CN113917828A - 一种适用于可搬运光钟系统的原子束装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于可搬运光钟系统的原子束装置。包括炉腔，喷嘴，样品，陶瓷管，加热丝，隔热屏蔽罩，隔热板，陶瓷环，定位陶瓷垫片，镂空金属棒，两孔陶瓷棒，连接法兰，固定螺钉，顶紧螺钉。本发明在5W的低功耗情况下可以将镱金属样品加热到360℃的高温，此装置喷出的原子束的束流强度高达2E13𝑠‑1𝑐𝑚‑2，发散角低至30 mrad，低发散角和强束流强度有利于提高原子的装载效率。该装置在原子光频标、量子信息、冷原子物理等领域具有重要的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及原子光频标领域，具体涉及一种低功耗、强束流和长寿命的适用于可搬运光钟系统的原子束装置。适用于量子信息、光频标、冷原子物理等领域。
背景技术
在光晶格原子钟运行过程中，钟跃迁探测是不断重复的周期事件，每个探测周期包括原子的制备和钟跃迁谱线的探询。整个光钟运行周期包括冷原子制备和钟跃迁探寻两个部分，钟谱探询时间与整个时序周期的比值称为钟探询的占空比，提高钟探询的占空比有利于提高光钟的稳定度。而原子的制备时间称为死时间。原子的制备初期，相同情况下，强的原子束束流可以缩短装载时间，从而减少光钟运转中的制备时间。随着可搬运光钟和空间光钟的开展，整机系统功耗要求越来越苛刻。而原子束的产生是通过加热丝通电的方式加热固态原子样品产生的，因此，亟需一种能在低功耗下产生强束流的原子束装置。
产生原子束的常用方式是：将固态原子样品放置在一个金属容器内，通过加热金属容器内，使得原子样品产生饱和蒸气从喷嘴喷射出来形成原子束。考虑到真空环境相对于自然大气环境更有利于隔热的因素，在真空内产生原子束是一个很好的方案。为了使得从喷嘴处喷射的原子束能以较小的发散角到达实验区域，喷嘴处管道长度要远大于20倍的管道直径。考虑到原子束流强度，采用一个通孔的喷嘴，长度必然很长，有悖于可搬运光钟系统的设计要求。有文献报道，采用毛细管阵列方式，可以设计成紧凑强束流的原子炉喷嘴。经过我们测试发现，毛细管阵列不能排除各个毛细管之间的缝隙，这样导致原子蒸气也能从这些缝隙喷射出来，最终影响原子束的准直性。同时原子束的发散角也受到影响，造成原子的浪费，使得原子源的使用寿命减少。在光钟系统中，采用寿命足够长的原子束装置能有效避免不断拆卸原子炉系统更换原子源的困境，而在空间光钟系统中，也不易进行原子源的补充操作。采用这种新型设计的原子束装置可以有效满足空间站一个建设周期的任务需求。
针对可搬运光钟和空间光钟的开展，在真空环境下如何设计一种低功耗、强束流和长寿命的原子束装置是一个亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术需求，提供了一种适用于可搬运光钟系统的原子束装置。该装置采用真空内加热，还有隔热设计，具有低功耗的特点。喷嘴的特殊设计使得产生的原子束具有低发散角、高束流强度的性能，在原子光钟的实验中有效提高了原子的装载效率。由于原子束具有低发散角的性能，该装置同时具有极高的原子利用率。
本发明的上述目的通过以下技术手段实现：
一种适用于可搬运光钟系统的原子束装置，包括炉腔，炉腔一端为封闭端，另一端为设置有内螺纹的开口端，炉腔内设置有样品，炉腔的开口端与喷嘴的外螺纹连接，喷嘴上设置有喷孔，炉腔和喷嘴整体设置在陶瓷管中，陶瓷管上设有加热丝。
如上所述的炉腔的封闭端设置在隔热板一侧面上，隔热板上罩设有隔热屏蔽罩，炉腔，喷嘴，样品，陶瓷管和加热丝均位于在隔热屏蔽罩内，隔热板另一侧面分别与多个平行的镂空金属棒一端连接，各个镂空金属棒另一端分别与连接法兰连接。
如上所述的加热丝的两个连接端分别插入到两孔陶瓷棒中的两个通孔并分别通过连接导线与设置在连接法兰上的第一真空电极和第二真空电极连接，炉腔的封闭端外部套设固定有固定环，固定环上开设有陶瓷棒固定孔，两孔陶瓷棒插入陶瓷棒固定孔中，顶紧螺钉拧入与陶瓷棒固定孔垂直连通的螺纹紧固孔并与两孔陶瓷棒相抵压紧。
如上所述的陶瓷管的管壁内开设有多个平行的加热孔，各个加热孔的轴线与陶瓷管的轴线平行，各个加热孔周向均匀分布在陶瓷管的管壁，加热丝依次穿过各个加热孔。
如上所述的喷嘴呈瓶盖状，喷嘴一端为开口端且设置有外螺纹，喷嘴另一端为封闭端，封闭端的端面开设有贯通的喷孔。
如上所述的炉腔的封闭端外部套设固定有固定环，固定环上均匀开设有多个固定环穿孔，隔热板上与各个固定环穿孔相对的位置开设有隔热板穿孔，固定螺钉依次穿过第二陶瓷环、第三定位陶瓷垫片、固定环穿孔、第二定位陶瓷垫片、第一陶瓷环、隔热板穿孔、第一定位陶瓷垫片与镂空金属棒一端螺纹连接。
如上所述的固定螺钉、第二陶瓷环、第三定位陶瓷垫片、固定环穿孔、第二定位陶瓷垫片、第一陶瓷环、隔热板穿孔以及第一定位陶瓷垫片分别与镂空金属棒一一对应且共中心轴。
如上所述的第二定位陶瓷垫片上设置有嵌入到固定环穿孔的限位台阶环，第三定位陶瓷垫片上设置有嵌入到固定环穿孔的限位台阶环，第一定位陶瓷垫片上设置有嵌入到隔热板穿孔的限位台阶环。
如上所述的炉腔封闭端的外端面中心开设有探头安装槽孔，探头安装槽孔内设置有热偶探头，热偶探头的引线依次贯穿隔热板的中心穿孔与连接法兰连接。
如上所述的隔热屏蔽罩包括连接筒部和限位筒部，连接筒部通过内螺纹与隔热板上的外螺纹连接，限位筒部的直径小于连接筒部的直径，限位筒部的长度大于连接筒部的长度，限位筒部的内径与陶瓷管的外径适配，连接筒部的内径与圆形的隔热板的外径适配，限位筒部上开设有外部喷孔。
本发明相对于现有技术，具有以下优点：
使用5W的低功耗可以将镱金属样品加热到360℃的高温，经过此装置喷出的原子束的束流强度高达2E13𝑠-1𝑐𝑚-2，发散角低至30 mrad，低发散角和高束流强度有利于提高原子的装载效率。在连续9个月时间内，原子炉每天24 h持续在360℃高温，未见束流强度有衰减，理论预估持续使用20年没有问题。该装置在原子光频标、量子信息、冷原子物理等领域具有重要的应用前景。
附图说明
图1是本发明装配后的结构示意图；
图2是本发明的拆解图；
图中：1-炉腔；2-喷嘴；3-样品；4-陶瓷管；5-加热丝；501-第一引线；502-第二引线；601-隔热屏蔽罩；602-隔热板；701-第一陶瓷环；702-第二陶瓷环；801-第一定位陶瓷垫片；802-第二定位陶瓷垫片；803-第三定位陶瓷垫片；9-镂空金属棒；10-两孔陶瓷棒；11-连接法兰；1101-第一真空电极；1102-第二真空电极；1103-热偶探头；12-固定螺钉；13-顶紧螺钉。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
一种适用于可搬运光钟系统的原子束装置。包括炉腔1，喷嘴2，样品3，陶瓷管4，加热丝5，隔热屏蔽罩601，隔热板602，陶瓷环（第一陶瓷环701，第二陶瓷环702），定位陶瓷垫片（第一定位陶瓷垫片801，第二定位陶瓷垫片802，第三定位陶瓷垫片803），镂空金属棒9，两孔陶瓷棒10，连接法兰11，固定螺钉12，以及顶紧螺钉13。所有的配件在组装前都需要经过丙酮超声清洗多次。
炉腔1一端为封闭端，另一端为设置有内螺纹的开口端，炉腔1内设置有样品3，炉腔1的开口端与喷嘴2的外螺纹连接，喷嘴2上设置有喷孔，炉腔1和喷嘴2整体设置在陶瓷管4中，陶瓷管4上设有加热丝5，
炉腔1的封闭端设置在隔热板602一侧面上，隔热板602上罩设有隔热屏蔽罩601，炉腔1，喷嘴2，样品3，陶瓷管4和加热丝5均位于在隔热屏蔽罩601内。
隔热板602另一侧面分别与多个平行的镂空金属棒9一端连接，各个镂空金属棒9另一端分别与连接法兰11连接。
加热丝5的两个连接端分别插入到两孔陶瓷棒10中的两个通孔并分别通过连接导线与设置在连接法兰11上的第一真空电极1101和第二真空电极1102连接，炉腔1的封闭端外部套设固定有固定环，固定环上开设有陶瓷棒固定孔，两孔陶瓷棒10插入陶瓷棒固定孔中，顶紧螺钉13拧入与陶瓷棒固定孔垂直连通的螺纹紧固孔并与两孔陶瓷棒10相抵压紧。
陶瓷管4的管壁内开设有多个平行的加热孔，各个加热孔的轴线与陶瓷管4的轴线平行，各个加热孔周向均匀分布在陶瓷管4的管壁，加热丝5依次穿过各个加热孔。
喷嘴2呈瓶盖状，喷嘴2一端为开口端且设置有外螺纹，喷嘴2另一端为封闭端，封闭端的端面开设有贯通的喷孔。
样品3从炉腔1开口端放入，喷嘴2和炉腔1匹配组装后封装在炉腔1的内部。加热丝5来回穿插的绕制在陶瓷管4的四周薄壁里面，陶瓷管4套在炉腔1和喷嘴2的外面，加热丝5的两端（第一引线501和第二引线502）从两孔陶瓷棒10穿过，连接到连接法兰11的两个真空电极（第一真空电极1101和第二真空电极1102），通过给这两个真空电极供电，加热丝5产生的热均匀的加热陶瓷管4，陶瓷管为氧化铝含量99.7%导热系数24 W𝑠-1K-1的刚玉陶瓷，加热丝为直径0.5 mm的纯度99.99% 的钽丝，陶瓷管4的四周薄壁厚度仅有2.5 mm，导热系数高达24 W𝑠-1K-1，内部的炉腔1、喷嘴2以及样品3也相应地被均匀加热，样品3被密封在炉腔1内部，样品3产生的高温蒸气只能从喷嘴2中心处的喷孔中喷射出来。
喷嘴2中心处是由激光打孔形成的19条直径0.5 mm的喷孔，样品3在360℃高温时，从喷嘴2喷射形成的原子束束流强度高达2E13𝑠-1𝑐𝑚-2，发散角低至30 mrad。
炉腔1的封闭端外部套设固定有固定环，固定环上均匀开设有多个固定环穿孔，隔热板602上与各个固定环穿孔相对的位置开设有隔热板穿孔，固定螺钉12依次穿过第二陶瓷环702、第三定位陶瓷垫片803、固定环穿孔、第二定位陶瓷垫片802、第一陶瓷环701、隔热板穿孔、第一定位陶瓷垫片801与镂空金属棒9一端螺纹连接。
固定螺钉12、第二陶瓷环702、第三定位陶瓷垫片803、固定环穿孔、第二定位陶瓷垫片802、第一陶瓷环701、隔热板穿孔以及第一定位陶瓷垫片801分别与镂空金属棒9一一对应且共中心轴。本实施例中，镂空金属棒9为3个。镂空金属棒的作用：1.支撑真空内的零部件；2.镂空棒体减轻棒体重量；3.镂空另一个作用是增大热阻，减小热导，有利于低功耗的特点。
第二定位陶瓷垫片802上设置有嵌入到固定环穿孔的限位台阶环，第三定位陶瓷垫片803上设置有嵌入到固定环穿孔的限位台阶环，第一定位陶瓷垫片801上设置有嵌入到隔热板穿孔的限位台阶环。
炉腔1封闭端的外端面中心开设有探头安装槽孔（非贯穿孔），探头安装槽孔内设置有热偶探头1103，热偶探头1103的引线依次贯穿隔热板602的中心穿孔与连接法兰11连接。
隔热屏蔽罩601包括连接筒部和限位筒部，连接筒部通过内螺纹与隔热板602上的外螺纹连接，限位筒部的直径小于连接筒部的直径，限位筒部的长度大于连接筒部的长度，限位筒部的内径与陶瓷管4的外径适配，连接筒部的内径与圆形的隔热板602的外径适配。限位筒部上开设有外部喷孔。
隔热屏蔽罩601内外表面抛光，隔热板602表面抛光。
本实施例中，三根侧面镂空的镂空金属棒9通过外螺纹固定在连接法兰11的侧面上且三个固定点形成一个正三角形的三个顶点，而这个正三角形的中心在连接法兰11的轴线上。在每根镂空金属棒9的内螺纹端端面各放置一个第一定位陶瓷垫片801，第一定位陶瓷垫片801的轴线与相应的镂空金属棒9的轴线同轴，第一定位陶瓷垫片801的限位台阶环正好放置在隔热板602的三个隔热板穿孔内，在这三个隔热板穿孔上方依次放置有第一陶瓷环701和第二定位陶瓷垫片802，第一陶瓷环701的轴线和第二定位陶瓷垫片802的轴线都与第一定位陶瓷垫片801的轴线同轴，第二定位陶瓷垫片802和第三定位陶瓷垫片803的限位台阶环正好放置在炉腔1的封闭端外部套设固定的固定环的固定环通孔内，在这三个固定环通孔上方依次放置有第三定位陶瓷垫片803和第二陶瓷环702，第三定位陶瓷垫片803的轴线和第二陶瓷环702的轴线都与第二定位陶瓷垫片802的轴线同轴，在第二陶瓷环702的轴线上放置有固定螺钉12，固定螺钉12依次穿过第二陶瓷环702、第三定位陶瓷垫片803、固定环穿孔、第二定位陶瓷垫片802、第一陶瓷环701、隔热板穿孔、第一定位陶瓷垫片801与镂空金属棒9一端螺纹连接。热偶探头1103进行监测炉腔1的温度。顶紧螺钉13从固定环侧面的螺纹紧固孔进入，固定两孔陶瓷棒10，避免加热丝5的两个引线因接触而发生短路现象。隔热屏蔽罩601的内螺纹与隔热板602的外螺纹匹配固定，将加热丝5产生的热量屏蔽在炉腔1和喷嘴2的周围。
在连接法兰11的两个真空电极上施加5W的电功率（3.8V，1.32A），可将11g样品3加热到360℃的高温，此时连接法兰11以及其他真空零件用手触摸没有热感。
炉腔1和喷嘴2的材料为316不锈钢，喷嘴2中心沿轴线方向均匀开有多条直径0.5mm的喷孔（本实施例中为19条喷孔），喷孔是通过激光打孔而成，保证孔的准直性的同时避免了喷孔与喷孔之间的间隙，可防止高温蒸气弥散影响发散角，样品为3 mm立方块纯度99.99%的镱金属颗粒。
隔热屏蔽罩和隔热板的材料为6061铝合金，内外表面抛光，
陶瓷管4的材料为氧化铝含量99.7%导热系数24W𝑠-1K-1的刚玉陶瓷，第一陶瓷环701、第二陶瓷环702、第一定位陶瓷垫片801、第二定位陶瓷垫片802和第三定位陶瓷垫片803以及两孔陶瓷棒10的材料为导热系数低至2.5 W𝑠-1K-1的滑石瓷。
镂空金属棒材料为316不锈钢。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或者采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (10)
1.一种适用于可搬运光钟系统的原子束装置，包括炉腔（1），其特征在于，炉腔（1）一端为封闭端，另一端为设置有内螺纹的开口端，炉腔（1）内设置有样品（3），炉腔（1）的开口端与喷嘴（2）的外螺纹连接，喷嘴（2）上设置有喷孔，炉腔（1）和喷嘴（2）整体设置在陶瓷管（4）中，陶瓷管（4）上设有加热丝（5）。
2.根据权利要求1所述的一种适用于可搬运光钟系统的原子束装置，其特征在于，所述的炉腔（1）的封闭端设置在隔热板（602）一侧面上，隔热板（602）上罩设有隔热屏蔽罩（601），炉腔（1），喷嘴（2），样品（3），陶瓷管（4）和加热丝（5）均位于在隔热屏蔽罩（601）内，隔热板（602）另一侧面分别与多个平行的镂空金属棒（9）一端连接，各个镂空金属棒（9）另一端分别与连接法兰（11）连接。
3.根据权利要求2所述的一种适用于可搬运光钟系统的原子束装置，其特征在于，所述的加热丝（5）的两个连接端分别插入到两孔陶瓷棒（10）中的两个通孔并分别通过连接导线与设置在连接法兰（11）上的第一真空电极（1101）和第二真空电极（1102）连接，炉腔（1）的封闭端外部套设固定有固定环，固定环上开设有陶瓷棒固定孔，两孔陶瓷棒（10）插入陶瓷棒固定孔中，顶紧螺钉（13）拧入与陶瓷棒固定孔垂直连通的螺纹紧固孔并与两孔陶瓷棒（10）相抵压紧。
4.根据权利要求3所述的一种适用于可搬运光钟系统的原子束装置，其特征在于，所述的陶瓷管（4）的管壁内开设有多个平行的加热孔，各个加热孔的轴线与陶瓷管（4）的轴线平行，各个加热孔周向均匀分布在陶瓷管（4）的管壁，加热丝（5）依次穿过各个加热孔。
5.根据权利要求4所述的一种适用于可搬运光钟系统的原子束装置，其特征在于，所述的喷嘴（2）呈瓶盖状，喷嘴（2）一端为开口端且设置有外螺纹，喷嘴（2）另一端为封闭端，封闭端的端面开设有贯通的喷孔。
6.根据权利要求5所述的一种适用于可搬运光钟系统的原子束装置，其特征在于，所述的炉腔（1）的封闭端外部套设固定有固定环，固定环上均匀开设有多个固定环穿孔，隔热板（602）上与各个固定环穿孔相对的位置开设有隔热板穿孔，固定螺钉（12）依次穿过第二陶瓷环（702）、第三定位陶瓷垫片（803）、固定环穿孔、第二定位陶瓷垫片（802）、第一陶瓷环（701）、隔热板穿孔、第一定位陶瓷垫片（801）与镂空金属棒（9）一端螺纹连接。
7.根据权利要求6所述的一种适用于可搬运光钟系统的原子束装置，其特征在于，所述的固定螺钉（12）、第二陶瓷环（702）、第三定位陶瓷垫片（803）、固定环穿孔、第二定位陶瓷垫片（802）、第一陶瓷环（701）、隔热板穿孔以及第一定位陶瓷垫片（801）分别与镂空金属棒（9）一一对应且共中心轴。
8.根据权利要求7所述的一种适用于可搬运光钟系统的原子束装置，其特征在于，所述的第二定位陶瓷垫片（802）上设置有嵌入到固定环穿孔的限位台阶环，第三定位陶瓷垫片（803）上设置有嵌入到固定环穿孔的限位台阶环，第一定位陶瓷垫片（801）上设置有嵌入到隔热板穿孔的限位台阶环。
9.根据权利要求8所述的一种适用于可搬运光钟系统的原子束装置，其特征在于，所述的炉腔（1）封闭端的外端面中心开设有探头安装槽孔，探头安装槽孔内设置有热偶探头（1103），热偶探头（1103）的引线依次贯穿隔热板（602）的中心穿孔与连接法兰（11）连接。
10.根据权利要求9所述的一种适用于可搬运光钟系统的原子束装置，其特征在于，所述的隔热屏蔽罩（601）包括连接筒部和限位筒部，连接筒部通过内螺纹与隔热板（602）上的外螺纹连接，限位筒部的直径小于连接筒部的直径，限位筒部的长度大于连接筒部的长度，限位筒部的内径与陶瓷管（4）的外径适配，连接筒部的内径与圆形的隔热板（602）的外径适配，限位筒部上开设有外部喷孔。
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Inventor after: Wang Bing Inventor after: Zhang Ang Inventor after: Tian Congcong Inventor after: Zhu Qiang Inventor after: Xiong Zhuanxian Inventor after: Xiong Dezhi Inventor after: He Lingxiang Inventor after: Lv Baolong Inventor before: Wang Bing Inventor before: Xiong Zhuanxian Inventor before: Zhu Qiang Inventor before: He Lingxiang Inventor before: Lv Baolong |