CN110967962B - 一种铯炉的电击穿系统和方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种铯炉电击穿系统和方法，包括炉体、盖板、炉体连线端、铯储存单元，炉体与盖板固定连接，构成密封结构，炉体连线端与炉体为一体结构，铯储存单元位于炉体内部，所述系统还包括：电极、多孔结构、绝缘结构、弹簧和导线。本发明解决了铯炉击穿成功率不高的问题，可以在铯束管中提供稳定可靠的铯源，对提高铯束管的成品率具有重要意义。

Description

一种铯炉的电击穿系统和方法

技术领域

本申请涉及原子钟技术领域，尤其涉及一种铯炉的电击穿系统及其击穿方法。

背景技术

原子钟是一种精度很高的时频产品，其中铯钟以其准确度高、长期稳定度好、几乎无频率漂移等优点，在原子钟领域处于独特的地位。铯束管是磁选态铯钟的物理部分，主要包括铯炉、选态磁铁、谐振腔、C场、探测器、真空罩等。铯炉可以提供稳定的铯源，是铯束管能够工作的前提条件。由于铯很活泼，必须隔绝大气储存在铯储存泡内，因此在铯束管工作前，需要通过一定的方法，将铯储存泡破坏才能将其中的铯释放出来，即铯炉的击穿。铯炉的击穿主要通过电击穿的方式，即使用大电流使铯储存泡特定区域熔化，再用机械力将熔化区域破坏。由于电击穿瞬间，铯泡局部温度超过1000℃，环境苛刻，需要选择合适的材料以及合理的机械设计，才能有效地完成铯炉的击穿。

目前，关于铯炉击穿的原理研究和结构设计很少，常常会出现铯泡与侧壁发生粘连，电极被烧断，弹簧失去弹性等问题，使得铯炉击穿成功率不高，影响铯束管的成品率，也造成铯钟研制过程中巨大的成本浪费。

发明内容

本申请提出一种铯炉的电击穿系统和方法，解决铯炉击穿成功率不高的问题。

本申请实施例提供一种铯炉电击穿系统，包括炉体、盖板、炉体连线端、铯储存单元、电极、多孔结构、绝缘结构、弹簧和导线。所述炉体与盖板固定连接，构成密封结构；所述炉体连线端与炉体为一体结构；所述铯储存单元位于炉体内部；所述电极穿透并固定在盖板上，电极端部与铯储存单元顶部接触；所述多孔结构位于铯储存单元和炉体之间，多孔结构底部开设了用于放置导线的洞口；所述绝缘结构位于铯储存单元和多孔结构之间；所述弹簧放置在铯储存单元底部下表面和多孔结构底部的上表面之间；所述导线连接炉体底部和铯储存单元底部。

优选地，所述盖板下表面有凸起结构，用于阻挡铯储存泡。进一步的，所述电极为柱状，材质为不锈钢。所述多孔结构的材质具有亲液特性，高度大于铯储存单元的最大深入长度，多孔结构底部的上表面与铯储存单元底部的下面表之间的距离大于最大压缩状态下的弹簧高度。

优选地，所述绝缘套的材质为陶瓷。

在一个实施例中，所述系统还可包括连接部件，材质为导电材料，用于将导线固定连接在炉体底部和铯储存单元底部。

优选地，所述连接部件为镍片，分别固定在铯储存单元底部的下表面和炉体底部的上表面。

在一个实施例中，所述弹簧为圆锥螺旋状，耐高温值不低于400℃，弹力值大于5N。

进一步的，所述导线材质为无氧铜，导线直径在0.4～0.6mm之间，导线呈螺旋状。导线可套在弹簧的内部且不影响弹簧的伸缩。

本申请实施例还提供一种铯炉电击穿方法，包括：

电极与炉体接线端接收脉冲电流，电极与铯储存单元顶部的接触区域受热熔化。

弹簧推动铯储存单元，铯储单元向电极移动。

电极的反作用力戳破铯储存单元接触区域的薄壁，从而实现电击穿。

本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：通过采用这种铯炉电击穿系统，可避免铯泡与侧壁发生粘连、电极被烧断、弹簧失去弹性等问题，提高铯炉击穿的成功率。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是铯炉电击穿系统图I；

图2是电极与盖板组件装配图；

图3铯炉电击穿系统图II；

图4是铯炉电击穿系统图III；

图5是连接部件的装配图；

图6是连接部件的示意图；

图7是铯炉电击穿方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。

图1为本发明实施例提供的一种铯炉电击穿系统I的示意图。所述铯炉电击穿系统包括：电极1、盖板2、铯储存单元3、炉体连线端4、弹簧5、导线6、多孔结构7、炉体8、绝缘结构9，其中：

所述炉体8与盖板2固定连接，构成密封结构；炉体连线端4与炉体8为一体结构；所述铯储存单元3位于炉体8内部。优选地，炉体连线端4材料为无氧铜，目的是提高炉体的导电性和导热性能。

所述炉体8的高度略大于电极端部距盖板的高度与铯储存单元薄壁结构的中心距多孔结构底部高度之和。

所述电极1穿透并固定在盖板2上，电极端部与铯储存单元顶部接触。

优选地，所述电极1为柱状，材质为不锈钢。进一步的，所述电极1杆部直径在0.6～0.8mm之间，电极1不宜太细或太粗，太细容易在安装和击穿过程中折弯，太粗会使击穿孔太大，使得铯容易溢出。

所述电极1的头部与铯储存单元3顶部的接触方式可为点接触或面接触，电极头部形状可为平面或球面。

所述铯储存单元材料为不锈钢，结构为薄壁结构。优选地，铯储存单元的薄壁结构的厚度不超过0.1mm，呈圆筒形状，以降低被电击穿的难度。所述铯储存单元、绝缘结构和多孔结构之间可以自由滑动。

所述多孔结构7位于铯储存单元3和炉体8之间，多孔结构底部开设了用于放置导线的洞口。洞口的形状大小根据导线所占空间而定，优选地，洞口呈圆筒形状。

优选地，所述多孔结构7的材质具有亲液特性，为了让多孔结构要尽量包覆铯储存单元，以防止炉体内形成液态铯滴，进而流出铯炉损坏其他部件。多孔结构的高度大于铯储存单元的最大深入长度，多孔结构底部的上表面与铯储存单元底部的下面表之间的距离大于最大压缩状态下的弹簧高度。

优选地，所述多孔结构的材料为不锈钢。

在本实施例中，所述绝缘结构9位于铯储存单元3和多孔结构7之间。绝缘结构高度不小于铯储存单元高度，以防止铯储存单元的侧壁导电。绝缘结构可包覆在铯储存单元外部，也可贴覆在多孔结构内壁上。

优选地，所述绝缘结构9材质可为陶瓷。

优选地，所述绝缘结构9为圆筒形，可以允许铯储存单元自由滑动并减小铯储存泡运动中的阻力。

在本实施例中，所述导线6连接炉体底部和铯储存单元底部。优选地，连接方式为焊接。优选地，所述导线材质为无氧铜，导线直径在0.4～0.6mm之间。

所述弹簧5放置在铯储存单元3底部下表面和多孔结构7底部的上表面之间。所述弹簧5可固定连接在铯储存单元3底部下表面和多孔结构7底部的上表面，例如可以是焊接连接。所述弹簧5也可以在铯储存单元3向下的力和多孔结构7向上的力的联合作用下固定。优选地，焊接连接方式可选用电阻电焊、氩弧焊、激光焊或钎焊。

图2为本发明实施例提供的一种电极与盖板组件装配图。

在本实施例中，所述盖板2下表面有凸起结构11，用于阻挡铯储存泡。盖板为圆形，盖板下表面设有3个凸起结构，优选地，凸起结构的形状为半球形。

需要指出的是，所述盖板依据炉体形状而定，凸起结构可为截面形状圆形、方形等凸出物，盖板和凸起结构的具体形状、凸起结构的数量均根据实际情况而定，对此不做具体限定。

所述盖板与炉体固定连接，构成密封结构。优选地，固定连接方式为焊接以保证气密性。优选地，焊接连接方式可选用电阻电焊、氩弧焊、激光焊或钎焊。

所述电极1穿透并固定在盖板2上。优选地，固定连接方式为焊接以保证气密性。优选地，电极连接在盖板选用陶瓷12钎焊。

图3为本发明实施例提供的一种铯炉电击穿系统II的示意图。在本申请的任意一个实施例中，所述铯炉电击穿系统还可以包括连接部件10。

所述连接部件10的材质为导电材料，用于将导线固定连接在炉体底部和铯储存单元底部。

连接部件10固定在铯储存单元底部的下表面和炉体底部的上表面，例如可以是焊接连接。优选地，固定方式为焊接连接固定。

优选地，所述连接部件10为镍片，分别固定在铯储存单元底部的下表面和炉体底部的上表面。优选地，所述连接部件10为不锈钢片，分别固定在铯储存单元底部的下表面和炉体底部的上表面。

所述导线6固定连接在连接部件10上，连接方式可为焊接或铆接等连接形式。优选的，连接方式为焊接。优选地，所述导线材质为无氧铜，导线直径在0.4～0.6mm之间。

图4为本发明实施例提供的一种铯炉电击穿系统III的示意图。

在本实施例中，所述弹簧5为圆锥螺旋状，耐高温值不低于400℃，弹力值大于5N。优选地，弹力值在5～10N之间。所述弹簧5放置在铯储存单元3底部下表面和多孔结构7底部的上表面之间。所述弹簧5可固定连接在铯储存单元3底部下表面和多孔结构7底部的上表面，例如可以是焊接连接。所述弹簧5也可以在铯储存单元3向下的力和多孔结构7向上的力的联合作用下固定。

所述导线材质为无氧铜，导线直径在0.4～0.6mm之间，导线呈螺旋状，导线可套在弹簧的内部且不影响弹簧的伸缩。

所述连接部件10的材质为导电材料，用于将导线固定连接在炉体底部和铯储存单元底部。连接部件10固定安装在铯储存单元底部的下表面和炉体底部的上表面。优选地，固定连接方式为焊接。

优选地，所述连接部件10为镍片，分别固定在铯储存单元底部的下表面和炉体底部的上表面。优选地，所述连接部件10为不锈钢片，分别固定在铯储存单元底部的下表面和炉体底部的上表面。

所述导线6固定连接在连接部件10上，连接方式可为焊接或铆接等连接形式。优选的，连接方式为焊接。优选地，所述导线材质为无氧铜，导线直径在0.4～0.6mm之间。

所述电极1为柱状，材质为不锈钢，电极头部形状为圆球形，与铯储存单元3顶部呈点接触状态。优选地，所述电极头部的圆球直径为0.8～1.0mm，电极1杆部直径在0.6～0.8mm之间，电极不宜太细或太粗，太细容易在安装和击穿过程中折弯，太粗会使击穿孔太大，使得铯容易溢出。

所述盖板2下表面有凸起结构，用于阻挡铯储存泡。盖板为圆形，盖板下表面设有不少于2个的凸起结构，凸起结构的形状为半圆形。所述盖板上的凸起距铯储存单元相应位置的距离约为电极头部的圆球直径的两倍，以使得铯储存单元被击穿后，电极头部刚好穿过铯储存单元的薄壁结构。

需要指出的是，所述盖板依据炉体形状而定，凸起结构的形状可为圆形、方形等凸出结构，盖板和凸起结构的具体形状、凸起结构的数量均根据实际情况而定，对此不做具体限定。

图5和图6分别是连接部件的装配图和连接部件的示意图。

在本实施例中，所述连接部件10的材质为导电材料，用于将导线固定连接在炉体底部和铯储存单元底部。优选的，连接部件10是圆环片状。

2个连接部件10分别固定在铯储存单元底部的下表面和炉体底部的上表面，例如可以是焊接连接。优选地，固定方式为焊接连接固定。

优选地，所述连接部件10为镍片，或者，所述连接部件10为不锈钢片，分别固定在铯储存单元底部的下表面和炉体底部的上表面。

在本实施例中，所述导线6固定连接在连接部件10上，连接方式可为焊接或铆接等连接形式。优选的，连接方式为焊接。优选地，所述导线材质为无氧铜，导线直径在0.4～0.6mm之间。所述导线呈螺旋状，导线可套在弹簧的内部且不影响弹簧的伸缩。

优选地，当导线6呈螺旋状时，连接部件10可通过相互的作用力来固定，作用力为铯储存单元3向下的力、多孔结构7向上的力，以及螺旋状导线受到压缩产生的向上和向下的作用力。

所述弹簧5为圆锥螺旋状，耐高温值不低于400℃，弹力值大于5N。优选地，弹力值在5～10N之间。

所述弹簧5放置在铯储存单元3底部下表面和多孔结构7底部的上表面之间，安装后弹簧处于最大压缩状态。所述弹簧5可固定连接在铯储存单元3底部下表面和多孔结构7底部的上表面，例如可以是焊接连接。所述弹簧5也可以在铯储存单元3向下的力和多孔结构7向上的力的联合作用下固定。

在本申请的任意一个实施例中所述击穿结构可以适用于真空环境，真空度不低于5×10^-5Pa，避免铯接触空气发生氧化。

图7是铯炉电击穿方法的流程示意图。在本申请的任意一个实施例中所述的系统的击穿方法，包含以下步骤：

步骤21：电极与炉体接线端接收电流，电极与铯储存单元顶部的接触区域受热熔化。

所述电极与炉体接线端接收的电流为脉冲电流，脉冲电流可受计算机控制的电源控制，所述脉冲电流可在0-100A范围内调节，脉冲时间可以在0.1～1s范围内调节。优选地，脉冲电流为100A，持续时间为0.5s。

经过设定的脉冲电流，使得电极与铯储存泡接触区域产生大量热量，所述铯储存泡接触区域达到熔化状态。

步骤22：弹簧推动铯储存单元，铯储单元向电极移动。

所述铯储存单元受到弹簧的推力，绝缘结构产生了摩擦阻力以及熔融区域的粘滞阻力，且所述弹簧推力大于摩擦阻力与粘滞阻力的合力，铯储存单元向电极方向移动。

步骤23：电极的反作用力戳破铯储存单元接触区域的薄壁，从而实现电击穿。

所述弹簧推动铯储存单元向电极方向移动的作用下，电极端部与储存单元顶部产生了反向作用力，进而戳破铯储存单元接触区域的薄壁，从而达到了电击穿的目的。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种铯炉电击穿系统，包括炉体、盖板、炉体连线端、铯储存单元，炉体与盖板固定连接，构成密封结构，炉体连线端与炉体为一体结构，铯储存单元位于炉体内部，其特征在于，所述系统还包括：电极、多孔结构、绝缘结构、弹簧和导线；

所述电极穿透并固定在盖板上，电极端部与铯储存单元顶部接触；所述电极为柱状，材质为不锈钢，电极杆部直径0.6~0.8mm；

所述多孔结构位于铯储存单元和炉体之间，多孔结构底部开设了用于放置导线的洞口；

所述绝缘结构位于铯储存单元和多孔结构之间；铯储存单元的薄壁结构的厚度不超过0.1mm，呈圆筒形状；所述铯储存单元、绝缘结构和多孔结构之间自由滑动；

所述弹簧放置在铯储存单元底部下表面和多孔结构底部的上表面之间，耐高温值不低于400℃，弹力值大于5N；

所述导线连接炉体底部和铯储存单元底部，导线直径0.4~0.6mm；

所述电极与炉体接线端接收的电流为脉冲电流，脉冲电流在0~100A范围内调节，脉冲时间在0.1~1s范围内调节。

2.如权利要求1所述的铯炉电击穿系统，其特征在于，所述盖板下表面有凸起结构，用于阻挡铯储存泡。

3.如权利要求1所述的铯炉电击穿系统，其特征在于，所述电极为柱状，材质为不锈钢。

4.如权利要求1所述的铯炉电击穿系统，其特征在于，所述多孔结构的材质具有亲液特性，高度大于铯储存单元的最大深入长度，多孔结构底部的上表面与铯储存单元底部的下面表之间的距离大于最大压缩状态下的弹簧高度。

5.如权利要求1所述的铯炉电击穿系统，其特征在于，所述绝缘结构的材质为陶瓷。

6.如权利要求1所述的铯炉电击穿系统，其特征在于，所述弹簧为圆锥螺旋状。

7.如权利要求1所述的铯炉电击穿系统，其特征在于，所述导线材质为无氧铜，导线呈螺旋状，导线套在弹簧的内部且不影响弹簧的伸缩。

8.如权利要求1所述的铯炉电击穿系统，其特征在于，所述系统还包括连接部件，材质为导电材料，用于将导线固定连接在炉体底部和铯储存单元底部。

9.如权利要求8所述的铯炉电击穿系统，其特征在于，所述连接部件为镍片，分别固定在铯储存单元底部的下表面和炉体底部的上表面。

10.一种铯炉电击穿方法，用于权利要求1~9任意一项所述系统，其特征在于，包含以下步骤：

所述电极穿透并固定在盖板上，电极端部与铯储存单元顶部接触；所述电极为柱状，材质为不锈钢，电极杆部直径0.6~0.8mm；

所述多孔结构位于铯储存单元和炉体之间，多孔结构底部开设了用于放置导线的洞口；

所述绝缘结构位于铯储存单元和多孔结构之间；铯储存单元的薄壁结构的厚度不超过0.1mm，呈圆筒形状；所述铯储存单元、绝缘结构和多孔结构之间自由滑动；

所述弹簧放置在铯储存单元底部下表面和多孔结构底部的上表面之间，耐高温值不低于400℃，弹力值大于5N；

所述导线连接炉体底部和铯储存单元底部，导线直径0.4~0.6mm；

所述电极与炉体接线端接收的电流为脉冲电流，脉冲电流在0~100A范围内调节，脉冲时间在0.1~1s范围内调节；

电极与炉体接线端接收电流，电极与铯储存单元顶部的接触区域受热熔化；

弹簧推动铯储存单元，铯储单元向电极移动；

电极的反作用力戳破铯储存单元接触区域的薄壁，从而实现电击穿。

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