CN115790559A - 一种自下而上的原子气室制造装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学精密制造领域，涉及一种自下而上的原子气室制造装置和制造方法。装置由真空腔、抽气管路、进气管路、放电极板组、绝缘支架、气室、激光器、碱金属源和真空规组成。利用本装置自下而上制造原子气室，能够制备各种气压配比需求的气室，有助于实现订制化制备；减少了气室内壁杂质吸附的弊端，降低了不可控风险。本装置集成度高、制备效率高、二次开发空间大，有利于加速原子气室的技术迭代和核磁共振陀螺、原子钟、磁强计等关键技术的跨代发展。

Description

一种自下而上的原子气室制造装置及方法

技术领域

本发明属于光学精密制造技术领域，特别涉及一种自下而上的原子气室制造装置及方法。

背景技术

原子气室作为核磁共振陀螺、原子钟、磁强计的核心部件，在科研、军事、计量等领域得到了广泛应用。常规的原子气室将碱金属原子封装在光学玻璃在内，并充入特定压力的工作气体。

传统方案制备原子气室，存在以下问题：一是气室内壁易被污染，按照传统方案，气室首先在外部进行射频等离子清洗，随后才被连接进入真空环境进行填充，转移过程中气室内壁将不可避免地暴露大气，造成内壁附着污染物；二是传统方案管道路径长、流阻大，严重降低气压配比的准确性；三是传统方案封接尾管在大气环境中完成，加热至熔融状态的玻璃因内部压力小于大气压而自动凹陷收缩，完成尾管密封。因此传统方案难以制备内部压力高于一个大气压的正压气室。有文献提出气室局部液氮冷却的方法，目的在于利用低温减小内部气压，保证尾管密封时内部压力小于大气压，但该方法会导致玻璃因局部温度、应力变化过于剧烈而破裂，增大了原子气室制备中的不可控风险。

发明内容

本发明的目的：克服常规方法的不足，采取自下而上的制造思路，提供一种原子气室制造装置、一种利用所述装置制造原子气室的方法。利用该装置和方法，能够完成真空环境下的气室射频等离子清洗，能够扩大气室内部气压充制范围，从而有助于形成根据需求订制的原子气室的科研能力。

本发明的技术方案：

一方面，本发明提供一种自下而上的原子气室制造装置，所述装置包括真空腔1、抽气管路2、进气管路3、放电极板组4、绝缘支架5、气室6、激光器8、碱金属源9、真空规10；

真空腔1与抽气管路2、进气管路3连通；放电极板组4、绝缘支架5、气室6、激光器8、碱金属源9、真空规10位于真空腔1内部。

进一步的，

(1)所述放电极板组4由两块平行的金属极板构成；两块平行的金属极板被固定在真空腔1上下内表面；通过接入外接电源，两块平行的金属极板之间可形成射频电场；两块平行的金属极板之间固连有绝缘支架5。

(2)真空腔1与抽气管路2、进气管路3连通，抽气管路2、进气管路3用于改变真空腔1内部气体组分和压力；当真空腔1内部气压等于大气压时，真空腔1能够打开，与大气连通。

(3)所述抽气管路连通真空腔1和真空泵组；抽气时降低真空腔1内部气压，改变真空腔1内部气体组分配比。

(4)进气管路连通真空腔1和工作气体、清洗气体气源；进气时升高真空腔1内部气压，改变真空腔1内部气体组分配比。

(5)气室上端设置气室尾管7结构，气室6通过气室尾管7与外界连通；气室6放置于绝缘支架5。

(6)激光器发射激光；光路通过气室尾管7位置，用于烧结气室尾管7材料。

(7)碱金属源可接入外接电源，用于加热蒸发碱金属原子。

(8)真空规位于真空腔1内部，用于监测真空腔1内部气体压力。

另一方面，本发明还提供一种自下而上的原子气室制造方法，所述方法基于上述装置实现，所述方法包括以下步骤：

打开真空腔1，将气室6放置于绝缘支架5；

关闭真空腔1，通过抽气管路2抽走真空腔1内空气，通过进气管路3向真空腔1内注入清洗气体，使真空腔1、气室6内部均达到特定压力状态，由真空规10监测；

将放电极板组4接入外接电源，放电极板组4可形成射频电场，清洗气体在射频电场形成等离子体，对气室6内部进行射频等离子清洗；

通过抽气管路2抽走真空腔1内清洗气体，真空腔1内达到真空；

碱金属源9接入外接电源加热蒸发碱金属原子，碱金属原子扩散进入气室6内部沉积，达到设定时间后，停止加热蒸发碱金属原子；

通过进气管路3向真空腔1内注入工作气体，使真空腔1、气室6内部均达到特定压力状态，由真空规10监测；

激光器接入外接电源发射激光，烧结气室尾管7材料，烧结后气室尾管7不再与外界连通；

通过抽气管路2、进气管路3调整真空腔1内部气压，使其等于大气压，打开真空腔1，取走气室6。

本发明的优点：

(1)本发明采用“先清洁内壁、再填充物质”的思路，将原子气室全部置于真空环境后再进行射频等离子清洗，射频等离子清洗完成后将气室内残余清洗气体抽空，后续从碱金属源、进气管路填充碱金属和工作气体。与气室完成射频等离子清洗后才进入真空环境进行填充的传统方案相比，本发明避免了转移过程中气室内壁暴露大气、造成污染的弊端，大大降低了原子气室制备中的不可控风险；

(2)本发明借鉴材料合成“自下而上法”思路制备原子气室，抛弃了传统方案将气室熔接在玻璃管路上、加工完成后再取下的方案，将气室在真空环境内分别通过与清洗气体、射频电场、碱金属、工作气体和激光作用，直接按照组装顺序完成原子气室的制备。本发明能够制备各种气压配比需求的气室，弥补了传统方案不能制备正压气室的短板，有助于实现原子气室的订制化制备。

(3)本发明采用一体化制造装置，将传统方案中分别独立的玻璃管路、射频等离子清洗机、烧结装置集成为一体，大大简化了原子气室的制备步骤，克服了传统方案严重依赖玻璃熔接手工操作的弊端，降低了对操作人员的要求。同时本发明留有二次开发空间，可根据需求增添气室烘烤除气、抗弛豫膜镀制、残余气体质谱分析等个性化功能。

(4)本发明抛弃了传统方案中的管道型结构，采用立方体结构，具有体积小、流阻小的优点，有利于保证填充碱金属的均匀性、气压配比的准确性，从而进一步提升了原子气室性能的稳定性，有助于实现原子气室的批量生产。

附图说明

图1为用于自下而上制造气室的装置的组成示意图；

图2为玻璃尾管被激光烧结前后的玻璃尾管细节图；

图3为利用本发明制造原子气室的流程图；

附图标记说明：1-真空腔，2-抽气管路，3-进气管路，4-放电极板组，5-绝缘支架，6-气室，7-气室尾管，8-激光器，9-碱金属源，10-真空规。

具体实施方式

下面结合附图对本发明技术方案进行详细说明。

本发明实施例提供一种自下而上的原子气室精密制造装置，如图1所示，所述装置包括真空腔、抽气管路、进气管路、放电极板组、绝缘支架、气室、激光器、碱金属源和真空规。

真空腔与抽气管路、进气管路连通；抽气管路、进气管路能改变真空腔内部气体组分和压力；当内部气压等于大气压时，真空腔能够打开，与大气连通；放电极板组、绝缘支架、气室、激光器、碱金属源、真空规位于真空腔内部。

抽气管路连通真空腔和真空泵组；抽气时降低真空腔内部气压，改变真空腔内部气体组分配比。

进气管路，连通真空腔和工作气体和清洗气体气源；进气时升高真空腔内部气压，改变真空腔内部气体组分配比。

放电极板组由两块平行的金属极板构成；两块平行的金属极板被固定在真空腔上下内表面；通过接入外接电源，两块平行的金属极板之间可形成射频电场。

两块平行的金属极板之间固连有绝缘支架。气室放置于绝缘支架上。

气室包含气室尾管结构，并通过气室尾管与外界连通，气室尾管位置可接收到激光照射。

激光器发射激光后，光路通过气室尾管位置；激光功率大，对气室尾管材料进行熔融烧结。

碱金属源可接入外接电源加热蒸发碱金属原子。

真空规用于监测真空腔内气体压力。

可选地，气室为方形，气室尾管为圆柱形。

可选地，气室与气室尾管根据需要，采用石英或高硼硅玻璃材料制成。

可选地，激光器采用二氧化碳激光器。

可选地，碱金属源根据需要采用K、Cs、Rb源。

可选地，清洗气体包括氢气和氮气，工作气体包括¹²⁹Xe、¹³¹Xe和氮气。

本发明实施例还提供一种自下而上的原子气室制造方法，利用如上制造装置，所述方法包括以下步骤：

打开真空腔，将气室放置于绝缘支架。

关闭真空腔，通过抽气管路抽走真空腔内空气，通过进气管路向真空腔内注入清洗气体，使真空腔、气室内部均达到特定压力状态，由真空规监测；

将放电极板组接入外接电源，通电后放电极板组之间可形成射频电场，清洗气体在射频电场形成等离子体，对气室内部进行射频等离子清洗；

通过抽气管路抽走真空腔内清洗气体，真空腔内达到真空；

碱金属源接入外接电源加热蒸发碱金属原子，碱金属原子扩散进入气室内部沉积，达到设定时间后，停止加热蒸发碱金属原子；

通过进气管路向真空腔内注入工作气体，使真空腔、气室内部均达到特定压力状态，由真空规监测；

激光器接入外接电源发射激光，烧结气室尾管材料，烧结后气室尾管不再与外界连通。玻璃尾管被激光烧结前后的玻璃尾管细节图如图2所示。

通过抽气管路、进气管路调整真空腔内部气压，使其等于大气压，打开真空腔，取走气室。

本发明实施例还提供一种自下而上制备的碱金属原子气室，所述碱金属原子气室的内部杂质少，所述碱金属原子气室的物质包括碱金属和工作气体。

实施例1

结合图3所示，本实施例使用所述的一种自下而上的原子气室精密制造装置制造原子气室，具体实施步骤如下：

步骤一：

打开真空腔，将5个高硼硅玻璃气室放置于绝缘支架。

步骤二：

通过抽气管路抽走真空腔内空气，通过进气管路向真空腔内注入清洗气体N₂，使真空腔内部N₂气压达到100Pa；

步骤三：

将放电极板组接入外接电源，调整电压和频率后，放电极板组之间可形成110V、100Hz射频电场，清洗气体N₂在射频电场形成等离子体，等离子体轰击气室内壁杂质、真空泵抽走杂质，进行射频等离子清洗；

步骤四：

通过抽气管路抽走真空腔内清洗气体，真空腔内达到10^-6Pa；

步骤五：

碱金属源接入外接电源，加热蒸发碱金属原子，碱金属原子扩散进入气室内部沉积，达到设定时间后，停止加热蒸发碱金属原子；

步骤六：

通过进气管路向真空腔内注入工作气体¹²⁹Xe、¹³¹Xe和N₂，混气24h；

步骤七：

激光器接入外接电源发射激光，烧结气室尾管材料，烧结后气室尾管成为具有密封功能的玻璃块体，气室内部不再与外界连通。

步骤八：

通过抽气或进气调整真空腔内部气压，使其等于大气压。

步骤九：

打开真空腔，取走气室。

实施例2

五个气室均为5mm×5mm×5mm的方形气室，气室玻璃细管的管径为1.5mm，四个气室被清洗烘干后放入真空腔内的绝缘支架。同位素⁸⁷Rb金属源由意大利SEAS公司制造。

对真空腔进行抽真空，真空度应优于10^-6Pa；将同位素⁸⁷Rb金属源外接电流源，完成除气，电流为5.5A。向真空腔内注入清洗气体H₂，使真空腔内部H₂气压达到100Pa。

将放电极板组接入外接电源，放电极板组之间可形成射频电场，清洗气体H₂在射频电场形成等离子体H⁺，等离子体H⁺轰击气室内壁，促使杂质从气室内壁脱附，真空泵抽走杂质，达到射频等离子清洗效果。清洗30min后，通过抽气管路抽走清洗气体，真空腔内恢复到10^-6Pa

利用外接电流源，实现同位素⁸⁷Rb金属源加热蒸散，电流为5A，加热蒸散时间为5min-10min，使同位素⁸⁷Rb金属源进入气室。

分别打开气源，使10kPa ¹²⁹Xe气、20kPa ¹³¹Xe气、100kPa N₂气进入真空腔，混气24h，保证气室内部气压配比与真空腔内气压配比相同。

激光器接入外接电源发射激光，烧结气室尾管材料，烧结后气室尾管成为具有密封功能的玻璃块体，气室内部不再与真空腔内部连通。

抽走真空腔内残余气体，使得真空腔内部气压等于大气压。打开真空腔，取走气室。

利用本实施例所述方法在真空环境下对原子气室内壁进行射频等离子清洗，去除杂质影响后原子气室内¹²⁹Xe原子的信噪比，比传统方案¹²⁹Xe原子的信噪比增大了2倍。

Claims (10)

1.一种自下而上的原子气室制造装置，其特征在于，所述装置包括真空腔(1)、抽气管路(2)、进气管路(3)、放电极板组(4)、绝缘支架(5)、气室(6)、激光器(8)、碱金属源(9)、真空规(10)；

真空腔(1)与抽气管路(2)、进气管路(3)连通；放电极板组(4)、绝缘支架(5)、气室(6)、激光器(8)、碱金属源(9)、真空规(10)位于真空腔(1)内部。

2.根据权利要求1所述的一种自下而上的原子气室制造装置，其特征在于，所述放电极板组(4)由两块平行的金属极板构成；两块平行的金属极板被固定在真空腔(1)上下内表面；通过接入外接电源，两块平行的金属极板之间可形成射频电场；两块平行的金属极板之间固连有绝缘支架(5)。

3.根据权利要求1所述的一种自下而上的原子气室制造装置，其特征在于，真空腔(1)与抽气管路(2)、进气管路(3)连通，抽气管路(2)、进气管路(3)用于改变真空腔(1)内部气体组分和压力；当真空腔(1)内部气压等于大气压时，真空腔(1)能够打开，与大气连通。

4.根据权利要求3所述一种自下而上的原子气室制造装置，其特征在于，所述抽气管路连通真空腔(1)和真空泵组；抽气时降低真空腔(1)内部气压，改变真空腔(1)内部气体组分配比。

5.根据权利要求1所述的一种自下而上的原子气室制造装置，其特征在于，进气管路连通真空腔(1)和工作气体、清洗气体气源；进气时升高真空腔(1)内部气压，改变真空腔(1)内部气体组分配比。

6.根据权利要求1所述的一种自下而上的原子气室精密制造装置，其特征在于，气室上端设置气室尾管(7)结构，气室(6)通过气室尾管(7)与外界连通；气室(6)放置于绝缘支架(5)。

7.根据权利要求1所述的一种自下而上的原子气室制造装置，其特征在于，激光器发射激光；光路通过气室尾管(7)位置，用于烧结气室尾管(7)材料。

8.根据权利要求1所述的一种自下而上的原子气室精密制造装置，其特征在于，碱金属源可接入外接电源，用于加热蒸发碱金属原子。

9.根据权利要求1所述的一种自下而上的原子气室制造装置，其特征在于，真空规位于真空腔(1)内部，用于监测真空腔(1)内部气体压力。

10.一种自下而上的原子气室制造方法，所述方法基于权利要求1-9中任一项所述的装置实现，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

打开真空腔(1)，将气室(6)放置于绝缘支架(5)；

关闭真空腔(1)，通过抽气管路(2)抽走真空腔(1)内空气，通过进气管路(3)向真空腔(1)内注入清洗气体，使真空腔(1)、气室(6)内部均达到特定压力状态，由真空规(10)监测；

将放电极板组(4)接入外接电源，放电极板组(4)可形成射频电场，清洗气体在射频电场形成等离子体，对气室(6)内部进行射频等离子清洗；

通过抽气管路(2)抽走真空腔(1)内清洗气体，真空腔(1)内达到真空；

碱金属源(9)接入外接电源加热蒸发碱金属原子，碱金属原子扩散进入气室(6)内部沉积，达到设定时间后，停止加热蒸发碱金属原子；

通过进气管路(3)向真空腔(1)内注入工作气体，使真空腔(1)、气室(6)内部均达到特定压力状态，由真空规(10)监测；

激光器接入外接电源发射激光，烧结气室尾管(7)材料，烧结后气室尾管(7)不再与外界连通；

通过抽气管路(2)、进气管路(3)调整真空腔(1)内部气压，使其等于大气压，打开真空腔(1)，取走气室(6)。

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