CN108088432A - 一种双碱金属原子精密充入方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于原子气室技术领域，具体涉及一种双碱金属原子精密充入方法。具体包括以下步骤：确定待充入的两种碱金属的质量比；开始转移碱金属；密度检测控制；结束碱金属充入。本发明解决了现有技术中，气室内双碱金属原子的充入，对充入两种金属原子的密度比例通过目测控制，不能够进行精确控制，使得气室的操控性能较差，降低了原子的抽运率，最终影响核磁共振陀螺精度的技术问题；利用光谱分析法，精确测得了双碱金属原子充入量，操作简单，易于实现，精度较高，能够实现对气室内原子组分的精密充入，提高了气室的性能，进而提高了陀螺的精度。

Description

一种双碱金属原子精密充入方法
技术领域
本发明属于原子气室技术领域，具体涉及一种双碱金属原子精密充入方法。
背景技术
核磁共振陀螺中的磁共振气室与内部原子构成核磁共振陀螺的敏感表头，是核磁共振陀螺的核心部件之一。磁共振气室是原子自旋操控的场所，而操控的对象则是气室内部充入的多组分原子。气室内部充入的原子种类及数量是磁共振气室的重要参数，优化原子源的种类选取和配比，能够提高原子气室性能。
目前，气室内双碱金属原子的充入，对充入两种金属原子的密度比例通过目测控制，不能够进行精确控制，使得气室的操控性能较差，降低了原子的抽运率，最终影响核磁共振陀螺的精度。因此，需要提供一种双原子碱金属的精密充入方法，主要涉及双碱金属原子的比例控制及定量测量。
发明内容
本发明需要解决的技术问题为：现有技术中，气室内双碱金属原子的充入，对充入两种金属原子的密度比例通过目测控制，不能够进行精确控制，使得气室的操控性能较差，降低了原子的抽运率，最终影响核磁共振陀螺的精度。
本发明的技术方案如下所述：
一种双碱金属原子精密充入方法，包括以下步骤：
第一步：确定待充入的两种碱金属的质量比
记原子气室中，所需两种碱金属原子的所需密度比[X]:[Y]＝x:y；
在单碱金属的情况下，两种碱金属的饱和蒸汽密度[*]0分别为[X]0和[Y]0；
两种碱金属混合后的密度分别为：
[X]＝fX×[X]0，
[Y]＝fY×[Y]0，
其中，fX为气室中碱金属X原子的摩尔量分数，fY为气室中碱金属Y原子的摩尔量分数；mX为气室中碱金属X的质量，MX为X的摩尔质量，mY为气室中碱金属Y的质量，MY为Y的摩尔质量。
通过上式，即可计算出待充入原子气室的两种碱金属X和Y所需的质量比mX:mY；
第二步：开始转移碱金属
将两种碱金属源中的碱金属按质量比mX:mY设置，分别对对两种碱金属源和真空管路进行加热，使碱金属变为蒸汽，并开始将碱金属蒸汽充入原子气室；
第三步：密度检测控制
构建光强检测光路，通过光强检测光路，能够检测由激光光源的光线经原子气室透射后的光强数据，并通过下式进行数据拟合：
其中，ν为激光光源所发出的激光的频率，PT(ν)为从原子气室透射出的激光的光强，P0(ν)为激光光源所发出的激光的初始光强，通过采集到的数据对参数A、C和Γ进行拟合；并通过下式对气室碱金属院子的密度进行计算：
A＝[*]recfoscdcΓ/2
re为电子半径，re＝2.8×10-15m，c为光速，c＝3×108m/s，fosc为常数，fosc＝0.324，dc为气室长度，dc＝4mm，[*]为待测的原子的密度；
对原子气室中碱金属X原子的密度进行检测时，光源激光的频率ν选取为碱金属X的光谱吸收频率；对原子气室中碱金属Y原子的密度进行检测时，光源激光的频率ν选取为碱金属Y的光谱吸收频率；
通过上式即可分别计算出气室内碱金属X和Y原子的密度，并计算出两者的密度比；
若计算出的[X]/[Y]的值比所需值大，则继续充入适量Y蒸汽，若比所需值小，则继续充入适量X蒸汽，重复检测和充入的步骤，直至测量得到的原子气室中两种碱金属原子的密度比达到所需值；
第四步：结束碱金属充入
当原子气室内的两种碱金属蒸汽密度之比到达要求，且气室内无凝聚态碱金属时，关闭加热系统，碱金属转充入程完毕。
优选的，所述碱金属选择铷、铯、钾中的任意两种组合。
本发明的有益效果为：
本发明的双碱金属原子精密充入方法，利用光谱分析法，精确测得了双碱金属原子充入量，操作简单，易于实现，精度较高，能够实现对气室内原子组分的精密充入，提高了气室的性能，进而提高了陀螺的精度。
附图说明
图1为光强检测光路组成示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的双碱金属原子精密充入方法进行详细说明。
第一步：确定待充入的两种碱金属的质量比
碱金属选择铷、铯、钾中的任意两种组合，本实施例中使用的两种碱金属分别为铷(Rb)和钾(K)，温度为130℃，所需密度比为[Rb]:[K]＝1:5。
在单碱金属的情况下，两种碱金属的饱和蒸汽密度[*]0分别为：
其中，T为温度，单位为k。
两种碱金属混合后的密度分别为：
[Rb]＝fRb×[Rb]0，
[K]＝fK×[K]0，
其中，fRb为气室中Rb的摩尔量分数，fK为气室中K的摩尔量分数。mK为气室中K的质量，MK为K的摩尔质量，mRb为气室中Rb的质量，MRb为Rb的摩尔质量。
经计算，为了使[Rb]:[K]＝1:5，则应使mRb:mK＝1:3。
第二步：开始转移碱金属
将两种碱金属源中的碱金属按质量比mRb:mK＝1:3设置，分别对对两种碱金属源和真空管路进行加热，使碱金属变为蒸汽，并开始将碱金属蒸汽充入原子气室。
第三步：密度检测控制
构建如图1所示的光强检测光路，通过光强检测光路，能够检测由激光光源的光线经原子气室透射后的光强数据，并通过下式进行数据拟合：
其中，ν为激光光源所发出的激光的频率，PT(ν)为从原子气室透射出的激光的光强，P0(ν)为激光光源所发出的激光的初始光强，通过采集到的数据对参数A、C和Γ进行拟合。并通过下式对气室碱金属院子的密度进行计算：
A＝[*]recfoscdcΓ/2
re为电子半径，re＝2.8×10-15m，c为光速，c＝3×108m/s，fosc为常数，fosc＝0.324，dc为气室长度，dc＝4mm，[*]为待测的原子的密度。
对原子气室中Rb原子的密度进行检测时，光源激光的频率ν选取为Rb的光谱吸收频率；对原子气室中K原子的密度进行检测时，光源激光的频率ν选取为K的光谱吸收频率；
通过上式即可分别计算出气室内Rb和K原子的密度，并计算出两者的密度比。
若计算出的[Rb]/[K]的值比理论值大，则继续充入适量K蒸汽，若比理论值小，则继续充入适量Rb蒸汽，重复检测和充入的步骤，直至测量得到的原子气室中两种碱金属原子的密度比达到所需值。
第四步：结束碱金属充入
当原子气室内的两种碱金属蒸汽密度之比到达要求，且气室内无凝聚态碱金属时，关闭加热系统，碱金属转充入程完毕。

Claims (2)

1.一种双碱金属原子精密充入方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步：确定待充入的两种碱金属的质量比
记原子气室中，所需两种碱金属原子的所需密度比[X]:[Y]＝x:y；
在单碱金属的情况下，两种碱金属的饱和蒸汽密度[*]0分别为[X]0和[Y]0；
两种碱金属混合后的密度分别为：
[X]＝fX×[X]0，
[Y]＝fY×[Y]0，
<mrow> <msub> <mi>f</mi> <mi>X</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mfrac> <msub> <mi>m</mi> <mi>X</mi> </msub> <msub> <mi>M</mi> <mi>X</mi> </msub> </mfrac> <mrow> <mfrac> <msub> <mi>m</mi> <mi>X</mi> </msub> <msub> <mi>M</mi> <mi>X</mi> </msub> </mfrac> <mo>+</mo> <mfrac> <msub> <mi>m</mi> <mi>Y</mi> </msub> <msub> <mi>M</mi> <mi>Y</mi> </msub> </mfrac> </mrow> </mfrac> <mo>=</mo> <mfrac> <mfrac> <mn>1</mn> <msub> <mi>M</mi> <mi>X</mi> </msub> </mfrac> <mrow> <mfrac> <mn>1</mn> <msub> <mi>M</mi> <mi>X</mi> </msub> </mfrac> <mo>+</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <msub> <mi>M</mi> <mi>Y</mi> </msub> </mfrac> <mo>&amp;times;</mo> <mfrac> <msub> <mi>m</mi> <mi>Y</mi> </msub> <msub> <mi>m</mi> <mi>X</mi> </msub> </mfrac> </mrow> </mfrac> </mrow>
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其中，fX为气室中碱金属X原子的摩尔量分数，fY为气室中碱金属Y原子的摩尔量分数；mX为气室中碱金属X的质量，MX为X的摩尔质量，mY为气室中碱金属Y的质量，MY为Y的摩尔质量。
通过上式，即可计算出待充入原子气室的两种碱金属X和Y所需的质量比mX:mY；
第二步：开始转移碱金属
将两种碱金属源中的碱金属按质量比mX:mY设置，分别对对两种碱金属源和真空管路进行加热，使碱金属变为蒸汽，并开始将碱金属蒸汽充入原子气室；
第三步：密度检测控制
构建光强检测光路，通过光强检测光路，能够检测由激光光源的光线经原子气室透射后的光强数据，并通过下式进行数据拟合：
<mrow> <mi>l</mi> <mi>n</mi> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>P</mi> <mi>T</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;nu;</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <msub> <mi>P</mi> <mn>0</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;nu;</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mo>=</mo> <mo>-</mo> <mfrac> <mi>A</mi> <mrow> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;nu;</mi> <mo>-</mo> <msub> <mi>&amp;nu;</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;Gamma;</mi> <mo>/</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </mfrac> <mo>+</mo> <mi>C</mi> </mrow>
其中，ν为激光光源所发出的激光的频率，PT(ν)为从原子气室透射出的激光的光强，P0(ν)为激光光源所发出的激光的初始光强，通过采集到的数据对参数A、C和Γ进行拟合；并通过下式对气室碱金属院子的密度进行计算：
A＝[*]recfoscdcΓ/2
re为电子半径，re＝2.8×10-15m，c为光速，c＝3×108m/s，fosc为常数，fosc＝0.324，dc为气室长度，dc＝4mm，[*]为待测的原子的密度；
对原子气室中碱金属X原子的密度进行检测时，光源激光的频率ν选取为碱金属X的光谱吸收频率；对原子气室中碱金属Y原子的密度进行检测时，光源激光的频率ν选取为碱金属Y的光谱吸收频率；
通过上式即可分别计算出气室内碱金属X和Y原子的密度，并计算出两者的密度比；
若计算出的[X]/[Y]的值比所需值大，则继续充入适量Y蒸汽，若比所需值小，则继续充入适量X蒸汽，重复检测和充入的步骤，直至测量得到的原子气室中两种碱金属原子的密度比达到所需值；
第四步：结束碱金属充入
当原子气室内的两种碱金属蒸汽密度之比到达要求，且气室内无凝聚态碱金属时，关闭加热系统，碱金属转充入程完毕。
2.如权利要求1所述的双碱金属原子精密充入方法，其特征在于，所述碱金属选择铷、铯、钾中的任意两种组合。
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