RU2578890C1 - Method of producing small-size optical resonance cells with vapours of alkali metal atoms and device therefor - Google Patents
Method of producing small-size optical resonance cells with vapours of alkali metal atoms and device therefor Download PDFInfo
- Publication number
- RU2578890C1 RU2578890C1 RU2014147242/02A RU2014147242A RU2578890C1 RU 2578890 C1 RU2578890 C1 RU 2578890C1 RU 2014147242/02 A RU2014147242/02 A RU 2014147242/02A RU 2014147242 A RU2014147242 A RU 2014147242A RU 2578890 C1 RU2578890 C1 RU 2578890C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- cells
- cell
- carousel
- ampoule
- alkali metal
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Laser Beam Processing (AREA)
Abstract
Description
Группа изобретений относится к способам получения малогабаритных атомных ячеек с парами атомов щелочных металлов и устройствам для их изготовления и может быть использована при изготовлении квантовых приборов различного применения.The group of inventions relates to methods for producing small-sized atomic cells with pairs of alkali metal atoms and devices for their manufacture and can be used in the manufacture of quantum devices for various applications.
Стеклянные ячейки, наполненные парами атомов щелочных металлов, применяют в малогабаритных атомных часах, стандартах частоты СВЧ диапазона, ядерных гироскопах и квантовых магнитометрах с оптической накачкой. Для создания компактных приборов необходимы малогабаритные атомные ячейки.Glass cells filled with pairs of alkali metal atoms are used in small atomic clocks, microwave frequency standards, nuclear gyroscopes and optical pumped quantum magnetometers. To create compact devices, small-sized atomic cells are needed.
Наиболее близким аналогом предлагаемому является способ получения стеклянной ячейки, наполненной парами атомов щелочных металлов, представляющей собой изготовленную традиционным стеклодувным способом малогабаритную колбу цилиндрической или сферической формы с приваренным отростком (штенгелем), через который осуществляется заполнение ячейки парами щелочного металла и буферным газом и последующая герметизация ячейки путем отпайки (заваривания) штенгеля [Knappe S, Velichansky V, Robinson H G, Kitching J, Hollberg L, "Compact atomic vapor cells fabricated by laser induced heating of hollow-core glass fibers." Rev. Sci. Instrum. 74, 3142-5(2003)]. Способ изготовления таких ячеек включает приварку штенгеля из тонкостенной трубки к корпусу ячейки (колбы), представляющей собой тонкостенный стеклянный стаканчик, предварительный нагрев торца ячейки и окна, приварку окна к торцу ячейки и их совместный отжиг излучением CO2-лазера, подключение ячейки через штенгель к откачному посту, откачку ячейки и ее предварительную термообработку, заполнение термообработанной ячейки рубидием, заполнение смесью рабочих газов и герметизацию путем отпайки штенгеля, для чего штенгель нагревается как можно ближе к колбе до температуры размягчения стекла и заваривается, благодаря разнице давления снаружи колбы (атмосферное давление) и внутри колбы (давление рабочих газов). Однако использование при стеклодувном изготовлении ячеек газовых горелок не позволяет изготовить ячейки с характерными размерами порядка нескольких миллиметров и оптически однородными по всему сечению окнами. В частности, при таком способе невозможно уменьшить длину штенгеля при отпайке от откачного поста до миллиметровых размеров, поскольку при этом колба и окна ячейки подвергаются размягчению и деформации. Из-за этого ухудшаются оптические свойства и эксплуатационные характеристики ячейки. Чтобы избежать ухудшения оптических свойств и эксплуатационных характеристик ячейки, приходится увеличивать ее габариты, что приводит к ухудшению весогабаритных характеристик и повышению энергопотребления аппаратуры.The closest analogue to the proposed one is a method of producing a glass cell filled with pairs of alkali metal atoms, which is a small-sized cylindrical or spherical bulb made by the traditional glass-blowing method with a welded process (plug), through which the cell is filled with alkali metal vapors and buffer gas and the cell is subsequently sealed by desoldering (brewing) the caliper [Knappe S, Velichansky V, Robinson HG, Kitching J, Hollberg L, "Compact atomic vapor cells fabricated by laser induced heating of hollow-core glas s fibers. " Rev. Sci. Instrum. 74, 3142-5 (2003)]. A method of manufacturing such cells includes welding a plug from a thin-walled tube to the cell body (bulb), which is a thin-walled glass cup, preheating the cell end and the window, welding the window to the cell end and annealing them together with CO 2 laser radiation, connecting the cell through the plug to pumping station, pumping the cell and its preliminary heat treatment, filling the heat-treated cell with rubidium, filling it with a mixture of working gases and sealing by desoldering the ram, for which the ram is heated like m zhno closer to the flask to a glass softening temperature and is sealed, thanks to the pressure difference between the outside of the bulb (atmospheric pressure) and the inside of the flask (pressure working gas). However, the use of gas burners in glass-blowing cells does not make it possible to produce cells with characteristic dimensions of the order of several millimeters and windows that are optically uniform throughout the section. In particular, with this method it is impossible to reduce the length of the ram during soldering from the pumping station to millimeter dimensions, since in this case the bulb and the cell windows are softened and deformed. Because of this, the optical properties and operational characteristics of the cell are degraded. To avoid deterioration of the optical properties and operational characteristics of the cell, it is necessary to increase its dimensions, which leads to a deterioration of weight and size characteristics and increased energy consumption of the equipment.
Наиболее близким аналогом к предлагаемому является устройство для изготовления ячеек, наполненных парами атомов щелочных металлов, включающее вакуумную камеру, ампулу, устройство для вскрытия ампулы, расположенной в отдельном вакуумированном отсеке, отделенном от вакуумной камеры затвором, и устройство для перемещения ампулы из отсека в вакуумную камеру [Заявка на патент US 2012321433, опубл. 20.12.2012].The closest analogue to the proposed is a device for the manufacture of cells filled with pairs of alkali metal atoms, including a vacuum chamber, an ampoule, a device for opening an ampoule located in a separate evacuated compartment, separated from the vacuum chamber by a shutter, and a device for moving the ampoule from the compartment into the vacuum chamber [Patent Application US 2012321433, publ. 12/20/2012].
Недостатками известного устройства являются неэкономичное использование, невозможность дозированного заполнения ячейки дорогостоящим изотопом щелочных металлов и невозможность их герметизации.The disadvantages of the known device are the uneconomical use, the impossibility of dosed filling the cell with an expensive alkali metal isotope and the impossibility of sealing them.
В изобретении решается задача улучшения эксплуатационных характеристик ячеек и аппаратуры, в которой они используются.The invention solves the problem of improving the operational characteristics of the cells and equipment in which they are used.
Техническим результатом предлагаемой группы изобретений является миниатюризация стеклянной ячейки без ухудшения ее оптических свойств, а также экономия дорогостоящего изотопа щелочного металла и рабочего газа.The technical result of the proposed group of inventions is the miniaturization of a glass cell without impairing its optical properties, as well as saving an expensive alkali metal isotope and working gas.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе изготовления малогабаритных оптических резонансных ячеек с парами атомов щелочных металлов, включающем изготовление стеклянного корпуса ячейки, вакуумирование ячеек, их предварительную термообработку и последующую загрузку ячеек парами щелочного металла и смесью рабочих газов и герметизацию, предварительно в одной из нерабочих стенок каждой из ячеек выполняют сквозное осесимметричное отверстие, диаметр которого возрастает по направлению от внутренней поверхности ячейки к наружной, затем располагают ячейки в вакуумной камере в гнездах карусели отверстием кверху и проводят откачку камеры, термообработку и обезгаживание ячеек, загрузку термообработанных ячеек щелочным металлом проводят после отключения нагрева и охлаждения ячеек до комнатной температуры, для чего вскрывают ампулу, подводят дозатор с подогретой до 230-250°C ампулой со щелочным металлом к ячейке таким образом, чтобы сопло ампулы дозатора было направлено в отверстие ячейки, одновременно охлаждая ячейки, после чего поворачивают карусель ячеек таким образом, чтобы сопло ампулы дозатора было направлено в отверстие следующей ячейки, после заполнения всех ячеек нагрев ампулы отключают и загружают все ячейки, находящиеся в камере, смесью рабочих газов, а затем герметизацию ячеек осуществляют путем установки в отверстие каждой стеклянного шарика, диаметр которого больше меньшего диаметра отверстия, но меньше толщины стенки ячейки, и облучают шарик направленным на его центр пучком излучения CO2-лазера с диаметром, превышающим диаметр шарика, до оплавления шарика и его сварки со стенкой ячейки.The specified technical result is achieved by the fact that in the method of manufacturing small-sized optical resonant cells with pairs of alkali metal atoms, including the manufacture of a glass cell body, evacuating the cells, their preliminary heat treatment and subsequent loading of the cells with alkali metal pairs and a mixture of working gases and sealing, previously in one of the non-working walls of each cell have a through axisymmetric hole, the diameter of which increases in the direction from the inner surface of the cell ki to the outside, then place the cells in the vacuum chamber in the carousel sockets with the hole up and carry out the evacuation of the chamber, heat treat and degass the cells, load the heat-treated cells with alkali metal after turning off the heating and cooling the cells to room temperature, for which they open the ampoule, bring the dispenser with a heated up to 230-250 ° C with an alkali metal ampoule to the cell so that the nozzle of the metering ampoule is directed into the cell opening, while cooling the cells, after which the cell carousel is rotated so that the nozzle of the dispenser ampoule is directed into the hole of the next cell, after filling all the cells, the ampoules are turned off and all cells in the chamber are loaded with a mixture of working gases, and then the cells are sealed by installing each glass ball in the hole, the diameter of which More smaller diameter holes, but less than the wall thickness of the cells, and irradiated directed bead at its center beam emission CO 2 laser having a diameter greater than the diameter of the ball before reflow and welding bead with a Tenka cells.
Указанный технический результат достигается также тем, что шарики выполняют из такого же стекла, из которого выполнена ячейка.The specified technical result is also achieved by the fact that the balls are made of the same glass from which the cell is made.
Указанный технический результат достигается также тем, что в качестве щелочного металла используют рубидий, или цезий, или калий.The specified technical result is also achieved by the fact that rubidium, or cesium, or potassium is used as the alkali metal.
Указанный технический результат достигается также тем, что в качестве рабочих газов используют изотопы ксенона и азота.The indicated technical result is also achieved by the fact that xenon and nitrogen isotopes are used as working gases.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство для изготовления малогабаритных оптических резонансных ячеек с парами атомов щелочных металлов, включающее вакуумную камеру, дозатор, содержащий стеклянную ампулу и механизм подачи дозатора, устройство для вскрытия ампулы, вакуумные насосы, дополнительно содержит лазерную систему для облучения шарика при герметизации ячейки, нагреватель ампулы, а вакуумная камера содержит карусель с гнездами для ячеек, включающую охладитель ячеек, нагреватель ячеек, карусель с гнездами для шариков, окно, прозрачное для лазерного излучения, приводы поворота карусели ячеек и вращения карусели шариков, натекатели для ввода в вакуумную камеру рабочих газов и расположенные вне вакуумной камеры резервуары рабочих газов.The specified technical result is achieved by the fact that the device for manufacturing small-sized optical resonance cells with pairs of alkali metal atoms, including a vacuum chamber, a dispenser containing a glass ampoule and a dispenser feeding mechanism, an ampoule opening device, vacuum pumps, further comprises a laser system for irradiating the ball when sealing the cell, the ampoule heater, and the vacuum chamber contains a carousel with nests for cells, including a cell cooler, a cell heater, a carousel with nests for balls, a window transparent for laser radiation, cell carousel rotation and ball carousel rotation drives, leakages for introducing working gases into the vacuum chamber and working gas reservoirs located outside the vacuum chamber.
Указанный технический результат достигается также тем, что дозатор размещен на механизме подачи и снабжен корректирующим штырем и нагревателем.The specified technical result is also achieved by the fact that the dispenser is located on the feed mechanism and is equipped with a correcting pin and a heater.
Указанный технический результат достигается также тем, что дозатор выполнен из материала с высокой теплопроводностью, например из меди.The specified technical result is also achieved by the fact that the dispenser is made of a material with high thermal conductivity, for example, copper.
Указанный технический результат достигается также тем, что устройство для вскрытия ампулы выполнено в виде упора.The specified technical result is also achieved by the fact that the device for opening the ampoule is made in the form of a stop.
Указанный технический результат достигается также тем, что карусель для ячеек дополнительно снабжена направляющими с фиксаторами.The specified technical result is also achieved by the fact that the carousel for cells is additionally equipped with guides with clamps.
Указанный технический результат достигается также тем, что карусель для шариков выполнена в виде двух расположенных друг над другом соосных дисков с отверстиями-гнездами для шариков, при этом верхний диск может поворачиваться относительно нижнего, в нижнем диске содержится одно отверстие, а в верхнем диске количество отверстий равно числу закладываемых в основную карусель ячеек.The specified technical result is also achieved by the fact that the carousel for balls is made in the form of two coaxial disks located one above the other with holes-nests for balls, while the upper disk can rotate relative to the lower one, the lower disk contains one hole, and the number of holes in the upper disk equal to the number of cells laid in the main carousel.
Указанный технический результат достигается также тем, что устройство дополнительно содержит смотровые окна.The specified technical result is also achieved by the fact that the device further comprises viewing windows.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется фиг. 1-4.The essence of the invention is illustrated in FIG. 1-4.
На фиг. 1 схематически показано предлагаемое устройство (вид сверху), где 1 - вакуумная камера, 2 - карусель с гнездами для ячеек 3, 4 - карусель с гнездами для шариков 5, 6 - нагреватель ячеек с экраном 7, 8 - дозатор со штырем 9, содержащий стеклянную ампулу со щелочным металлом, 10 - механизм подачи дозатора, 11 - резервуары с рабочими газами, 12 - натекатели для подачи газов, 13 - вакуумная система откачки, 14 - шиберный затвор, 15 - боковое смотровое окно, 16 - фиксатор положения карусели ячеек.In FIG. 1 schematically shows the proposed device (top view), where 1 is a vacuum chamber, 2 is a carousel with slots for
На фиг. 2 схематически показано предлагаемое устройство до начала процесса, где 3 - ячейка, 4 - карусель с шариками 5, 9 - штырь дозатора, 16 - фиксатор положения карусели ячеек, 17 - ампула со щелочным металлом, 18 - охладитель ячеек, 19 - нагреватель ампулы, 20 - устройство для вскрытия ампулы, 21 - CO2-лазер, 22 - отражающее зеркало, 23 - фокусирующая линза, 24 - верхнее смотровое окно, 25 - окно, прозрачное для лазерного излучения.In FIG. 2 schematically shows the proposed device before the start of the process, where 3 is a cell, 4 is a carousel with
На фиг. 3 схематически показан фрагмент предлагаемого устройства во время загрузки ячейки щелочным металлом, где 3 - ячейка, 9 - штырь дозатора, 16 - фиксатор положения карусели ячеек, 17 - ампула со щелочным металлом, 18 - охладитель ячеек, 19 - нагреватель ампулы, 24 - верхнее смотровое окно.In FIG. 3 schematically shows a fragment of the proposed device during loading of the cell with alkali metal, where 3 is the cell, 9 is the pin of the dispenser, 16 is the position lock of the cell carousel, 17 is the ampoule with alkali metal, 18 is the cell cooler, 19 is the ampoule heater, 24 is the top viewing window.
На фиг. 4 схематически показан процесс герметизации ячейки с помощью CO2-лазера, где 3 - ячейка, 5 - шарик, 21 - CO2-лазер, 22 - отражающее зеркало, 23 - фокусирующая линза, 25 - окно, прозрачное для лазерного излучения.In FIG. Figure 4 schematically shows the process of sealing a cell with a CO 2 laser, where 3 is a cell, 5 is a ball, 21 is a CO 2 laser, 22 is a reflecting mirror, 23 is a focusing lens, 25 is a window transparent to laser radiation.
Предлагаемое устройство содержит вакуумную камеру 1 со смотровыми окнами 15 и 24 и окном 25, прозрачным для лазерного излучения. Вакуумная камера 1, к которой подсоединена вакуумная система 13 с шиберным затвором 14, оснащена каруселью 2 с гнездами для ячеек 3, каруселью 4 с гнездами для шариков 5, приводом поворота карусели ячеек и приводом вращения карусели шариков (на чертежах не показаны), нагревателем ячеек 6 с экраном 7, охладителем ячеек 18, дозатором 8 со стеклянной ампулой 17 со щелочным металлом, размещенным на механизме подачи 10, который снабжен нагревателем 19 ампулы 17, и устройством 20 для вскрытия ампулы, выполненным в виде упора. Дозатор 8, выполненный из теплопроводящего материала, снабжен специальным штырем 9, корректирующим положение дозатора 8 относительно отверстия в заготовке ячейки 3. Карусель 4 для укладки шариков 5 в заготовки ячеек 3 выполнена в виде двух соосных дисков, верхний из которых может поворачиваться относительно нижнего. На нижнем диске карусели 4 выполнено одно отверстие для шарика 5, а на верхнем диске количество отверстий-гнезд для шариков соответствует количеству гнезд для ячеек в карусели 2 для ячеек 3. Карусель 2 лежит на охладителе 18 ячеек, выполненном в виде камеры, в которую подается жидкий азот. Предлагаемое устройство содержит вне вакуумной камеры 1 лазерную систему для герметизации ячеек, включающую CO2-лазер 21, отражающее зеркало 22 и фокусирующую линзу 23, а также систему для напуска в вакуумную камеру 1 рабочих газов, включающую резервуары 11 и натекатели для подачи газов 12.The proposed device contains a vacuum chamber 1 with viewing
Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.The proposed method is as follows.
При предварительном изготовлении корпусов ячеек длинную трубку из боросиликатного стекла с круглым или квадратным сечением нарезают с использованием лазера или специального станка с автоматической регулировкой подачи на заготовки равной длины.In the preliminary manufacture of cell bodies, a long tube of borosilicate glass with a round or square cross section is cut using a laser or a special machine with automatic adjustment of the feed to the workpieces of equal length.
Затем, в случае цилиндрической заготовки, на образующей цилиндра с помощью импульсного лазера выполняют сквозное осесимметричное отверстие, диаметр которого возрастает по направлению от внутренней поверхности заготовки к наружной. При изготовлении кубической или шестигранной ячейки такое отверстие формируют в центре плоского стекла, которое имеет размеры поперечного сечения ячейки и которое после сварки становится одним из донышек ячейки соответствующей формы.Then, in the case of a cylindrical workpiece, a through axisymmetric hole is made on the cylinder generator using a pulsed laser, the diameter of which increases in the direction from the inner surface of the workpiece to the outer. In the manufacture of a cubic or hexagonal cell, such a hole is formed in the center of a flat glass, which has the cross-sectional dimensions of the cell and which, after welding, becomes one of the bottoms of the cell of the corresponding shape.
Затем изготавливают заготовки ячеек, осуществляя сварку отрезков трубок цилиндрического, квадратного или шестиугольного сечения с окошками (донышками) и последующий отжиг стекла излучением CO2-лазера для снятия остаточных механических напряжений, которые могут приводить к нежелательному изменению поляризации лазерного излучения из-за наведенного двулучепреломления. Сварку и отжиг производят при вращении свариваемых деталей вокруг их оси симметрии со скоростью несколько оборотов в секунду.Then, cell blanks are made by welding segments of cylindrical, square or hexagonal tubes with windows (bottoms) and subsequent annealing of the glass by radiation of a CO 2 laser to relieve residual mechanical stresses that can lead to an undesirable change in the polarization of laser radiation due to induced birefringence. Welding and annealing is performed by rotating the parts to be welded around their axis of symmetry at a speed of several revolutions per second.
Полученные заготовки ячеек 3 при открытой крышке вакуумной камеры 1 размещают на карусели 2 отверстием вверх. В отверстиях верхнего диска карусели 4 для шариков размещают стеклянные шарики 5, изготовленные из того же стекла, из которого изготовлены ячейки 3.The obtained blanks of
Затем крышку вакуумной камеры 1 герметично закрывают и производят откачку атмосферного воздуха вакуумной системой 13 до давления не выше 5*10-6 Торр. Далее ячейки 3 обезгаживают при температуре 300°C в течение 6 часов с помощью нагревателя 6. Для концентрации теплового потока на ячейках 3 служит экран 7.Then the lid of the vacuum chamber 1 is hermetically closed and atmospheric air is evacuated by the
Затем нагрев отключают и после остывания ячеек до комнатной температуры с помощью механизма 10 перемещают дозатор со стеклянной ампулой 17 с капиллярным выходом и круговой насечкой в месте вскрытия. При перемещении механизмом 10 дозатора 8 с ампулой 17 кончик ее сопла наталкивается на устройство для вскрытия ампулы (упор) 20 и происходит разлом сопла по насечке. В результате сопло, являющееся капиллярным выходом паров металла, оказывается открытым.Then the heating is turned off and after the cells have cooled to room temperature, the dispenser with a
Дозатор 8 с ампулой 17 со щелочным металлом поочередно подводят к отверстиям каждой из ячеек 3 механизмом 10 и производят загрузку ячейки необходимым количеством щелочного металла. Контроль ведут через смотровые окна 15 и 24. С целью точного совпадения отверстия в ячейке и кончика сопла ампулы на карусели 2 установлен регулируемый фиксатор положения карусели 16. Штырь 9 дозатора 8 входит в отверстие предварительно отрегулированного фиксатора 16, карусель 2 доворачивается, и отверстие ячейки 3 совпадает с отверстием ампулы 17.The
Для обеспечения потока атомов щелочного металла из ампулы 17 в ячейки 3 ампулу нагревают с помощью нагревателя 19, встроенного в дозатор 8. Температура ампулы подбирается в пределах 230-250°C.To ensure the flow of alkali metal atoms from the
В конце интервала загрузки на дне стакана и частично на его боковых стенках осаждается тонкий слой металла. Не изменяя режима нагрева ампулы 17, карусель 2 с ячейками 3 поворачивают на определенный угол и подводят следующую ячейку 3 под поток атомов щелочного металла из сопла ампулы 17. Процедуру повторяют столько раз, сколько ячеек размещено в карусели 2, чтобы щелочной металл оказался во всех ячейках. Для лучшего удержания щелочного металла ячейки охлаждают с помощью охладителя 18.At the end of the loading interval, a thin metal layer is deposited on the bottom of the glass and partially on its side walls. Without changing the heating mode of the
После заполнения всех ячеек нагрев дозатора выключают и его возвращают в исходное положение.After filling all the cells, the dispenser heating is turned off and it is returned to its original position.
Далее вакуумную камеру 1 заполняют смесью газов изотопов ксенона и азота с необходимыми парциальными давлениями (в пределах 5-100 Торр). Для этого перекрывают шиберный затвор 14, отсекающий систему откачки 13, открывают вентиль напуска одного из рабочих газов и через натекатель 12 производят напуск газа в вакуумную камеру 1 до необходимого давления в камере.Next, the vacuum chamber 1 is filled with a gas mixture of xenon and nitrogen isotopes with the necessary partial pressures (within 5-100 Torr). To do this, close the
Аналогичным образом производят напуск других газов из других баллонов через соответствующие вентили и натекатели 12. При этом в камере 1 и в ячейках 3 устанавливается определенное процентное соотношение этих газов, влияющее на качество получаемых ячеек.Similarly, other gases are inflated from other cylinders through the corresponding valves and leaks 12. At the same time, a certain percentage of these gases is established in the chamber 1 and in the
Затем ячейки, заполненные парами щелочного металла, герметизируют, используя карусель 4 для укладки шариков 5 в отверстия ячеек 3. Для этого ячейку 3 поворотом карусели 2 с помощью привода поворота устанавливают под отверстие нижнего неподвижного диска карусели 4 для укладки шариков 5, затем с помощью привода вращения карусели поворачивают верхний подвижный диск карусели 4. Специальные направляющие на диске карусели 2 и фиксатор 16 положения карусели 2 позволяют точно поворачивать карусель и устанавливать ячейки под загрузку. Когда отверстие верхнего диска карусели 4 с заранее уложенным в него шариком 5 совпадает с отверстием в нижнем диске карусели 4, шарик 5 падает в углубление в ячейке 3. Процедуру повторяют столько раз, сколько ячеек размещено в карусели 2.Then the cells filled with alkali metal pairs are sealed using the
Затем производят приварку стеклянных шариков 5 к стенке ячеек 3, которую осуществляют лучом CO2-лазера 21, для чего фокусируют луч лазера линзой 23 на шарик 5 таким образом, чтобы центр луча лазера был направлен на центр шарика 5. Диаметр луча лазера больше диаметра шарика. Шарик расплавляется и герметизирует отверстие в ячейке.Then, the
После окончания герметизации ячейки карусель 2 с ячейками 3 поворачивают, и в зоне сварки поочередно оказывается следующая ячейка.After the sealing of the cell is completed, the carousel 2 with the
После герметизации всех ячеек подачу жидкого азота в охладитель 18 прекращают, и в вакуумную камеру напускают атмосферный воздух, открывают крышку камеры и извлекают из нее готовые ячейки.After sealing all the cells, the supply of liquid nitrogen to the cooler 18 is stopped, and atmospheric air is introduced into the vacuum chamber, the chamber lid is opened and the finished cells are removed from it.
Ниже приведен конкретный пример использования предлагаемого способа.The following is a specific example of the use of the proposed method.
Из трубок заводского изготовления длиной более 300 мм и квадратного поперечного сечения (внешнее сечение 6,5×6,5 мм, внутреннее сечение 5,2×5,2 мм) нарезают отрезки длиной 5,2 мм, из листового стекла толщиной 0,7 мм нарезаются крышки квадратного сечения со стороной квадрата 6,5 мм. В одной из крышек будущей ячейки с помощью импульсного CO2 лазера делают аксиально симметричное углубление с поверхностью в форме эллипсоида с круглым сквозным отверстием диаметром 0,5-0,7 мм в его дне. Аксиальная симметрия достигается при вращении крышки вокруг оси лазерного пучка. Затем в атмосферных условиях осуществляют предварительный их нагрев, сварку отрезка трубки и донышек, отжиг стекла излучением CO2-лазера для снятия остаточных механических напряжений в окне заготовки ячейки. Нагрев, сварку и отжиг производят при вращении свариваемых деталей вокруг их оси симметрии со скоростью несколько оборотов в секунду. При сварке лазерным излучением управление лазерным пучком осуществляют фокусирующей линзой, а держатель вращают дополнительным приводом.From factory-made tubes longer than 300 mm and a square cross-section (outer section 6.5 × 6.5 mm, inner section 5.2 × 5.2 mm) cut lengths 5.2 mm long, from sheet glass with a thickness of 0.7 mm covers of square section with a side of a square of 6.5 mm are cut. Using a pulsed CO 2 laser, an axially symmetric recess is made in one of the covers of the future cell with an ellipsoid-shaped surface with a round through hole with a diameter of 0.5-0.7 mm in its bottom. Axial symmetry is achieved by rotating the cap around the axis of the laser beam. Then, in atmospheric conditions, they are preliminarily heated, a piece of tube and bottoms is welded, glass is annealed by radiation of a CO 2 laser to relieve residual mechanical stresses in the cell blank window. Heating, welding and annealing is carried out during rotation of the welded parts around their axis of symmetry at a speed of several revolutions per second. When welding with laser radiation, the laser beam is controlled by a focusing lens, and the holder is rotated by an additional drive.
Полученную ячейку размещают в вакуумной камере. Камеру герметично закрывают и откачивают до давления 5*10-6 Торр. Далее ячейки обезгаживают при давлении не выше 10-5 Торр при температуре 300°C в течение 6 часов. Выключают подогрев ячеек, в камеру вводят дозатор, содержащий стеклянную ампулу с капиллярным выходом и круговой насечкой в месте вскрытия, и производят вскрытие сопла ампулы по насечке. Открытый конец сопла ампулы размещают непосредственно над отверстием в ячейке. Корпус дозатора с ампулой нагревают своим нагревателем до температуры 230-250°C. В течение 2-х минут происходит загрузка изотопа рубидия 87Rb с визуальным контролем. После этого поворачивают карусель и под сопло подводят следующую ячейку. После заполнения всех ячеек нагрев дозатора выключают и отодвигают его в положение, не мешающее сварке, с помощью механизма подачи. Далее в камеру (и ячейки) напускают газы 129 и 131 изотопов ксенона до необходимых давлений, контролируя его образцовым манометром. После этого на ячейки накладываются шарики, выполненные из того же стекла, что и сами ячейки. После этого осуществляют сварку шарика и стаканчика. Первые 10 секунд (прогрев) мощность лазера составляет 3 Вт, затем в течение 3 сек происходит собственно сварка при мощности лазера 8 Вт, и завершает процесс отжига при мощности лазера 3 Вт в течение 10 сек. Регулировка длительности и мощности каждого этапа производится программируемым контроллером, сигнал с которого поступает на блок управления CO2-лазера.The resulting cell is placed in a vacuum chamber. The chamber is hermetically sealed and pumped out to a pressure of 5 * 10 -6 Torr. Next, the cells are degassed at a pressure of no higher than 10 -5 Torr at a temperature of 300 ° C for 6 hours. The cells are turned off, a dispenser containing a glass ampoule with a capillary exit and a circular notch at the opening is introduced into the chamber, and the nozzle is opened through the notch. The open end of the nozzle of the ampoule is placed directly above the hole in the cell. The dispenser case with the ampoule is heated with its heater to a temperature of 230-250 ° C. Within 2 minutes of rubidium loading occurs isotope 87 Rb visually. After this, the carousel is turned and the next cell is brought under the nozzle. After filling all the cells, the dispenser heating is turned off and it is moved to a position that does not interfere with welding using the feed mechanism. Next, gases 129 and 131 of xenon isotopes are poured into the chamber (and cells) to the required pressures, controlling it with an exemplary pressure gauge. After that, balls made of the same glass as the cells themselves are superimposed on the cells. After that, the ball and cup are welded. For the first 10 seconds (warming up), the laser power is 3 W, then within 3 seconds the welding itself occurs at a laser power of 8 W, and completes the annealing process with a laser power of 3 W for 10 seconds. The duration and power of each stage are adjusted by a programmable controller, the signal from which is fed to the control unit of the CO 2 laser.
Процедуру герметизации повторяют столько раз, сколько ячеек размещено в карусели.The sealing procedure is repeated as many times as there are cells in the carousel.
В камеру напускается атмосфера, снимается крышка, извлекаются готовые ячейки. Производится их визуальный осмотр, оптический и метрологический контроль.The atmosphere is poured into the chamber, the lid is removed, the finished cells are removed. Visual inspection, optical and metrological control are carried out.
Предлагаемая группа изобретений позволяет получать миниатюрные цилиндрические, кубические и шестигранные ячейки со следующими размерами: цилиндрические: длина ячейки 6 мм, диаметр 3,4-5 мм, толщина стенки 0,7 мм; кубические с внешней стороной куба 6,5 мм толщина стенки 0,65 мм, обеспечивающие высокие эксплуатационные свойства аппаратуры, а также достигается экономия дорогостоящих изотопа щелочного металла и рабочих газов за счет дозированного заполнения ими ячейки и уменьшения объема рабочей камеры.The proposed group of inventions allows to obtain miniature cylindrical, cubic and hexagonal cells with the following dimensions: cylindrical:
Claims (11)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014147242/02A RU2578890C1 (en) | 2014-11-25 | 2014-11-25 | Method of producing small-size optical resonance cells with vapours of alkali metal atoms and device therefor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014147242/02A RU2578890C1 (en) | 2014-11-25 | 2014-11-25 | Method of producing small-size optical resonance cells with vapours of alkali metal atoms and device therefor |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2578890C1 true RU2578890C1 (en) | 2016-03-27 |
Family
ID=55656910
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2014147242/02A RU2578890C1 (en) | 2014-11-25 | 2014-11-25 | Method of producing small-size optical resonance cells with vapours of alkali metal atoms and device therefor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2578890C1 (en) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2659539C1 (en) * | 2017-03-21 | 2018-07-02 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова" | Method for manufacturing items from pipe billets |
| RU2676296C1 (en) * | 2018-04-25 | 2018-12-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Атомикс" | Method of manufacturing small-sized nuclear cells with alkali metal atom vapors |
| RU2677154C1 (en) * | 2018-04-25 | 2019-01-15 | Общество с ограниченной ответственностью "Атомикс" | Small-sized nuclear cells with alkali metals atoms vapors manufacturing method |
| RU187339U1 (en) * | 2018-04-26 | 2019-03-01 | Общество с ограниченной ответственностью "Атомикс" | Small atomic cell |
| RU2683455C1 (en) * | 2018-04-25 | 2019-03-28 | Общество с ограниченной ответственностью "Атомикс" | Small-size atomic cell |
| DE102020204570A1 (en) | 2020-04-09 | 2021-10-14 | Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung | Method for filling a steam cell with inert gas and filling device |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU31102A1 (en) * | 1932-06-14 | 1933-07-31 | А.В. Альшевский | Level ampoule with compensation chamber |
| SU1481010A1 (en) * | 1987-07-20 | 1989-05-23 | Тульский Политехнический Институт | Method of cold welding of shells |
| SU1600174A1 (en) * | 1988-08-11 | 1995-02-27 | А.М. Шохин | Circular seam welder |
| RU2060074C1 (en) * | 1993-04-23 | 1996-05-20 | Производственное объединение "Красный котельщик" | Mechanized complex for making tubular helices and mechanism for handling and piecewise placing the helices |
-
2014
- 2014-11-25 RU RU2014147242/02A patent/RU2578890C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU31102A1 (en) * | 1932-06-14 | 1933-07-31 | А.В. Альшевский | Level ampoule with compensation chamber |
| SU1481010A1 (en) * | 1987-07-20 | 1989-05-23 | Тульский Политехнический Институт | Method of cold welding of shells |
| SU1600174A1 (en) * | 1988-08-11 | 1995-02-27 | А.М. Шохин | Circular seam welder |
| RU2060074C1 (en) * | 1993-04-23 | 1996-05-20 | Производственное объединение "Красный котельщик" | Mechanized complex for making tubular helices and mechanism for handling and piecewise placing the helices |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Knappe S, Velichansky V, Robinson H G, Kitching J, Hollberg L, "Compact atomic vapor cells fabricated by laser induced heating of hollow-core glass fibers." Rev. Sci. Instrum. 74, 3142-5(2003). * |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2659539C1 (en) * | 2017-03-21 | 2018-07-02 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова" | Method for manufacturing items from pipe billets |
| RU2676296C1 (en) * | 2018-04-25 | 2018-12-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Атомикс" | Method of manufacturing small-sized nuclear cells with alkali metal atom vapors |
| RU2677154C1 (en) * | 2018-04-25 | 2019-01-15 | Общество с ограниченной ответственностью "Атомикс" | Small-sized nuclear cells with alkali metals atoms vapors manufacturing method |
| RU2683455C1 (en) * | 2018-04-25 | 2019-03-28 | Общество с ограниченной ответственностью "Атомикс" | Small-size atomic cell |
| RU187339U1 (en) * | 2018-04-26 | 2019-03-01 | Общество с ограниченной ответственностью "Атомикс" | Small atomic cell |
| DE102020204570A1 (en) | 2020-04-09 | 2021-10-14 | Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung | Method for filling a steam cell with inert gas and filling device |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2578890C1 (en) | Method of producing small-size optical resonance cells with vapours of alkali metal atoms and device therefor | |
| RU2554358C1 (en) | Manufacturing method of small-sized atomic cells with vapours of atoms of alkaline metals and device for its implementation | |
| TWI679179B (en) | Methods and apparatuses for fabricating glass articles | |
| KR101160817B1 (en) | Electrodeless incandescent bulb | |
| CN1158491A (en) | Method of manufacturing low-pressure mercury discharge lamp, and low-pressure mercury discharge lamp which can be manufactured by said method | |
| WO2020050139A1 (en) | Method for separating a hollow glass body from a glass tube as well as method and system for manufacturing a receptacle | |
| JP2000313630A (en) | Method for fusing glass, device for fusing glass, fused glass and method for producing fused glass | |
| RU2677154C1 (en) | Small-sized nuclear cells with alkali metals atoms vapors manufacturing method | |
| CN110948107A (en) | Atomic gas chamber fusion sealing device and method | |
| RU2683455C1 (en) | Small-size atomic cell | |
| RU2676296C1 (en) | Method of manufacturing small-sized nuclear cells with alkali metal atom vapors | |
| Losev et al. | Production of miniature glass cells with rubidium for chip scale atomic clock | |
| JP3379916B2 (en) | High melting point material melt bonding equipment | |
| RU140986U1 (en) | INSTALLATION FOR FILLING CELLS WITH ALKALI METAL | |
| RU187339U1 (en) | Small atomic cell | |
| CN114560624A (en) | Glass pipeline device for preparing polarized helium three-glass gas chamber and preparation method of glass gas chamber | |
| US20020000776A1 (en) | Method for producing discharge lamp and discharge lamp | |
| US5213536A (en) | Filamented lamp manufacture method | |
| US20150318137A1 (en) | Method of Manufacturing an Electrodeless Lamp Envelope | |
| JPH02223131A (en) | Manufacture of double-ended high voltage discharge lamp | |
| JP2018024565A (en) | Apparatus and method for manufacturing single crystal | |
| CN113816592B (en) | 3D printing method and 3D printing device for chalcogenide glass microspheres | |
| JP3565829B2 (en) | Electrode, method for manufacturing the same, and metal vapor discharge lamp | |
| JPH02186530A (en) | Manufacture of lamp tube body | |
| US20050275349A1 (en) | Method and apparatus for producing a lamp |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PC41 | Official registration of the transfer of exclusive right |
Effective date: 20161006 |
|
| QB4A | Licence on use of patent |
Free format text: LICENCE Effective date: 20161004 |
|
| PD4A | Correction of name of patent owner | ||
| PC41 | Official registration of the transfer of exclusive right |
Effective date: 20180710 |
|
| QC41 | Official registration of the termination of the licence agreement or other agreements on the disposal of an exclusive right |
Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20161004 Effective date: 20190531 |