CN108548531A - 一种用于核磁共振陀螺仪的微小型集成化原子气室 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于核磁共振陀螺仪的微小型集成化原子气室，包括充气管、气室基体、气室顶板和气室底板组成，气室基体为梯形台结构，其开设有中心通孔，其底面开设有导流槽和过渡槽，气室基体的四个倾斜侧面均为反射面，气室顶板和气室底板均为矩形板，气室基体的顶面和底面分别密封连接气室顶板和气室底板，中心通孔由气室顶板和气室底板封堵并构成气室腔体；气室底板开设有与充气管连接的导气孔，充气管、导气孔、过渡槽、导流槽和气室腔体依次连通。该原子室有利于核磁共振陀螺仪的小型化，组成件数量少，可将壁厚做的更厚，而且密封连接面也更大，提高了原子气室的结构强度和密封性，核磁共振陀螺仪能够实现双光路探测。

Description

一种用于核磁共振陀螺仪的微小型集成化原子气室

技术领域

本发明属于核磁共振陀螺仪技术领域，尤其涉及一种用于核磁共振陀螺仪的微小型集成化原子气室。

背景技术

核磁共振陀螺仪是利用原子核的自旋磁矩在磁场中的进动实现对惯性物体角速度进行测量的一种固态陀螺仪，小型化核磁共振陀螺仪是新型陀螺仪的一个重要研究方向。原子气室是封装有核磁共振陀螺仪工作介质的密封玻璃容器，是核磁共振陀螺仪的核心敏感元件。原子气室的制备质量将直接影响核磁共振陀螺仪的性能。传统的原子气室采用带充气管的立方体形薄壁玻璃容器，该类型的原子气室采用厚度为0.5mm～1mm的玻璃平板通过光胶、键合或玻璃烧结等工艺组装而成。传统的原子气室存在以下缺陷：

1)由于玻璃平板的壁厚较薄，且连接面的数量多、面积小，导致原子气室的结构强度和密封性较差，在制备过程中容易出现破裂、透光面变形、高漏气率等现象，进而造成原子气室制备失败或质量下降；

2)充气管是连接在立方体原子气室中一个面的中心位置，占用了原子气室的透光面，使得原子气室有两个面均失去了通光能力，利用该类型的原子气室在设计核磁共振陀螺仪时，难以实现双探测光路布局设计；

3)该类型的原子气室自身没有反射面，在使用过程中，需要在外部安装反射镜，其未能实现和相关反射镜的集成化设计，不利于核磁共振陀螺仪的小型化。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种用于核磁共振陀螺仪的微小型集成化原子气室。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种用于核磁共振陀螺仪的微小型集成化原子气室，包括气室壳体和充气管；

所述气室壳体由气室基体、气室顶板和气室底板组成；

所述气室基体为梯形台结构，其中心位置开设有贯穿顶面和底面的中心通孔，其底面开设有条形的导流槽和圆形的过渡槽，所述过渡槽、所述导流槽和所述中心通孔依次连接，所述过渡槽位于所述气室基体底面的其中一角处，所述气室基体的四个倾斜侧面均为反射面；

所述气室顶板和所述气室底板均为矩形板，所述气室顶板密封连接在所述气室基体的顶面，所述气室底板密封连接在所述气室基体的底面，所述中心通孔由所述气室顶板和所述气室底板封堵并构成气室腔体；

所述气室底板的其中一角处开设有与所述过渡槽相对应的导气孔，所述充气管连接在所述导气孔处，所述充气管、所述导气孔、所述过渡槽、所述导流槽和所述气室腔体依次连通。

作为本专利选择的一种技术方案，所述中心通孔为圆孔或者矩形孔。

作为本专利选择的一种技术方案，所述导流槽与所述过渡槽的槽深相等，所述导流槽的槽宽小于所述过渡槽的直径，所述导气孔的直径大于或等于所述过渡槽的直径，所述充气管的直径大于或等于所述导气孔的直径。

作为本专利选择的一种技术方案，所述气室基体的四个倾斜侧面均进行了镀膜处理。

作为本专利选择的一种技术方案，所述气室基体底部的四角均设计为倒角结构，所述气室顶板的四边设计为倒角结构，所述气室底板的四角均设计为倒角结构。

本发明的有益效果在于：

1)直接在气室基体上加工镀膜斜面作为反射面，无需额外增添反射镜，实现了原子气室和反射镜的集成化设计，结构紧凑，有利于核磁共振陀螺仪的小型化；

2)原子气室为由气室顶板、气室基体和气室底板围成的棱台形结构，组成件数量少，与现有技术相比，可将壁厚做的更厚，而且密封连接面也更大，提高了原子气室的结构强度和密封性；

3)充气管布置在气室底板的一个角落处，处于非通光区域，使得原子气室具有六面通光能力，有利于核磁共振陀螺仪实现双光路探测的布局设计。

附图说明

图1是本发明所述原子气室的立体剖视结构示意图，其中已充入气态工作介质，且充气管高温熔断并形成密封；

图2是本发明所述原子气室的俯视结构示意图；

图3是本发明所述原子气室的立体剖视结构示意图，其中未充入气态工作介质，充气管未高温熔断而形成密封；

图4是本发明所述气室基体的立体结构示意图；

图5是本发明所述气室基体的仰视结构示意图；

图6是本发明所述气室底板的仰视结构示意图；

图7是本发明所述原子气室在核磁共振陀螺仪XZ平面内的光路布局示意图；

图8是本发明所述原子气室在核磁共振陀螺仪YZ平面内的光路布局示意图；

图7、8均没有将充气管画出，仅对原子气室在核磁共振陀螺仪内的光路布局进行说明；

图中：1-气室壳体，11-气室顶板，12-气室基体，121-中心通孔，122-反射面，123-导流槽，124-过渡槽，13-气室底板，131-导气孔，14-气室腔体， 2-充气管，3-工作介质，4-泵浦激光器，41-泵浦光束，42-Z轴光电探测器，5-X 轴探测激光器，51-X轴探测光束，52-X轴光电探测器，6-Y轴探测激光器，61-Y 轴探测光束，62-Y轴光电探测器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

结合图1、图2、图3、图4、图5、图6所示，本发明包括气室壳体1和充气管2；

气室壳体1由气室基体12、气室顶板11和气室底板13组成；

气室基体12为梯形台结构，其中心位置开设有贯穿顶面和底面的中心通孔 121，其底面开设有条形的导流槽123和圆形的过渡槽124，过渡槽124、导流槽123和中心通孔121依次连接，过渡槽124位于气室基体12底面的其中一角处，气室基体12的四个倾斜侧面均为反射面122，用于反射来自下方的光线；

气室顶板11和气室底板13均为矩形板，气室顶板11密封连接在气室基体 12的顶面，气室底板13密封连接在气室基体12的底面，中心通孔121由气室顶板11和气室底板13封堵并构成气室腔体14；

气室底板13的其中一角处开设有与过渡槽124相对应的导气孔131，充气管2连接在导气孔131处，充气管2、导气孔131、过渡槽124、导流槽123和气室腔体14依次连通。

作为本专利选择的一种技术方案，中心通孔121为圆孔或者矩形孔。

作为本专利选择的一种技术方案，导流槽123与过渡槽124的槽深相等，导流槽123的槽宽小于过渡槽124的直径，导气孔131的直径大于或等于过渡槽124的直径，充气管2的直径大于或等于导气孔131的直径，以确保气态工作介质的能够被顺畅的充入。

作为本专利选择的一种技术方案，气室基体12的四个倾斜侧面均进行了镀膜处理，以形成反射镜面。

作为本专利选择的一种技术方案，气室基体12底部的四角均设计为倒角结构，气室顶板11的四边设计为倒角结构，气室底板13的四角均设计为倒角结构。

本发明原子气室的制备方法如下：

第一步：气室壳体制备

1)零件成形

选择厚度为t₁的石英玻璃平板，切割成边长为(L-2t₁)的正方形作为气室顶板11的毛坯，将顶面边线加工t₁×45°的倒角，完成气室顶板11的成形；

选择厚度为t₂的石英玻璃平板，切割成边长为L的正方形作为气室基体12 的毛坯，在中心加工中心通孔121，将顶面边线加工h₁×45°的倒角面作为反射面122(h₁应小于t₂，并大于光束的通光口径)，底面的一条对角线上距离气室基体12中轴线l₁处加工直径为d₁、深度为h₂(＜t₂-h₁)的圆形过渡槽124，在圆形的过渡槽124和中心通孔121之间加工宽度为w(＜d₁)、深度为h₂的导流槽123，并将气室基体12的四个尖角加工45°的倒角，完成气室基体12的成形；

选择厚度为t₃的石英玻璃平板，切割成边长为L的正方形作为气室底板13 的毛坯，在与过渡槽124的轴线对应的位置加工直径为d₂(≥d₁)的通孔作为导气孔131，并将气室底板13的四个尖角加工出45°的倒角，完成气室底板13 的成形；

选择内径为d₃(≥d₂)、长度为l₂的石英玻璃圆管作为充气管2。

2)连接面抛光

将已加工成形的气室顶板11、气室基体12、气室底板13和充气管2的连接面进行抛光，并达到密封连接工艺所需的平面度和粗糙度；

3)洁净处理

将已经抛光的气室顶板11、气室基体12、气室底板13和充气管2的连接面进行洁净清洗、擦拭并烘干，使得各连接面达到可靠连接所需的洁净度要求；

4)气室壳体组装

采用键合、光胶、烧结等玻璃连接工艺，将经抛光和洁净处理的气室顶板 11、气室基体12、气室底板13的连接面密封连接在一起，组装成气室壳体1。

第二步，安装充气管

采用光胶或烧结的玻璃连接工艺，将经抛光和洁净处理的充气管2的连接面密封连接到气室底板13的导气孔131处，完成未充气状态下的原子气室的组装。

第三步，光学表面加工

对完成制备的气室壳体1的通光表面进行抛光、洁净和镀膜处理，使其达到规定的光学要求，成为满足规定要求的反射面。

第四步，充气

1)接入真空系统

通过玻璃烧结工艺，将未充气的原子气室的充气管2的自由端密封连接到真空系统上。

2)除气

利用真空系统，将原子气室内部腔体中的空气抽出并排除干净，为充入工作介质3做准备。

3)充气

利用真空系统，向原子气室的气室腔体中充入规定组分的工作介质3。

第五步，密封与筛选

当真空系统中各充气参数稳定在规定范围内后，通过对充气管2进行高温加热并将其快速熔断形成密封头，完成工作介质3的密封；然后，对完成密封的原子气室进行筛选，选择没有裂纹、气泡、透光面变形等结构缺陷和气密性好的原子气室作为合格的气室产品。

本发明原子气室的核磁共振陀螺仪的双探测光路布局原理如下：

结合图7和图8所示，泵浦激光器4发出的泵浦光束41沿气室腔体14的中心轴线方向(Z方向)穿过气室底板13进入气室腔体14中，对工作介质3的进行极化后，穿过气室顶板11并被Z轴光电探测器42接收；

X轴探测激光器5发出的X轴探测光束51(位于XZ平面内并与Z轴所成角度为2α-90°)穿过气室壳体1的气室底板13后，经气室基体12左侧倾角为α的反射面122的反射变为沿X方向的水平光束并与泵浦激光束41在气室腔体14 内正交，然后被右侧倾角为β的反射面122反射出气室壳体并被X轴光电探测器52接收；

Y轴探测激光器6发出的Y轴探测激光束61(位于YZ平面内，并与Z轴所成角度为2γ-90°)穿过气室壳体1的气室底板13后，经气室基体12左侧倾角为γ的反射面122的反射变为沿Y方向的水平光束并与泵浦激光束41、X轴探测激光束51在气室腔体14内正交，然后被右侧倾角为的反射面122反射出气室壳体并被Y轴光电探测器62接收；

当气室壳体1的四个反射面122的倾角均为45°，即时， X轴探测激光束51和Y轴探测激光束61的入射光和出射光将与气室腔体14的中心轴线方向(Z方向)平行，通过X轴探测激光束51和Y轴探测激光束61即可实现核磁共振陀螺仪横向磁矩信号的双光束探测，有利于提高系统冗余度和信号测量精度。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种用于核磁共振陀螺仪的微小型集成化原子气室，包括气室壳体和充气管，其特征在于：

所述气室壳体由气室基体、气室顶板和气室底板组成；

所述气室基体为梯形台结构，其中心位置开设有贯穿顶面和底面的中心通孔，其底面开设有条形的导流槽和圆形的过渡槽，所述过渡槽、所述导流槽和所述中心通孔依次连接，所述过渡槽位于所述气室基体底面的其中一角处，所述气室基体的四个倾斜侧面均为反射面；

所述气室顶板和所述气室底板均为矩形板，所述气室顶板密封连接在所述气室基体的顶面，所述气室底板密封连接在所述气室基体的底面，所述中心通孔由所述气室顶板和所述气室底板封堵并构成气室腔体；

所述气室底板的其中一角处开设有与所述过渡槽相对应的导气孔，所述充气管连接在所述导气孔处，所述充气管、所述导气孔、所述过渡槽、所述导流槽和所述气室腔体依次连通。

2.根据权利要求1所述用于核磁共振陀螺仪的微小型集成化原子气室，其特征在于：所述中心通孔为圆孔或者矩形孔。

3.根据权利要求1所述用于核磁共振陀螺仪的微小型集成化原子气室，其特征在于：所述导流槽与所述过渡槽的槽深相等，所述导流槽的槽宽小于所述过渡槽的直径，所述导气孔的直径大于或等于所述过渡槽的直径，所述充气管的直径大于或等于所述导气孔的直径。

4.根据权利要求1所述用于核磁共振陀螺仪的微小型集成化原子气室，其特征在于：所述气室基体的四个倾斜侧面均进行了镀膜处理。

5.根据权利要求1所述用于核磁共振陀螺仪的微小型集成化原子气室，其特征在于：所述气室基体底部的四角均设计为倒角结构，所述气室顶板的四边设计为倒角结构，所述气室底板的四角均设计为倒角结构。