимого количества парообразного активного вещества, например, стронция или иттербия, внутри вакуумной камеры. Происходит образование потока испаряемого вещества путем нагрева в условиях высокого вакуума внутри специального устройства - источника атомов (ИсА), до температуры, при которой давление насыщенного пара вещества в несколько раз выше, чем давление остаточных газов.In optical frequency standards, the process of using ultra-precise atomic transition begins with obtaining the required amount of a vaporous active substance, such as strontium or ytterbium, inside a vacuum chamber. A stream of evaporated substance is formed by heating under high vacuum conditions inside a special device - an atomic source (AS), to a temperature at which the saturated vapor pressure of the substance is several times higher than the pressure of the residual gases.

Принцип действия источника атомов (ИсА) основывается на получении направленного пучка атомов с низкой угловой геометрической расходимостью. При тепловой возгонке рабочего вещества, например, стронция или иттербия, помещенных в микрорезервуар внутри ИсА с определенной температурой (400-600°С), давление паров атомов становится достаточным, чтобы преодолеть выходное коллимирующее устройство. Коллимирующее устройство представляет собой набор капилляров - металлических, керамических или кварцевых трубочек диаметром 100-300 мкм и длиной 5-15 мм, проходя которые, пучок атомов приобретает направленность.The operating principle of an atomic source (AS) is based on obtaining a directed beam of atoms with a low angular geometric divergence. During thermal sublimation of a working substance, for example, strontium or ytterbium, placed in a microreservoir inside the ISA at a certain temperature (400-600°C), the vapor pressure of the atoms becomes sufficient to overcome the output collimating device. The collimating device is a set of capillaries - metal, ceramic or quartz tubes with a diameter of 100-300 microns and a length of 5-15 mm, through which the beam of atoms acquires directionality.

В оптических стандартах частоты на сегодняшний день разделяют два основных типа источников, которые различаются по способу нагрева микрорезервуара с рабочим веществом, ремонтопригодности и степени изоляции нагревательного элемента от окружающей среды.In optical frequency standards today, there are two main types of sources, which differ in the method of heating the microreservoir with the working substance, maintainability, and the degree of isolation of the heating element from the environment.

Первый тип ИсА, представляет собой вакуумный патрубок (ниппель) со встроенным коллимирующим устройством, входящий в состав вакуумной системы. Навеска активного вещества, например, стронция, помещается непосредственно в вакуумный патрубок. Нагрев навески происходит снаружи через стенки патрубка до рабочей температуры 400-600°С резистивным нагревателем вместе со всем вакуумным патрубком и, подсоединенными к нему частями вакуумной системы, например, оптического спектроскопа. В данной конструкции сменный нагреватель размещается снаружи вне вакуумного объема, что влечет за собой усложнение и громоздкость конструкции теплоизолирующих устройств. В случае выхода из строя нагревателя, ремонт может быть осуществлен только с полным снятием патрубка с активным веществом и разгерметизацией части или всей вакуумной системы. В случае с активно-взаимодействующими с кислородом активными веществами, такими как стронций, это ведет потере всей навески (заправки) ИсА.The first type of ISA is a vacuum pipe (nipple) with a built-in collimating device, which is part of the vacuum system. A sample of the active substance, for example strontium, is placed directly into the vacuum pipe. The sample is heated from the outside through the walls of the pipe to an operating temperature of 400-600°C by a resistive heater along with the entire vacuum pipe and parts of the vacuum system connected to it, for example, an optical spectroscope. In this design, the replaceable heater is placed outside the vacuum volume, which entails a more complicated and cumbersome design of the heat-insulating devices. If the heater fails, repairs can only be carried out with complete removal of the pipe with the active substance and depressurization of part or the entire vacuum system. In the case of active substances that actively interact with oxygen, such as strontium, this leads to the loss of the entire sample (charge) of the ISA.

Второй тип ИсА, представляет собой микрорезервуар с интегрированным в него резистивным нагревателем. Также в микрорезервуар встроено коллимирующее устройство. При этом элементы размещаются внутри вакуумного объема и имеют минимальные потери на теплопроводность через опоры на внешний контур вакуумной системы, а также тепловые радиационные потери. Для ввода электрических сигналов и питания используются, встроенные в вакуумный фланец герметичные вакуумные электрические вводы. В случае выхода из строя внутреннего нагревателя, ремонт может быть осуществлен только с полным снятием ИсА с активным веществом и разгерметизацией части или всей вакуумной системы. Как и в предыдущем случае, снятие ИсА с активно-взаимодействующими с кислородом веществами (металлами), такими как стронций, также ведет к потере всей навески (заправки) ИсА.The second type of ISA is a micro-reservoir with a resistive heater integrated into it. A collimating device is also built into the microreservoir. In this case, the elements are placed inside the vacuum volume and have minimal losses due to thermal conductivity through supports on the external contour of the vacuum system, as well as thermal radiation losses. To input electrical signals and power, sealed vacuum electrical inputs built into the vacuum flange are used. If the internal heater fails, repairs can only be carried out with the complete removal of the IC with the active substance and depressurization of part or the entire vacuum system. As in the previous case, removal of ISA with substances (metals) that actively interact with oxygen, such as strontium, also leads to the loss of the entire sample (charge) of ISA.

Необходимость применения ИсА нового типа заключается в том, что в существующих ИсА не обеспечивается достаточная ремонтопригодность и одновременно удовлетворительная тепловая изоляция нагреваемых элементов ИсА. Предлагается схема с расположением нагревателя вне вакуумного объема с простой системой тепловой изоляции, совмещенной с тепловым экраном и расположением нагреваемого микрорезервуара с навеской активного вещества и коллимирующим устройством внутри зоны высокого вакуума. Это позволит осуществлять замену нагревателя (ремонт) с сохранением целостности вакуумной системы, позволит повысить ремонтопригодность оптических стандартов частоты в целом, устранит необходимость полной разгерметизации вакуумной системы и предотвратит потери дорогостоящих навесок (заправок) рабочих веществ.The need to use a new type of ISA lies in the fact that existing ISAs do not provide sufficient maintainability and, at the same time, satisfactory thermal insulation of the heated elements of the ISA. A scheme is proposed with the heater located outside the vacuum volume with a simple thermal insulation system combined with a heat shield and the location of a heated microreservoir with a sample of the active substance and a collimating device inside the high vacuum zone. This will allow the heater to be replaced (repaired) while maintaining the integrity of the vacuum system, will improve the maintainability of optical frequency standards in general, will eliminate the need for complete depressurization of the vacuum system and will prevent the loss of expensive loads (refills) of working substances.

Известен ИсА (Patent No: US 2021/0345475 Al, Date of Patent: Nov. 4, 2021), содержащий фланец вакуумный, механически соединенный с теплоизолирующими дискретными стойками, к которым крепится микрорезервуар, к которому присоединен нагреватель и закреплен односопловый коллиматор. Вся конструкция размещается в вакуумном объеме.An ISA is known (Patent No: US 2021/0345475 Al, Date of Patent: Nov. 4, 2021), containing a vacuum flange mechanically connected to heat-insulating discrete racks, to which a micro-reservoir is attached, to which a heater is attached and a single-nozzle collimator is attached. The entire structure is placed in a vacuum volume.

Однако в указанном ИсА используется размещение элементов целиком внутри вакуумного объема, тепловая изоляция осуществляется через короткие стойки, которые крепятся со стороны противоположной коллиматорному устройству к вакуумному фланцу, электрические контакты имеют технологически сложно изготавливаемые вакуумные электрические вводы через вакуумный фланец, замена резистивного нагревателя не возможна без разгерметизации вакуумной системы, что существенно ухудшает ремонтопригодность оптических и атомно-лучевых стандартов частоты.However, in the specified ISA, the elements are placed entirely inside the vacuum volume, thermal insulation is carried out through short stands, which are attached on the side opposite the collimator device to the vacuum flange, the electrical contacts have technologically complex vacuum electrical inputs through the vacuum flange, replacement of the resistive heater is not possible without depressurization vacuum system, which significantly impairs the maintainability of optical and atomic beam frequency standards.

Кроме того, известно ИсА (Patent No: US 3,667,066, Date of Patent: May. 30, 1972), являющееся прототипом предлагаемого изобретения и содержащее вакуумный фланец, через теплоизолирующую стойку механически соединенный с микрорезервуаром, в который встроен нагреватель, выполненный из нескольких радиально-расположенных маломощных нагревателей, на микрорезервуаре размещается коллимирующее устройство, прижимаемое резьбовым колпаком.In addition, the ISA is known (Patent No: US 3,667,066, Date of Patent: May. 30, 1972), which is a prototype of the proposed invention and contains a vacuum flange, through a heat-insulating rack, mechanically connected to a micro-reservoir, in which a heater is built, made of several radial located low-power heaters, a collimating device is placed on the microreservoir, pressed by a threaded cap.

Однако в указанном устройстве используется размещение элементов целиком внутри вакуумного объема, тепловая изоляция осуществляется через короткую стойку, которая крепится со стороны противоположной коллиматорному устройству к вакуумному фланцу, также электрические контакты имеют технологически сложно изготавливаемые вакуумные электрические вводы через вакуумный фланец, и высокую сложность осуществления электрического соединения электрических контактов между несколькими нагревателями, что также существенно ухудшает ремонтопригодность оптических и атомно-лучевых стандартов частоты.However, the specified device uses the placement of elements entirely inside the vacuum volume, thermal insulation is carried out through a short stand, which is attached on the side opposite the collimator device to the vacuum flange, also the electrical contacts have technologically complex vacuum electrical inputs through the vacuum flange, and the high complexity of the electrical connection electrical contacts between several heaters, which also significantly impairs the maintainability of optical and atomic beam frequency standards.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение теплоизоляции нагревательного устройства микрорезервуара и ремонтопригодности оптических и атомно-лучевых стандартов частоты.The objective of the present invention is to increase the thermal insulation of the microtank heating device and the maintainability of optical and atomic beam frequency standards.

Поставленная задача достигается тем, что в известном устройстве ИсА, содержащем источник атомов, содержит вакуумный фланец, который механически соединен с теплоизолятором-экраном. Внутри теплоизолятора-экрана размещен микрорезервуар, содержащий трубчатые нагреватели расположенные радиально со стороны вакуумного фланца по всей длине микрорезервуара. С противоположной стороны микрорезервуара расположено коллимирующее устройство, прикрепленное к нему прижимным колпаком. При этом микрорезервуар соединен с теплоизолятором-экраном в плоскости коллимирующего устройства.This task is achieved by the fact that in the known ISA device, containing a source of atoms, it contains a vacuum flange, which is mechanically connected to a heat insulator-screen. Inside the heat insulator-screen there is a micro-reservoir containing tubular heaters located radially on the side of the vacuum flange along the entire length of the micro-reservoir. On the opposite side of the microreservoir there is a collimating device attached to it with a pressure cap. In this case, the microreservoir is connected to a heat insulating screen in the plane of the collimating device.

Изобретение поясняется следующими чертежами:The invention is illustrated by the following drawings:

на Фиг. 1 приведен эскизный чертеж ИсА,in Fig. 1 shows a sketch drawing of the ISA,

на Фиг. 2 приведен эскизный чертеж коллимирующего устройства ИсА,in Fig. Figure 2 shows a sketch drawing of the ISA collimating device,

на Фиг. 3 приведен сборочный чертеж элементов ИсА,in Fig. 3 shows an assembly drawing of ISA elements,

на Фиг. 4 приведен эскизный чертеж ИсА в сборе, вид со стороны вакуумной части.in Fig. Figure 4 shows a sketch drawing of the assembled ISA, viewed from the side of the vacuum part.

на Фиг. 5 приведен эскизный чертеж ИсА в сборе, вид со стороны атмосферной (воздушной) части и стороны размещения нагревателей.in Fig. Figure 5 shows a sketch drawing of the assembled ISA, a view from the side of the atmospheric (air) part and the side where the heaters are placed.

ИсА (Фиг. 1) содержит: 1 - вакуумный фланец, 2 - теплоизолятор-экран, 3 -микрорезервуар, 4 - коллимирующее устройство, 5 - прижимной колпак, 6 -нагреватели.ISA (Fig. 1) contains: 1 - vacuum flange, 2 - heat insulator-screen, 3 - microreservoir, 4 - collimating device, 5 - pressure cap, 6 - heaters.

ИсА (Фиг. 2) содержит: 4 - коллимирующее устройство,ISA (Fig. 2) contains: 4 - collimating device,

ИсА (Фиг. 3) содержит: 1 - вакуумный фланец, 2 - теплоизолятор-экран, 3 -микрорезервуар, 4 - коллимирующее устройство, 5 - прижимной колпак, 6 -нагреватели.ISA (Fig. 3) contains: 1 - vacuum flange, 2 - heat insulator-screen, 3 - microreservoir, 4 - collimating device, 5 - pressure cap, 6 - heaters.

ИсА (Фиг. 4) содержит: 1 - вакуумный фланец, 2 - теплоизолятор-экран, 5 -прижимной колпак,ISA (Fig. 4) contains: 1 - vacuum flange, 2 - heat insulator-screen, 5 - pressure cap,

ИсА (Фиг. 5) содержит: 1 - вакуумный фланец, 2 - теплоизолятор-экран, 3 -микрорезервуар, 5 - прижимной колпак.ISA (Fig. 5) contains: 1 - vacuum flange, 2 - heat insulator-screen, 3 - micro-reservoir, 5 - pressure cap.

При этом сторона микрорезервуара 3 с радиально расположенными нагревателями 6, соединена с одной из сторон теплоизолятора-экрана 2, к другой стороне теплоизолятора-экрана 2 присоединен вакуумный фланец 1, также в микрорезервуар 3 с противоположной стороны крепиться коллимирующее устройство 4 прижимным колпаком 5.In this case, the side of the microreservoir 3 with radially located heaters 6 is connected to one of the sides of the heat insulator-screen 2, a vacuum flange 1 is attached to the other side of the heat insulator-screen 2, and a collimating device 4 is attached to the microreservoir 3 on the opposite side with a clamping cap 5.

Вакуумный фланец 1 может быть выполнен из нержавеющей стали или сплава титана, с вырезами для теплоизолятора-экрана 2, теплоизолятор-экран 2 может представлять отрезок тонкостенной герметичной трубы из нержавеющей стали или титана толщиной 300-700 мкм, микрорезервуар 3 может быть выполнен из цельного куска нержавеющей стали или титана, коллимирующее устройство 4 может представлять собой цилиндр из нержавеющей стали или сплава титана с высверленными по всей длине отверстиями с шагом равным диаметру отверстий и составлять -300 микрон, прижимной колпак 5 может быть выполнен из нержавеющей стали, титана или сплава алюминия и должен иметь крепежные отверстия и центральное отверстие для потока атомов, в качестве нагревателей 6 могут быть нагревательные элементы для паяльных станций Lukey 936А А1322 со встроенной термопарой.Vacuum flange 1 can be made of stainless steel or titanium alloy, with cutouts for heat insulator-screen 2, heat insulator-screen 2 can be a piece of thin-walled sealed pipe made of stainless steel or titanium with a thickness of 300-700 microns, micro-tank 3 can be made of a single piece stainless steel or titanium, the collimating device 4 can be a cylinder made of stainless steel or titanium alloy with holes drilled along the entire length with a pitch equal to the diameter of the holes and be -300 microns, the pressure cap 5 can be made of stainless steel, titanium or an aluminum alloy and must have mounting holes and a central hole for the flow of atoms; heaters 6 can be heating elements for Lukey 936A A1322 soldering stations with a built-in thermocouple.

Устройство работает следующим образом, в микрорезервуар 3 со стороны вакуумной части помещается испаряемый элемент - металл, нагревается нагревателями 6, установленными со стороны атмосферы, давление паров атомов металла в вакуумной части становится достаточным, чтобы преодолеть выходное коллимирующее устройство, теплоизолятор-экран 2 препятствует кондуктивному и радиационному распространению теплового потока на элементы вакуумной системы, регулировкой тока нагревателей регулируется температура нагревателей и, следовательно, интенсивность потока атомов выходящего из коллимирующего устройства 4.The device operates as follows: an evaporated element - a metal - is placed in a microreservoir 3 on the side of the vacuum part, heated by heaters 6 installed on the atmospheric side, the vapor pressure of metal atoms in the vacuum part becomes sufficient to overcome the output collimating device, the heat insulator-screen 2 prevents conductive and radiative spread of heat flow to the elements of the vacuum system, by adjusting the current of the heaters, the temperature of the heaters and, consequently, the intensity of the flow of atoms emerging from the collimating device 4 is regulated.

Таким образом, посредством применения ИсА с теплоизолятором-экраном и местом соединения микрорезервуара в плоскости коллимирующего устройства, обеспечивается возможность поместить нагреватели с внешней стороны ИсА без нарушения герметичности вакуумной системы, устранить нагрев внешней части вакуумной системы и, тем самым, обеспечить повышение уровня теплоизоляции нагревательного устройства микрорезервуара и ремонтопригодности оптических и атомно-лучевых стандартов частоты.Thus, by using the ISA with a heat insulator-screen and the junction of the micro-reservoir in the plane of the collimating device, it is possible to place heaters on the outside of the ISA without violating the tightness of the vacuum system, eliminate heating of the external part of the vacuum system and, thereby, increase the level of thermal insulation of the heating device microreservoir and maintainability of optical and atomic beam frequency standards.

Claims (1)

Источник атомов, содержащий вакуумный фланец, механически соединенный с теплоизолятором-экраном, внутри которого размещен микрорезервуар, содержащий трубчатые нагреватели, расположенные радиально со стороны вакуумного фланца по всей длине микрорезервуара, с противоположной стороны которого расположено коллимирующее устройство, прикрепленное к нему прижимным колпаком, при этом микрорезервуар соединен с теплоизолятором-экраном в плоскости коллимирующего устройства.A source of atoms containing a vacuum flange mechanically connected to a heat insulator-screen, inside of which there is a micro-reservoir containing tubular heaters located radially on the side of the vacuum flange along the entire length of the micro-reservoir, on the opposite side of which there is a collimating device attached to it by a pressure cap, while the microreservoir is connected to a heat insulator-screen in the plane of the collimating device.