CN112768326B - 一种194nm谱线汞灯的制作装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的一个实施例公开了一种194nm谱线汞灯的制作装置和方法，所述装置包括：充制平台、第一到第四管道、气瓶、针阀、汞同位素泡壳、射频激励模块、三维调整架、第一烤箱、泵、压力表和加热带；第一管道设在充制平台内部；气瓶充有工作气体；针阀安装在第一管道的第一端口；第二管道的第一端口与第一管道的第二端口连通；第三管道的第一端口与第二管道的第二端口连通；第四管道的第一端口与第三管道的第三端口连通；汞同位素泡壳安装在第四管道的第二端口；射频激励模块安装在三维调整架上；三维调整架放置在充制平台上；第一烤箱设在充制平台上；泵与第一管道的第三端口相连；压力表设置在第一管道的第四端口；加热带设于第一管道的外壁上。

Description

一种194nm谱线汞灯的制作装置和方法
技术领域
本发明涉及汞灯制作技术领域，具体涉及一种194nm谱线汞灯的制作装置和方法。
背景技术
汞离子微波频标是一种新型频标，采用了不同于氢、铷、铯等传统原子频标的全新工作原理。其具有基本不受实物粒子和外场的扰动、运动效应小和量子态相干时间长等内在特点，谱线宽度极窄，各种频移很小。汞离子微波频标通过在离子阱施加静电场、磁场或者射频场，将工作离子囚禁于超高真空的离子阱中心，使离子完全孤立，处于“完全静止状态”，不受到外界的干扰，因此大大提高了汞离子微波频标的性能指标。可以预见未来汞离子微波频标的地位尤为重要，将成为中长期内国家高精度量子频率标准的研究主体。
汞离子微波频标核心技术之一就是高稳定、高可靠性、窄线宽汞灯的设计。高效光抽运汞灯的研制是实现高性能、高可靠和小型化汞离子微波频标的必要条件，并可有效降低使用成本。
汞灯的最关键指标为汞灯的稳定性，汞灯的稳定性直接影响了物理系统的性能指标，提高汞灯的稳定性，需要对汞灯的冷端进行温控，使汞蒸汽的饱和蒸汽压稳定。利用传统方法制作的汞灯主要有以下几个缺点：1、194nm谱线最强时，汞灯冷端最佳温度一般在60度～70度；2、汞灯射频功率很大，射频加热效应很强，导致冷端无法控温。
发明内容
本发明的目的在于提供一种194nm谱线汞灯的制作装置和方法，通过本发明所提供的装置和方法可使194nm谱线最强时，汞灯的冷端温度在40度，同时大大降低汞灯的功率，8W左右即可达到汞离子微波频标需求，远远低于之前的15W，能够大大降低射频加热效应，提高温控的可行性。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
本发明一方面提供一种194nm谱线汞灯的制作装置，所述装置包括：
充制平台、第一到第四管道、气瓶、针阀、汞同位素泡壳、射频激励模块、三维调整架、第一烤箱、泵、压力表和加热带；
其中，
所述第一管道由不锈钢制成，设置在充制平台内部；
所述气瓶充有制作194nm谱线汞灯所需的工作气体；
所述针阀安装在所述第一管道的第一端口，用于控制气瓶中的工作气体进入第一管道的第一端口；
所述第二管道设置在充制平台上，所述第二管道的第一端口与第一管道的第二端口气体连通，所述第二管道由玻璃材料制成；
所述第三管道的第一端口与第二管道的第二端口气体连通，该第三管道由玻璃材料制成；
待制作的汞灯发光泡壳安装在所述第三管道的第二端口；
所述第四管道的第一端口与第三管道的第三端口气体连通，该第四管道由玻璃材料制成；
所述汞同位素泡壳，安装在第四管道的第二端口；其中，该汞同位素泡壳由制冷片包裹，该汞同位素泡壳在其内部装有液体汞；
所述射频激励模块安装在所述三维调整架上；
所述三维调整架放置在所述充制平台上，用于调整射频激励模块与汞灯发光泡壳的相对位置关系；
所述第一烤箱设置在所述充制平台上，所述第一烤箱能够升降，用于对第二管道、第三管道、第四管道和汞灯发光泡壳进行加热烘烤；
所述泵通过阀门与所述第一管道的第三端口相连，用于维持充制平台各个管道内部的真空；
所述压力表设置在所述第一管道的第四端口，用于显示气瓶中的工作气体充入汞灯发光泡壳的气压；
所述加热带设置于所述充制平台第一管道的外壁上，用于对第一管道进行加热烘烤。
在一个具体实施例中，所述工作气体为Ar与CH4混合气体。
在一个具体实施例中，所述泵包括真空泵组和离子泵，真空泵组包括干泵和分子泵。
在一个具体实施例中，所述加热带通过通电进行加热。
在一个具体实施例中，所述射频激励模块中包含有激励电路；
其中，激励电路包括激励线圈，所述激励线圈能够根据实际需要调整线圈的圈数。
在一个具体实施例中，所述第二管道垂直于充制平台表面设置，所述第三管道平行于充制平台表面设置，所述第四管道垂直于充制平台表面设置。
本发明另一方面提供一种根据上述的装置的194nm谱线汞灯的制作方法，所述方法包括以下步骤：
S101：制作汞灯发光泡壳；
根据设计尺寸进行汞灯发光泡壳的加工制作，汞灯发光泡壳的发光面采用深紫外高透的平面材料与汞灯发光泡壳的发光面进行粘接，汞灯发光泡壳的尾部留一截短管，以便于与充制平台上的第三管道的第二端口进行连接；最后对汞灯发光泡壳进行表面处理，保证汞灯发光泡壳内表面的洁净度，然后将制作完成的汞灯发光泡壳连接到充制平台的第三管道的第二端口，使汞灯发光泡壳处于水平位置；
S102：汞灯发光泡壳抽真空；
打开充制平台中与泵相连的阀门，利用充制平台中的泵对汞灯发光泡壳进行三天抽真空，抽真空24小时后在抽真空的同时利用第一烤箱对汞灯发光泡壳、第二管道、第三管道和第四管道进行加热烘烤，利用加热带对第一管道进行加热烘烤，加热烘烤时间大于4小时，使汞灯发光泡壳内的真空度达到5E-7Pa量级，与此同时，汞同位素泡壳通过制冷片进行制冷；
S103：离子清洗；
在汞灯发光泡壳完成加热烘烤后将第一烤箱降回充制平台内部，在之后的抽真空的过程中，通过调整三维调整架，使汞灯发光泡壳进入到射频激励模块中的激励线圈内，对汞灯发光泡壳进行离子清洗，时间大于20分钟；
S104：汞灯发光泡壳充制；
关闭充制平台中与泵相连的阀门，使充制平台停止对汞灯发光泡壳进行抽真空，同时打开控制气瓶的针阀，使气瓶内的工作气体充入汞灯发光泡壳；通过充制平台的压力表显示所述工作气体充入汞灯发光泡壳的气压，使气压从0上升到70Pa；然后将第三管道和第四管道连同汞灯发光泡壳和汞同位素泡壳从第一管道上焊下来，放入第二烤箱进行加热烘烤，并不在对汞同位素泡壳进行制冷，直至汞同位素泡壳中的液体汞全部蒸发，将第三管道和第四管道连同汞灯发光泡壳和汞同位素泡壳取出，通过制冷片对汞灯发光泡壳进行制冷，制冷温度在0-5度之间，直至汞全部聚集在汞灯发光泡壳上，然后把汞灯发光泡壳从第三管道的第二端口上焊下并进行封装处理，完成充制；
S105：得到汞灯；
利用射频激励模块中的激励电路对封装好的汞灯发光泡壳进行激发，调整激励线圈圈数和汞灯发光泡壳的位置，直到得到最佳的发光强度，得到最终的汞灯。
在一个具体实施例中，所述步骤S102中对汞灯发光泡壳、第二管道、第三管道和第四管道的加热烘烤温度为400度到600度，对第一管道的加热烘烤温度为200度到300度，制冷片的制冷温度为0度到5度。
在一个具体实施例中，所述步骤S104中第二烤箱的加热烘烤温度为100度到110度。
本发明的有益效果如下：
通过本发明所提供的一种194nm谱线汞灯的制作装置和方法可使194nm谱线最强时，汞灯的冷端温度在40度。本发明所提供的装置和方法通过增加离子清洗，大大降低了汞灯的功率，8W左右即可达到汞离子微波频标需求，远远低于之前的15W，大大降低了射频加热效应，提高了温控的可行性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请具体实施方式或现有的技术方案，下面将对具体实施方式或现有的技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见的，下面描述中的附图是本申请的一种实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出根据本发明一个实施例的一种194nm谱线汞灯的制作装置的组成结构示意图。
图2示出根据本发明一个实施例的一种194nm谱线汞灯的制作方法的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的技术方案更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。以下通过具体实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员可以做出变形与改进，也应视为本发明的保护范围。
本实施例一方面提供一种194nm谱线汞灯的制作装置，如图1所示，包括：
充制平台1。
设置在充制平台内部的第一管道(图中未示出)，该第一管道由不锈钢制成。
气瓶3，充有制作194nm谱线汞灯所需的工作气体，在一个具体示例中是Ar与CH4混合气体。
针阀2，安装在所述第一管道的第一端口，用于控制气瓶3中的工作气体进入第一管道的第一端口。
设置在平台1上的第二管道4，第二管道的第一端口与第一管道的第二端口气体连通。其中第二管道优选垂直于平台设置。其中，该第二管道由玻璃材料制成。
第三管道5，第三管道5的第一端口与第二管道4的第二端口气体连通。其中，该第三管道由玻璃材料制成。待制作的汞灯发光泡壳8安装在第三管道5的第二端口。优选地，第三管道5平行于平台设置。
第四管道6，第四管道6的第一端口与第三管道5的第三端口气体连通。其中，该第四管道由玻璃材料制成。优选地，第四管道6垂直于平台设置。
汞同位素泡壳7，安装在第四管道6的第二端口。其中，该汞同位素泡壳内装有液体汞，并由制冷片包裹。
三维调整架9，放置在所述充制平台1上；
射频激励模块10，安装在三维调整架9上。其中三位调整架用于调整射频激励模块与汞灯发光泡壳8的相对位置关系。
所述射频激励模块中包含有激励电路，其中，激励电路包括激励线圈，所述激励线圈能够根据实际需要调整线圈的圈数。
第一烤箱(图中未示出)安装在所述充制平台上，用于对第二管道、第三管道、第四管道和汞灯发光泡壳进行加热烘烤；该第一烤箱为特制升降烤箱，需要时将其升起，可使第二管道、第三管道、第四管道以及汞灯发光泡壳在其内部密闭加热烘烤；不需要时可将其降回到充制平台内部。
泵(图中未示出)通过阀门与所述第一管道的第三端口相连，用于维持充制平台各个管道内部的真空；其中，所述泵包括真空泵组和离子泵，真空泵组又包括干泵和分子泵；
压力表(图中未示出)安装在所述第一管道的第四端口，用于显示气瓶中的工作气体充入汞灯发光泡壳的气压；
加热带(图中未示出)设置于所述充制平台第一管道的外壁上，用于对第一管道进行加热烘烤，所述加热带通过通电进行加热。
本实施例的另一个方面提供一种利用上述装置的一种194nm谱线汞灯的制作方法，如图2所示，所述方法包括以下步骤：
S101：制作汞灯发光泡壳；
根据设计尺寸进行汞灯发光泡壳的加工制作，汞灯发光泡壳的发光面采用深紫外高透的平面材料与汞灯发光泡壳的发光面进行粘接，汞灯发光泡壳的尾部留一截短管，以便于与充制平台上的第三管道的第二端口进行连接；最后对汞灯发光泡壳进行表面处理，保证汞灯发光泡壳内表面的洁净度，然后将制作完成的汞灯发光泡壳连接到充制平台的第三管道的第二端口，使汞灯发光泡壳处于水平位置；
其中，对汞灯发光泡壳进行表面处理包括对其进行一系列酸洗等表面处理工艺。
S102：汞灯发光泡壳抽真空；
打开充制平台中与泵相连的阀门，利用充制平台中的泵对汞灯发光泡壳进行三天抽真空，抽真空24小时后在抽真空的同时利用第一烤箱对汞灯发光泡壳、第二管道、第三管道和第四管道进行加热烘烤，利用加热带对第一管道进行加热烘烤，加热烘烤时间大于4小时，使汞灯发光泡壳内的真空度达到5E-7Pa量级，与此同时，汞同位素泡壳通过制冷片进行制冷；
其中，对汞灯发光泡壳和第二到第四管道的加热烘烤温度为400度到600度，400度为最佳，对第一管道的加热烘烤温度为200度到300度，200度为最佳，制冷片使汞同位素泡壳的温度保持在0-5度之间，通过加热烘烤能够尽量减少汞灯发光泡壳内的残余气体，对汞同位素泡壳进行制冷则是为了防止汞蒸发。
S103：离子清洗；
在汞灯发光泡壳完成加热烘烤后将第一烤箱降回充制平台内部，在之后的抽真空的过程中，通过调整三维调整架，使汞灯发光泡壳进入到射频激励模块中的激励线圈内，对汞灯发光泡壳进行离子清洗，时间大于20分钟；
本实施例通过增加离子清洗，大大降低了汞灯的功率，8W左右即可达到汞离子微波频标需求，远远低于之前的15W，大大降低了射频加热效应，提高了温控的可行性。
S104：汞灯发光泡壳充制；
关闭充制平台中与泵相连的阀门，使充制平台停止对汞灯发光泡壳进行抽真空，同时慢慢打开控制气瓶的针阀，使气瓶内的工作气体缓缓充入汞灯发光泡壳；通过充制平台的压力表显示所述工作气体充入汞灯发光泡壳的气压，使气压从0上升到70Pa；然后将第三管道和第四管道连同汞灯发光泡壳和汞同位素泡壳从第一管道上焊下来，放入第二烤箱进行加热烘烤，并不在对汞同位素泡壳进行制冷，直至汞同位素泡壳中的液体汞全部蒸发，将第三管道和第四管道连同汞灯发光泡壳和汞同位素泡壳取出，通过制冷片对汞灯发光泡壳进行制冷，制冷温度在0-5度之间，直至汞全部聚集在汞灯发光泡壳上，然后把汞灯发光泡壳从第三管道的第二端口上焊下并进行封装处理，完成充制；
其中，在焊的过程中，保证第三管道和第四管道连同汞灯发光泡壳和汞同位素泡壳内的真空，不与外界气体接触；第二烤箱为普通商用烤箱即可，加热烘烤温度在100度到110度，100度为最佳。
S105：得到汞灯；
利用射频激励模块中的激励电路对封装好的汞灯发光泡壳进行激发，调整激励线圈圈数和汞灯发光泡壳的位置，直到得到最佳的发光强度，得到最终的汞灯。
其中，当利用光谱仪测试，汞灯254谱线(最强的干扰光)与194nm谱线(所需谱线)光强比值小于50时即为最佳的发光强度。
待所述汞灯稳定后，得到的汞灯在194nm谱线最强时，汞灯的冷端最佳温度为40度，并且降低了汞灯的功率和射频加热效应，温控可以工作。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (9)

1.一种194nm谱线汞灯的制作装置，其特征在于，所述装置包括：
充制平台、第一到第四管道、气瓶、针阀、汞同位素泡壳、射频激励模块、三维调整架、第一烤箱、泵、压力表和加热带；
其中，
所述第一管道由不锈钢制成，设置在充制平台内部；
所述气瓶充有制作194nm谱线汞灯所需的工作气体；
所述针阀安装在所述第一管道的第一端口，用于控制气瓶中的工作气体进入第一管道的第一端口；
所述第二管道设置在充制平台上，所述第二管道的第一端口与第一管道的第二端口气体连通，所述第二管道由玻璃材料制成；
所述第三管道的第一端口与第二管道的第二端口气体连通，该第三管道由玻璃材料制成；
待制作的汞灯发光泡壳安装在所述第三管道的第二端口；
所述第四管道的第一端口与第三管道的第三端口气体连通，该第四管道由玻璃材料制成；
所述汞同位素泡壳，安装在第四管道的第二端口；其中，该汞同位素泡壳由制冷片包裹，该汞同位素泡壳在其内部装有液体汞；
所述射频激励模块安装在所述三维调整架上；
所述三维调整架放置在所述充制平台上，用于调整射频激励模块与汞灯发光泡壳的相对位置关系；
所述第一烤箱设置在所述充制平台上，所述第一烤箱能够升降，用于对第二管道、第三管道、第四管道和汞灯发光泡壳进行加热烘烤；
所述泵通过阀门与所述第一管道的第三端口相连，用于维持充制平台各个管道内部的真空；
所述压力表设置在所述第一管道的第四端口，用于显示气瓶中的工作气体充入汞灯发光泡壳的气压；
所述加热带设置于所述充制平台第一管道的外壁上，用于对第一管道进行加热烘烤。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述工作气体为Ar与CH4混合气体。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述泵包括真空泵组和离子泵，真空泵组包括干泵和分子泵。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述加热带通过通电进行加热。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述射频激励模块中包含有激励电路；
其中，激励电路包括激励线圈，所述激励线圈能够根据实际需要调整线圈的圈数。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二管道垂直于充制平台表面设置，所述第三管道平行于充制平台表面设置，所述第四管道垂直于充制平台表面设置。
7.一种根据权利要求1-6任一项所述的装置的194nm谱线汞灯的制作方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S101：制作汞灯发光泡壳；
根据设计尺寸进行汞灯发光泡壳的加工制作，汞灯发光泡壳的发光面采用深紫外高透的平面材料与汞灯发光泡壳的发光面进行粘接，汞灯发光泡壳的尾部留一截短管，以便于与充制平台上的第三管道的第二端口进行连接；最后对汞灯发光泡壳进行表面处理，保证汞灯发光泡壳内表面的洁净度，然后将制作完成的汞灯发光泡壳连接到充制平台的第三管道的第二端口，使汞灯发光泡壳处于水平位置；
S102：汞灯发光泡壳抽真空；
打开充制平台中与泵相连的阀门，利用充制平台中的泵对汞灯发光泡壳进行三天抽真空，抽真空24小时后在抽真空的同时利用第一烤箱对汞灯发光泡壳、第二管道、第三管道和第四管道进行加热烘烤，利用加热带对第一管道进行加热烘烤，加热烘烤时间大于4小时，使汞灯发光泡壳内的真空度达到5E-7Pa量级，与此同时，汞同位素泡壳通过制冷片进行制冷；
S103：离子清洗；
在汞灯发光泡壳完成加热烘烤后将第一烤箱降回充制平台内部，在之后的抽真空的过程中，通过调整三维调整架，使汞灯发光泡壳进入到射频激励模块中的激励线圈内，对汞灯发光泡壳进行离子清洗，时间大于20分钟；
S104：汞灯发光泡壳充制；
关闭充制平台中与泵相连的阀门，使充制平台停止对汞灯发光泡壳进行抽真空，同时打开控制气瓶的针阀，使气瓶内的工作气体充入汞灯发光泡壳；通过充制平台的压力表显示所述工作气体充入汞灯发光泡壳的气压，使气压从0上升到70Pa；然后将第三管道和第四管道连同汞灯发光泡壳和汞同位素泡壳从第一管道上焊下来，放入第二烤箱进行加热烘烤，并不在对汞同位素泡壳进行制冷，直至汞同位素泡壳中的液体汞全部蒸发，将第三管道和第四管道连同汞灯发光泡壳和汞同位素泡壳取出，通过制冷片对汞灯发光泡壳进行制冷，制冷温度在0-5度之间，直至汞全部聚集在汞灯发光泡壳上，然后把汞灯发光泡壳从第三管道的第二端口上焊下并进行封装处理，完成充制；
S105：得到汞灯；
利用射频激励模块中的激励电路对封装好的汞灯发光泡壳进行激发，调整激励线圈圈数和汞灯发光泡壳的位置，直到得到最佳的发光强度，得到最终的汞灯。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤S102中对汞灯发光泡壳、第二管道、第三管道和第四管道的加热烘烤温度为400度到600度，对第一管道的加热烘烤温度为200度到300度，制冷片的制冷温度为0度到5度。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤S104中第二烤箱的加热烘烤温度为100度到110度。
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