CN114609231A - 一种方便缓冲气充装的碱金属蒸汽电离度测量用碱金属池 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种方便缓冲气充装的碱金属蒸汽电离度测量用碱金属池，包括立方座体和碱金属电流测量系统，其中立方座体左侧设有入射窗口法兰、右侧设有出射窗口法兰、后侧设有第一电极法兰、前侧设有第二电极法兰、上侧设有真空阀、下侧设有盲板法兰，立方座体内设有第一电极板和第二电极板，且第一电极板与设于第一电极法兰轴心处的第一电极杆固连，第二电极板与设于第二电极法兰轴心处的第二电极杆固连，并且第一电极杆外端和第二电极杆外端均与碱金属电流测量系统相连，碱金属置于盲板法兰中。本发明可针对DPAL电离问题研究需要方便更换所需碱金属，可充装不同组分和压力的缓冲气，并且能够自动测量碱金属蒸汽电离度。
Description
技术领域
本发明涉及碱金属激光器研究领域，具体地说是一种方便缓冲气充装的碱金属蒸汽电离度测量用碱金属池。
背景技术
二极管泵浦碱金属激光器(简称：DPAL)兼具固体激光器和气体激光器的优点，具有重要的应用前景。过去人们主要关注与碱金属激光器出光相关的n2S1/2、n2P1/2、n2P3/2三个能级(对于钾、铷、铯金属，n分别为3、4、5)，而对碱金属的更高能级以及电离问题的重视比较少，然而随着激光功率的增加，其电离问题将会变得越来越严重，对激光功率的放大将会产生非常不利的影响。因此，提前辨析造成碱金属激光电离的问题就具有十分重要的意义。
目前，对DPAL中碱金属电离问题的研究主要集中在理论研究阶段，实验方面主要是国防科技大学的杨子宁等人通过光电流法开展了部分研究工作。为了采用光电流法实现碱金属蒸汽电离度的测量，碱金属池需要具备以下几个基本条件：1.在碱金属池内设置有可与外电路相连的电极板及其引线；2.碱金属池内的电极板及其引线不能同碱金属池内部的碱金属反应；3.电极板及其引线的设置在室温至200摄氏度以内不会破坏碱金属池的密封性；4.如果碱金属池为金属，电极板及其阴线还不能够与碱金属池导通造成短路。在实验研究中，杨子宁等人共采用了三种能够满足以上要求的碱金属池，分别为：阴极灯、带有电极板的玻璃碱金属池和带有电极板的金属碱金属池。阴极灯为成熟的产品，但其内的载气压力最大只有6torr左右，工况与碱金属激光器工况相差甚远，其研究结果对碱金属激光电离问题的研究提供的帮助较小。对于带有电极板的玻璃碱金属池和金属碱金属池，虽然文献上提到了这两种碱金属池，但并无详细的结构图及其制备方法，在实际应用中无法借鉴。为此，提供一种能够研究DPAL实际工况下的碱金属蒸汽电离度问题的碱金属池对于弄清DPAL电离问题和DPAL工程放大研究就具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种方便缓冲气充装的碱金属蒸汽电离度测量用碱金属池，可针对DPAL电离问题研究需要方便更换所需碱金属，并且可充装不同组分和压力的缓冲气，并且能够自动测量碱金属蒸汽电离度。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种方便缓冲气充装的碱金属蒸汽电离度测量用碱金属池，包括立方座体和碱金属电流测量系统，其中立方座体左侧设有入射窗口法兰、右侧设有出射窗口法兰、后侧设有第一电极法兰、前侧设有第二电极法兰、上侧设有真空阀、下侧设有盲板法兰，所述立方座体内设有第一电极板和第二电极板，且所述第一电极板与设于所述第一电极法兰轴心处的第一电极杆固连，所述第二电极板与设于所述第二电极法兰轴心处的第二电极杆固连，并且所述第一电极板和第二电极板之间的距离大于从入射窗口法兰入射的激光直径，所述第一电极杆外端和所述第二电极杆外端均与所述碱金属电流测量系统相连，碱金属置于所述盲板法兰中。
所述真空阀与一个缓冲气充装系统相连，所述缓冲气充装系统包括真空泵、缓冲气充装管路和缓冲气瓶，所述缓冲气充装管路一端与所述真空阀连接，另一端设有两个支路，其中第一支路与所述真空泵连接，第二支路与所述缓冲气瓶连接，在所述缓冲气充装管路上设有压力计。
缓冲气充装时，所述缓冲气充装管路先通过真空泵抽成真空，然后真空阀打开，所述立方座体通过真空泵抽出真空，然后真空泵关闭并打开缓冲气瓶开始充缓冲气。
组装完毕后的立方座体放置于一个手套箱中，然后将真空阀卸下，然后向所述手套箱内充缓冲气，然后将碱金属通过立方座体的上侧通孔放入所述盲板法兰中，然后重新安装真空阀并将立方座体由手套箱中取出。
所述碱金属电流测量系统包括直流电源、测流电阻、示波器探头和示波器，其中所述第一电极杆外端与所述直流电源正极相连，所述第二电极杆外端通过测流电阻与所述直流电源负极相连，且所述直流电源负极接地，所述测流电阻的两侧通过示波器探头与示波器相连。
所述立方座体与所述入射窗口法兰、出射窗口法兰、第一电极法兰、第二电极法兰以及盲板法兰之间均设有密封垫。
所述真空阀下端设有安装法兰固装于所述立方座体上侧，且所述安装法兰与立方座体之间设有真空阀连接垫片。
所述盲板法兰内部设有凹槽，碱金属置于所述凹槽中。
本发明的优点与积极效果为：
1、本发明可针对DPAL电离问题研究需要方便更换所需碱金属，并且可充装不同组分和压力的缓冲气，并且能够自动测量碱金属蒸汽电离度。
2、本发明可通过真空阀与缓冲气充装管路连接实现充气，操作方便。
3、本发明整体结构简单且可以重复使用，节省了实验成本。
附图说明
图1为本发明的分解示意图，
图2为图1中本发明的组装完成示意图，
图3为图2中本发明的剖视图，
图4为图1中盲板法兰的剖视图，
图5为本发明放置碱金属示意图，
图6为本发明充缓冲气示意图，
图7为本发明的工作状态示意图。
其中，1为立方座体，2为入射窗口法兰，3为入射窗口密封垫，4为出射窗口密封垫，5为出射窗口法兰，6为碱金属，7为第一电极法兰，8为第一电极板，9为第一电极法兰密封垫，10为第二电极法兰密封垫，11为第二电极板，12为第二电极法兰，13为真空阀，14为真空阀连接垫片，15为盲板法兰密封垫，16为盲板法兰，17为螺丝，18为碱金属瓶，19为真空泵，20为缓冲气充装管路，21为缓冲气瓶，22为压力计，23为连接法兰，24为阀门，25为直流电源，26为测流电阻，27为示波器探头，28为示波器；101为碱金属池本体，102为手套箱，103为缓冲气充装系统，104为碱金属电流测量系统，105为加热炉。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详述。
如图1～4所示，本发明包括立方座体1和碱金属电流测量系统104，其中所述立方座体1左侧设有入射窗口法兰2、右侧设有出射窗口法兰5、后侧设有第一电极法兰7、前侧设有第二电极法兰12、上侧设有真空阀13、下侧设有盲板法兰16，如图3所示，在所述立方座体1内设有第一电极板8和第二电极板11，且所述第一电极板8平行于第一电极法兰7内表面并与设于所述第一电极法兰7轴心处的第一电极杆固连，所述第二电极板11平行于第二电极法兰12内表面并与设于所述第二电极法兰12轴心处的第二电极杆固连，并且所述第一电极板8和第二电极板11之间的距离大于从入射窗口法兰2入射的激光直径，如图4所示，所述盲板法兰16内部设有凹槽，碱金属6置于所述凹槽中，如图7所示，所述第一电极杆外端以及所述第二电极杆外端分别与所述碱金属电流测量系统104相连。
如图7所示，所述碱金属电流测量系统104包括直流电源25、测流电阻26、示波器探头27和示波器28，其中第一电极法兰7轴心处的第一电极杆外端与所述直流电源25正极相连，第二电极法兰12轴心处的第二电极杆外端通过测流电阻26(50kΩ-500kΩ的精密电阻)与所述直流电源25负极相连，且所述直流电源25负极接地，测流电阻26的两侧通过示波器探头27与示波器28相连。测量时本发明的盲板法兰16一侧放置在加热炉105上加热，使碱金属6生成碱金属蒸汽进入到立方座体1中，激光由入射窗口法兰2上的窗口射入且经过两个电极板之间的立方座体1中心位置，并在此处泵浦碱金属蒸汽而使得部分碱金属蒸汽产生电离，激光泵浦碱金属蒸汽产生的碱金属离子和电子在第一电极板8和第二电极板11形成的电场的作用下移动到第一电极板8和第二电极板11上形成电流，此时所述测流电阻26两端的电压发生变化，相应的电压变化信号将通过示波器探头27传递给示波器28记录下来，然后经数据处理后测得DPAL碱金属电离度。
如图6所示，所述立方座体1上侧的真空阀13与一个缓冲气充装系统103相连，所述缓冲气充装系统103包括真空泵19、缓冲气充装管路20和缓冲气瓶21，所述缓冲气充装管路20一端设有连接法兰23与所述真空阀13连接，另一端设有两个支路，其中第一支路与所述真空泵19连接，第二支路与所述缓冲气瓶21连接，在所述缓冲气充装管路20上设有压力计22。缓冲气充装时，真空泵19先将整个缓冲气充装管路20抽成真空，然后真空阀13打开，使本发明的碱金属池本体101内部也被抽成真空，然后真空泵19关闭并打开缓冲气瓶21上的阀门24将缓冲气充入碱金属池本体101中，并根据压力计22指数控制充入碱金属池本体101的缓冲气压力，最后关掉缓冲气瓶21上的阀门24和真空阀13，将充好缓冲气的碱金属池101与缓冲气充装系统103分开备用。本发明可根据DPAL对缓冲气种类和配比的需要，可以在缓冲气瓶21内提前配置好缓冲气，也可以将多个缓冲气瓶21连接到所述缓冲气充装管路20上使用。
如图1所示，所述入射窗口法兰2、出射窗口法兰5、第一电极法兰7、第二电极法兰12、盲板法兰16均通过螺丝17安装于所述立方座体1的对应面上，其中入射窗口法兰2与立方座体1之间设有入射窗口密封垫3，出射窗口法兰5与立方座体1之间设有出射窗口密封垫4，第一电极法兰7与立方座体1之间设有第一电极法兰密封垫9，第二电极法兰12与立方座体1之间设有第二电极法兰密封垫10，盲板法兰16与立方座体1之间设有盲板法兰密封垫15。
如图1所示，所述真空阀13下端设有安装法兰，且所述安装法兰通过螺丝17固装于所述立方座体1上侧，在所述安装法兰与立方座体1之间设有真空阀连接垫片14。
本实施例中，所述入射窗口密封垫3、出射窗口密封垫4、第一电极法兰密封垫9、第二电极法兰密封垫10、真空阀连接垫片14、盲板法兰密封垫15均为无氧铜垫片。
本实施例中，所述第一电极板8和第二电极板11的材料为不锈钢、镍和铜中的任意一种。
本实施例中，所述入射窗口法兰2和出射窗口法兰3上的窗口可以为光学玻璃、石英玻璃和蓝宝石窗口中的任意一种。
本实施例中，所述立方座体1和各个法兰材质均为不锈钢材料。
本发明的工作原理为：
如图5所示，放置碱金属时，将本发明组装完毕的碱金属池本体101(立方座体1连同各个法兰及真空阀13)放置到一个手套箱102中，拧开固定真空阀13、真空阀连接垫片14和立方座体1的螺丝17，并将真空阀13卸下，然后向手套箱102内充入氮气或者氦气，并反复置换，最终使手套箱102内其它气体与氮气或者载气的含量比小于万分之一，然后在手套箱102内将所需的碱金属6由碱金属瓶18中取出，并通过立方座体1的上侧通孔放置在盲板法兰16的凹槽内，然后通过螺丝17将真空阀13和新的真空阀连接垫片14固定在立方座体1的上侧，最后将放置好碱金属6的碱金属池本体101从手套箱102中拿出来备用。
如图6所示，充装缓冲气时，将所述立方座体1上侧的真空阀13与一个缓冲气充装系统103相连，缓冲气充装时，缓冲气充装系统103中的真空泵19先将整个缓冲气充装管路20抽成真空，然后真空阀13打开，使本发明的碱金属池本体101内部也被抽成真空，然后真空泵19关闭并打开缓冲气瓶21上的阀门24将缓冲气充入碱金属池本体101中，并根据压力计22指数控制充入碱金属池本体101的缓冲气压力，最后关掉缓冲气瓶21上的阀门24和真空阀13，将充好缓冲气的碱金属池101与缓冲气充装系统103分开备用。本发明可根据DPAL对缓冲气种类和配比的需要，可以在缓冲气瓶21内提前配置好缓冲气，也可以将多个缓冲气瓶21连接到所述缓冲气充装管路20上使用。
如图7所示，测量时本发明的盲板法兰16一侧放置在加热炉105上加热，使碱金属6生成碱金属蒸汽进入到立方座体1中，激光由入射窗口法兰2上的窗口射入且经过两个电极板之间的立方座体1中心位置，并在此处泵浦碱金属蒸汽而使得部分碱金属蒸汽产生电离，未被吸收的激光通过出射窗口法兰5上的窗口照射到碱金属池的外面，激光泵浦碱金属蒸汽产生的碱金属离子和电子在第一电极板8和第二电极板11形成的电场的作用下移动到第一电极板8和第二电极板11上形成电流，此时碱金属电流测量系统104中的测流电阻26两端的电压发生变化，相应的电压变化信号将通过示波器探头27传递给示波器28记录下来，然后经数据处理后测得DPAL碱金属电离度。
Claims (8)
1.一种方便缓冲气充装的碱金属蒸汽电离度测量用碱金属池，其特征在于：包括立方座体(1)和碱金属电流测量系统(104)，其中立方座体(1)左侧设有入射窗口法兰(2)、右侧设有出射窗口法兰(5)、后侧设有第一电极法兰(7)、前侧设有第二电极法兰(12)、上侧设有真空阀(13)、下侧设有盲板法兰(16)，所述立方座体(1)内设有第一电极板(8)和第二电极板(11)，且所述第一电极板(8)与设于所述第一电极法兰(7)轴心处的第一电极杆固连，所述第二电极板(11)与设于所述第二电极法兰(12)轴心处的第二电极杆固连，并且所述第一电极板(8)和第二电极板(11)之间的距离大于从入射窗口法兰(2)入射的激光直径，所述第一电极杆外端和所述第二电极杆外端均与所述碱金属电流测量系统(104)相连，碱金属(6)置于所述盲板法兰(16)中。
2.根据权利要求1所述的方便缓冲气充装的碱金属蒸汽电离度测量用碱金属池，其特征在于：所述真空阀(13)与一个缓冲气充装系统(103)相连，所述缓冲气充装系统(103)包括真空泵(19)、缓冲气充装管路(20)和缓冲气瓶(21)，所述缓冲气充装管路(20)一端与所述真空阀(13)连接，另一端设有两个支路，其中第一支路与所述真空泵(19)连接，第二支路与所述缓冲气瓶(21)连接，在所述缓冲气充装管路(20)上设有压力计(22)。
3.根据权利要求2所述的方便缓冲气充装的碱金属蒸汽电离度测量用碱金属池，其特征在于：缓冲气充装时，所述缓冲气充装管路(20)先通过真空泵(19)抽成真空，然后真空阀(13)打开，所述立方座体(1)通过真空泵(19)抽出真空，然后真空泵(19)关闭并打开缓冲气瓶(21)开始充缓冲气。
4.根据权利要求1所述的方便缓冲气充装的碱金属蒸汽电离度测量用碱金属池，其特征在于：组装完毕后的立方座体(1)放置于一个手套箱(102)中，然后将真空阀(13)卸下，然后向所述手套箱(102)内充缓冲气，然后将碱金属(6)通过立方座体(1)的上侧通孔放入所述盲板法兰(16)中，然后重新安装真空阀(13)并将立方座体(1)由手套箱(102)中取出。
5.根据权利要求1所述的方便缓冲气充装的碱金属蒸汽电离度测量用碱金属池，其特征在于：所述碱金属电流测量系统(104)包括直流电源(25)、测流电阻(26)、示波器探头(27)和示波器(28)，其中所述第一电极杆外端与所述直流电源(25)正极相连，所述第二电极杆外端通过测流电阻(26)与所述直流电源(25)负极相连，且所述直流电源(25)负极接地，所述测流电阻(26)的两侧通过示波器探头(27)与示波器(28)相连。
6.根据权利要求1所述的方便缓冲气充装的碱金属蒸汽电离度测量用碱金属池，其特征在于：所述立方座体(1)与所述入射窗口法兰(2)、出射窗口法兰(5)、第一电极法兰(7)、第二电极法兰(12)以及盲板法兰(16)之间均设有密封垫。
7.根据权利要求1所述的方便缓冲气充装的碱金属蒸汽电离度测量用碱金属池，其特征在于：所述真空阀(13)下端设有安装法兰固装于所述立方座体(1)上侧，且所述安装法兰与立方座体(1)之间设有真空阀连接垫片(14)。
8.根据权利要求1所述的方便缓冲气充装的碱金属蒸汽电离度测量用碱金属池，其特征在于：所述盲板法兰(16)内部设有凹槽，碱金属(6)置于所述凹槽中。
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2020
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