CN114527636A - 一种原子钟原子气室充制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种原子钟原子气室充制方法，属于原子气室充制领域，包括以下步骤：步骤一：准备气室、用于充制气室的充气系统和用于充气系统的缓冲气体；步骤二：准备气室清洗液体(丙酮溶液)并进行气室清洗操作；步骤三：将清洗的气室烘烤，冷却后放入无尘环境下存放；步骤四：将气室放入充气系统中，并进行充气操作；步骤五：将充气后的气室取出，完成充制。能够提升原子气室性能，同时提升原子气室中的碱金属纯度，整个操作方法实施简单且具有较高的容错率，可以在一次充制完成后，快速进行下一次充制步骤，提高充制效率的同时保证精度。
Description
技术领域
本发明涉及原子气室充制技术领域，尤其涉及原子钟原子气室充制方法。
背景技术
原子气室是原子钟中的核心部件，其性能直接决定了原子钟的相关性能。气室内部线宽、驰豫时间主要由缓冲气体的压强及种类决定，原子气室一般通过充制完成。
其中，原子气室中的缓冲气体的种类和配比尤为重要，优质的缓冲气体配比将有效提高原子钟的输出频率稳定度。
缓冲气体一般选用惰性气体(如氖气、氩气)和部分分子气体(如氮气、甲烷)等。
虽然缓冲气体可以降低原子退极化的速率，延长弛豫时间，但原子与缓冲气体碰撞时会产生能级偏移，进而影响原子钟的性能。因此，需要选择多种气体组分，通过不同气体的碰撞频移系数，降低能级偏移，进而保证原子钟的性能。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷，而提出的原子钟原子气室充制方法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种原子钟原子气室充制方法，包括以下步骤：
步骤一：准备气室、用于充制气室的充气系统和用于充气系统的缓冲气体；
步骤二：准备气室清洗液体(丙酮溶液)并进行气室清洗操作；
步骤三：将清洗的气室烘烤，冷却后放入无尘环境下存放；
步骤四：将气室放入充气系统中，并进行充气操作；
步骤五：将充气后的气室取出，完成充制。
进一步地，所述充气系统包括真空泵、气室烧接装置、加热装置、烘箱和缓冲气体箱，所述真空泵、所述气室烧接装置、所述加热装置和所述缓冲气体箱均通过管路连接，所述气室烧接装置与所述真空泵之间设有阀门A，所述气室烧接装置与所述加热装置之间设有阀门C，所述气室烧接装置与所述缓冲气体箱之间设有阀门B。
进一步地，用于步骤二中，气室清洗操作是对气室的内壁进行清洗，去除能够与碱金属原子相互反应的杂质。
进一步地，用于步骤二中，气室清洗操作具体包括以下步骤：
A)将气室中装入足量的丙酮溶液，使气室内壁完全浸没在丙酮溶液中，静置5分钟，保证气室内壁的油性物质完全溶于丙酮溶液；
B)将丙酮溶液倒入废液池，用蒸馏水清洗气室内壁5次以上，保证气室内壁无丙酮残留；
C)将气室中装入足量的盐酸溶液，使气室内壁完全浸没在盐酸溶液中，静置5分钟，保证气室内壁的其他可溶物质完全溶于盐酸溶液；
D)将盐酸溶液倒入废液池，用蒸馏水清洗气室内壁5次以上，保证气室内壁无盐酸残留；
E)将洗净的气室放入烘箱中，在200℃条件下连续烘烤1小时。待冷却后，在万级无尘环境下存放。
进一步地，用于步骤四中，充气步骤如下：
A)将在无尘环境下存放的气室取出，并焊接到气室烧接装置上，使得气室内部与烧接装置内部相通；
B)关闭阀门B和C，打开阀门A和真空泵，使得气室内的真空度达到10E-2Pa水平，同时对整个气室烧接装置进行烘烤，温度120℃，时间1小时；
C)关闭阀门A，打开阀门C和加热炉；
D)待气室中充入足量碱金属单质后，关闭加热炉，使得碱金属源冷却至常温后，关闭阀门C；
E)缓慢打开阀门B，直至气室中压强达到设定参数，关闭阀门B；
F)将充有碱金属单质和缓冲气体的原子气室从气室烧接装置中取下并封口。
进一步地，所述缓冲气体为氮气、氩气、氖气以及甲烷中的任一两种气体的组合，优先选用氮气和甲烷。
进一步地，所述加热装置内设有碱金属单质，所述加热装置优选为加热炉。
进一步地，所述真空泵采用分子泵或离子泵中的任意一个。
相比于现有技术，本发明的有益效果在于：能够提升原子气室性能，同时提升原子气室中的碱金属纯度，整个操作方法实施简单且具有较高的容错率，可以在一次充制完成后，快速进行下一次充制步骤，提高充制效率的同时保证精度。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
图1为本发明提出的原子钟原子气室充制方法中的充气系统的示意图。
图中：1、真空泵；2、气室烧接装置；3、加热装置；4、缓冲气体箱；5、烘箱。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
一种原子钟原子气室充制方法，包括以下步骤：
步骤S101：准备气室、用于充制气室的充气系统和用于充气系统的缓冲气体；
步骤S103：准备气室清洗液体(丙酮溶液)并进行气室清洗操作；
步骤S105：将清洗的气室烘烤，冷却后放入无尘环境下存放；
步骤S107：将气室放入充气系统中，并进行充气操作；
步骤S109：将充气后的气室取出，完成充制。
如图1所示，在本申请的具体实施例中，所述充气系统包括真空泵1、气室烧接装置2、加热装置3、烘箱5和缓冲气体箱4，所述真空泵1、所述气室烧接装置2、所述加热装置3和所述缓冲气体箱4均通过管路连接，所述气室烧接装置2与所述真空泵1之间设有阀门A，所述气室烧接装置2与所述加热装置3之间设有阀门C，所述气室烧接装置2与所述缓冲气体箱4之间设有阀门B。
在本申请的具体实施例中，用于步骤S103中，气室清洗操作是对气室的内壁进行清洗，去除能够与碱金属原子相互反应的杂质。
在本申请的具体实施例中，用于步骤S103中，气室清洗操作具体包括以下步骤：
A)将气室中装入足量的丙酮溶液，使气室内壁完全浸没在丙酮溶液中，静置5分钟，保证气室内壁的油性物质完全溶于丙酮溶液；
B)将丙酮溶液倒入废液池，用蒸馏水清洗气室内壁5次以上，保证气室内壁无丙酮残留；
C)将气室中装入足量的盐酸溶液，使气室内壁完全浸没在盐酸溶液中，静置5分钟，保证气室内壁的其他可溶物质完全溶于盐酸溶液；
D)将盐酸溶液倒入废液池，用蒸馏水清洗气室内壁5次以上，保证气室内壁无盐酸残留；
E)将洗净的气室放入烘箱中，在200℃条件下连续烘烤1小时。待冷却后，在万级无尘环境下存放。
在本申请的具体实施例中，用于步骤S107中，充气步骤如下：
A)将在无尘环境下存放的气室取出，并焊接到气室烧接装置上，使得气室内部与烧接装置内部相通；
B)关闭阀门B和C，打开阀门A和真空泵，使得气室内的真空度达到10E-2Pa水平，同时对整个气室烧接装置进行烘烤，温度120℃，时间1小时；
C)关闭阀门A，打开阀门C和加热炉；
具体的，通过加热炉的加热，利用碱金属源与气室的温度差将碱金属源内的碱金属单质赶入气室中。
D)待气室中充入足量碱金属单质后，关闭加热炉，使得碱金属源冷却至常温后，关闭阀门C；
E)缓慢打开阀门B，直至气室中压强达到设定参数，关闭阀门B；
F)将充有碱金属单质和缓冲气体的原子气室从气室烧接装置中取下并封口。
在本申请的具体实施例中，所述缓冲气体为氮气、氩气、氖气以及甲烷中的任一两种气体的组合，优先选用氮气和甲烷。
在本申请的具体实施例中，所述加热装置内设有碱金属单质，所述加热装置优选为加热炉。
在本申请的具体实施例中，实时充制时，所述气室烧接装置置于烘箱内
在本申请的具体实施例中，所述真空泵采用分子泵或离子泵中的任意一个。
为了更好的理解本发明的技术方案，在上述实施例的基础上，以下结合实验和数据进一步说明。
实验
对若干种常用的缓冲气体进行碰撞频移实验；
缓冲气体一般选用惰性气体(如氖气、氩气)和部分分子气体(如氮气、甲烷)等，选择多种气体组分；
通过不同气体的碰撞频移系数，降低能级偏移，进而保证原子钟的性能。
条件：两个基态能级的偏移差满足以下式子：
Δν＝P(0)(β+δt)
其中P(0)为在0℃时缓冲气体的压强，β为0℃时的压强系数，δ为温度系数，t为原子温度。
对于不同的缓冲气体，β和δ不同，存在正负系数之分，因此，频移也存在蓝移和红移的情况。
为了抑制缓冲气体引起的碰撞频移，通过选择相反系数的缓冲气体组分的方法。
多组分的Δν满足以下式子：
r＝P2(0)/P1(0)
Ptot＝P1(0)+P2(0)
其中，角标1和2分别代表了两种缓冲气体组分，由此可以看出，碰撞频移的频移量会随着温度的变化而变化。
缓冲气体对碰撞频移的影响和随温度的关系，如表1
表1
由上述可知，氮气与甲烷对于原子的碰撞频移具有相反的压强系数和温度系数且系数值接近；
氮气作为缓冲气体时，对原子具有荧光淬灭的效果，可以减少原子自发辐射对信号探测的影响，减少信号的噪声。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种原子钟原子气室充制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：准备气室、用于充制气室的充气系统和用于充气系统的缓冲气体；
步骤二：准备气室清洗液体(丙酮溶液)并进行气室清洗操作；
步骤三：将清洗的气室烘烤，冷却后放入无尘环境下存放；
步骤四：将气室放入充气系统中，并进行充气操作；
步骤五：将充气后的气室取出，完成充制。
2.根据权利要求1所述的原子钟原子气室充制方法，其特征在于，所述充气系统包括真空泵、气室烧接装置、加热装置、烘箱和缓冲气体箱，所述真空泵、所述气室烧接装置、所述加热装置和所述缓冲气体箱均通过管路连接，所述气室烧接装置与所述真空泵之间设有阀门A，所述气室烧接装置与所述加热装置之间设有阀门C，所述气室烧接装置与所述缓冲气体箱之间设有阀门B。
3.根据权利要求2所述的原子钟原子气室充制方法，其特征在于，用于步骤二中，气室清洗操作是对气室的内壁进行清洗，去除能够与碱金属原子相互反应的杂质。
4.根据权利要求3所述的原子钟原子气室充制方法，其特征在于，用于步骤二中，气室清洗操作具体包括以下步骤：
A)将气室中装入足量的丙酮溶液，使气室内壁完全浸没在丙酮溶液中，静置5分钟，保证气室内壁的油性物质完全溶于丙酮溶液；
B)将丙酮溶液倒入废液池，用蒸馏水清洗气室内壁5次以上，保证气室内壁无丙酮残留；
C)将气室中装入足量的盐酸溶液，使气室内壁完全浸没在盐酸溶液中，静置5分钟，保证气室内壁的其他可溶物质完全溶于盐酸溶液；
D)将盐酸溶液倒入废液池，用蒸馏水清洗气室内壁5次以上，保证气室内壁无盐酸残留；
E)将洗净的气室放入烘箱中，在200℃条件下连续烘烤1小时。待冷却后，在万级无尘环境下存放。
5.根据权利要求4所述的原子钟原子气室充制方法，其特征在于，用于步骤四中，充气步骤如下：
A)将在无尘环境下存放的气室取出，并焊接到气室烧接装置上，使得气室内部与烧接装置内部相通；
B)关闭阀门B和C，打开阀门A和真空泵，使得气室内的真空度达到10E-2Pa水平，同时对整个气室烧接装置进行烘烤，温度120℃，时间1小时；
C)关闭阀门A，打开阀门C和加热炉；
D)待气室中充入足量碱金属单质后，关闭加热炉，使得碱金属源冷却至常温后，关闭阀门C；
E)缓慢打开阀门B，直至气室中压强达到设定参数，关闭阀门B；
F)将充有碱金属单质和缓冲气体的原子气室从气室烧接装置中取下并封口。
6.根据权利要求5所述的原子钟原子气室充制方法，其特征在于，所述缓冲气体为氮气、氩气、氖气以及甲烷中的任一两种气体的组合，优先选用氮气和甲烷。
7.根据权利要求6所述的原子钟原子气室充制方法，其特征在于，所述加热装置内设有碱金属单质，所述加热装置优选为加热炉。
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