CN110948107A - 一种原子气室熔封装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种原子气室熔封装置及方法，包括：激光器、激光光窗、密闭容器、吸能块、压力表、截止阀、高压气瓶。本发明将原子气室置于气氛可控的密闭容器中，利用二氧化碳激光器对气室进行熔封；密闭容器内可充入特定种类和压强的气体，维持气室外部气氛的恒定；采用高能激光器的非接触式加热方式，熔封过程中的热输运精准可控，本发明适用于常规真空原子气室和高压原子气室的熔封。本发明具有非接触加热，熔封效果好、安全可靠性高、适应性广的优势。

Description

一种原子气室熔封装置及方法
技术领域
本发明涉及一种原子气室熔封装置及方法，属于玻璃熔封技术领域。
背景技术
原子气室是原子干涉磁力仪、原子钟、原子陀螺仪等量子仪表的核心部件。原子气室内填充碱金属和缓冲气体，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。高性能原子气室有助于提升量子仪表的探测精度，也是现阶段提升量子仪表性能并将其推向实用化的关键。
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。现阶段用于核磁共振陀螺仪的原子气室多采用玻璃立方结构。完成碱金属和气体填充后，原子气室的熔封摘取过程直接关系到气室成品内碱金属和填充气体的组分含量，从而影响气室的性能。
当前，原子气室的熔封主要通过火焰对原子气室接口处进行加热，使玻璃达到软化温度后，依靠外部大气压与气室内部的压差实现熔封。火焰一般采用氢气、甲烷等可燃气体。火焰熔封方案的不足主要有三点：一是熔封过程中气室温度升高，气室内碱金属和气体组分会偏离最初的填充比例；二是火焰熔封只能满足真空原子气室的熔封，无法实现更高压力的原子气室熔封；三是火焰熔封对操作者技术要求较高，使用可燃气体存在安全隐患。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出了一种原子气室熔封装置及方法，本发明将原子气室置于气氛可控的密闭容器中，利用二氧化碳激光器对气室进行熔封。本发明采用高能激光器的非接触式加热方式，熔封点和热输运精准可控，可适用于真空原子气室和高压原子气室。本发明具有安全可靠性高、加热非接触可控，熔封效果好、适应性广的优势。
本发明的技术方案是：
一种原子气室熔封装置，包括：激光器、激光光窗、密闭容器、吸能块、压力表、截止阀和高压气瓶；
激光器设置在密闭容器的外部，密闭容器的侧壁上设置有使激光器发射的激光穿过的激光光窗，密闭容器的内壁设置有用于吸收激光器发射激光能量的吸能块；
密闭容器用于放置气室母件、连接细管和原子气室，气室母件通过连接细管和原子气室实现连通；
激光器发射激光穿过激光光窗对连接细管和原子气室连接段的熔断处聚焦，以脉冲方式对熔封点处的玻璃进行加热；
密闭容器上还设置有压力表；密闭容器和高压气瓶通过管路连通，密闭容器和高压气瓶之间的管路上设置有截止阀。
利用上述的一种原子气室熔封装置进行原子气室熔封的方法，包括以下步骤：
1)按照给定组分比例向气室母件内填充碱金属和气体后，封闭密闭容器；
2)当原子气室内压强高于大气压时，向密闭容器内冲入惰性气体，使密闭容器内压强高于原子气室内压强后进入步骤3)；若原子气室内压强低于大气压时，则直接进入步骤3)；
3)利用激光器调焦瞄准连接细管和原子气室连接段的熔断处，以脉冲方式加热熔断处直至原子气室被完全熔封，关闭激光器；
4)将密闭容器内的惰性气体排空，拆下密闭容器，取出熔封后的原子气室；
5)对原子气室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)本发明相对于原有的火焰熔封，激光熔封更便于操作，对操作水平的技术要求低，熔封效果好，安全性好；
2)本发明可以实现原子气室在受控气氛和压强条件下的非接触熔封，满足真空原子气室和高压原子气室的有效熔封，适应性更广；
3)本发明中激光工作参数可控，实现对熔封处的高效率热输运，加热区域小，接头处残余应力小，制备的原子气室光学性能更好。
附图说明
图1为本发明原子气室熔封装置图。
1-激光器，2-激光光窗，3-气室母件，4-连接细管，5-熔断处，6-原子气室，7-密闭容器，8-吸能块，9-压力表，10-截止阀，11-高压气瓶
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的描述。
本发明中的一种原子气室熔封装置如图1所示，包括：激光器1、激光光窗2、密闭容器7、吸能块8、压力表9、截止阀10、高压气瓶11。
激光器1设置在密闭容器7的外部，密闭容器7的侧壁上设置有使激光器1发射的激光穿过的激光光窗2，密闭容器7的内壁设置有用于吸收激光器1发射激光能量的吸能块8；
密闭容器7用于放置气室母件3、连接细管4和原子气室6，气室母件3通过连接细管4和原子气室6实现连通；
激光器1发射激光穿过激光光窗2对连接细管4和原子气室6连接段的熔断处5聚焦，以脉冲方式对熔封点处5的玻璃进行加热；
密闭容器7上还设置有压力表9；密闭容器7和高压气瓶11通过管路连通，密闭容器7和高压气瓶11之间的管路上设置有截止阀10。所述的密闭容器7，配备压力表9、截止阀10和高压气瓶11，可以控制原子气室6外部的气体种类及压强，使外部压强始终高于气室内部，以利于实现气室的负压熔封。
所述激光器1具体采用二氧化碳激光器实现，激光器1的工作波长为10600nm。以脉冲方式加热，可以实现对原子气室6的非接触高效率熔封。
所述激光光窗2的材料为ZnSe，所述激光光窗2进行双面抛光镀膜，以确保二氧化碳激光器1的10600nm波长激光选择性透过，透过率高于90％。即使激光器1发射激光透过透激光光窗2的过率高于90％。
所述的吸能块8的材料为铝合金，可实现对二氧化碳激光器1激光的有效吸收，以确保人员设备安全。
利用上述的一种原子气室熔封装置进行原子气室熔封的方法，包括以下步骤：
1)按照给定组分比例向气室母件3内填充碱金属和气体后，封闭密闭容器7；
2)当原子气室6内压强高于大气压(0.1MPa)时，向密闭容器7内冲入惰性气体(如氮气)，使密闭容器7内压强高于原子气室6内压强后进入步骤3)；若原子气室6内压强低于大气压时，则直接进入步骤3)；
3)利用激光器1调焦瞄准连接细管4和原子气室6连接段的熔断处5，以脉冲方式加热熔断处5直至原子气室6被完全熔封，关闭激光器1；
4)将密闭容器7内的惰性气体排空，拆下密闭容器7，取出熔封后的原子气室6；
5)对原子气室6熔封接口进行二次处理，对其表面进行清洁。
实施例
本装置中的激光器1采用二氧化碳激光器1，以脉冲方式加热，可以实现对原子气室6的非接触高效率熔封；激光光窗2采用ZnSe材料，双面抛光蒸镀膜，可以确保二氧化碳激光器1的10600nm波长激光选择性透过，透过率高于90％；吸能块8采用铝合金材质，可实现对二氧化碳激光器1激光的有效吸收，以确保人员设备安全；
本装置中的密闭容器7，连同配属的压力表9、截止阀10和高压气瓶11，可以控制原子气室6外部的气体种类及压强，使外部压强始终高于气室内部，以利于实现气室的负压熔封。
假定气室内填充组分为87Rb，气体组分为129Xe、131Xe和N2，混合气体总压力0.12Mpa，基于本发明装置对原子气室6进行熔封，具体的操作流程为：
1)当原子气室6内填充完给定量的碱金属87Rb，气体组分为129Xe、131Xe和N2后，安装并封闭密闭容器7；
2)由于该原子气室6内压强比大气压高，大气压下难以进行熔封，因此向密闭容器7中冲入氮气至0.15MPa，监测密闭容器7内压强变化，确保无漏气发生；
3)开启激光器1，移动激光器1使激光束瞄准原子气室6熔封点，对激光器1进行聚焦，以脉冲方式对熔封点处玻璃细管进行加热，熔封点处软化变形，直至气室被完全熔封，关闭激光器1；
4)将密闭容器7内的气体排空，拆下密闭容器7，取出熔封后的原子气室6；
5)对原子气室6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)

1.一种原子气室熔封装置，其特征在于，包括：激光器(1)、激光光窗(2)、密闭容器(7)、吸能块(8)、压力表(9)、截止阀(10)和高压气瓶(11)；
激光器(1)设置在密闭容器(7)的外部，密闭容器(7)的侧壁上设置有使激光器(1)发射的激光穿过的激光光窗(2)，密闭容器(7)的内壁设置有用于吸收激光器(1)发射激光能量的吸能块(8)；
密闭容器(7)用于放置气室母件(3)、连接细管(4)和原子气室(6)，气室母件(3)通过连接细管(4)和原子气室(6)实现连通；
激光器(1)发射激光穿过激光光窗(2)对连接细管(4)和原子气室(6)连接段的熔断处(5)聚焦，以脉冲方式对熔封点处(5)的玻璃进行加热；
密闭容器(7)上还设置有压力表(9)；密闭容器(7)和高压气瓶(11)通过管路连通，密闭容器(7)和高压气瓶(11)之间的管路上设置有截止阀(10)。
2.根据权利要求1所述的一种原子气室熔封装置，其特征在于，所述激光器(1)具体采用二氧化碳激光器实现，激光器(1)的工作波长为10600nm。
3.根据权利要求2所述的一种原子气室熔封装置，其特征在于，所述激光光窗(2)的材料为ZnSe，所述激光光窗(2)进行双面抛光镀膜，使激光器(1)发射激光透过透激光光窗(2)的过率高于90％。
4.根据权利要求1所述的一种原子气室熔封装置，其特征在于，所述的吸能块(8)的材料为铝合金。
5.利用如权利要求1所述的一种原子气室熔封装置进行原子气室熔封的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)按照给定组分比例向气室母件(3)内填充碱金属和气体后，封闭密闭容器(7)；
2)当原子气室(6)内压强高于大气压时，向密闭容器(7)内冲入惰性气体，使密闭容器(7)内压强高于原子气室(6)内压强后进入步骤3)；若原子气室(6)内压强低于大气压时，则直接进入步骤3)；
3)利用激光器(1)调焦瞄准连接细管(4)和原子气室(6)连接段的熔断处(5)，以脉冲方式加热熔断处(5)直至原子气室(6)被完全熔封，关闭激光器(1)；
4)将密闭容器(7)内的惰性气体排空，拆下密闭容器(7)，取出熔封后的原子气室(6)；
5)对原子气室(6)熔封接口进行二次处理，对其表面进行清洁。
6.根据权利要求5所述的一种原子气室熔封的方法，其特征在于，步骤2)所述惰性气体为氮气。
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