[發(fā)明專利]一種基于冷原子的超高/極高真空壓力傳感器

在審

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• 申請日: 2017-08-22
• 公開（公告）號: CN107655622A
• 公開（公告）日: 2018-02-02
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李得天;肖玉華;李丹明;成永軍;王永軍;張虎忠
• 申請（專利權(quán)）人: 蘭州空間技術(shù)物理研究所
• 主分類號: G01L21/00
• 分類號: G01L21/00
• 代理公司: 北京理工大學(xué)專利中心11120
• 代理人: 仇蕾安,付雷杰

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及真空計量及儀器儀表技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及基于冷原子的超高/極高真空壓力傳感器。

背景技術(shù)

在超高/極高真空(10^-7～10^-12Pa)測量方面，當(dāng)前主要采用熱陰極電離規(guī)，然而熱陰極電離規(guī)存在熱陰極出氣效應(yīng)、長期穩(wěn)定性差、在極高真空下準確度低等問題，而且非初級真空標準，需要校準。在超高/極高真空校準方面，目前國際上尚未有對應(yīng)的初級真空標準，主要采用動態(tài)膨脹法作為真空標準進行超高/極高真空的校準，然而基于動態(tài)膨脹法的真空標準裝置存在系統(tǒng)體積龐大、造價昂貴、難以維護、不便于攜帶、而且非初級真空標準，具有不確定度大等問題。

然而，隨著基于光學(xué)方法和量子物理的真空計量新方法、新概念的進一步發(fā)展，諸多計量參數(shù)對應(yīng)的實物標準向量子標準轉(zhuǎn)變，國際計量發(fā)展面臨著重大的挑戰(zhàn)，由此國際計量體系將引發(fā)歷史性的變革。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明提供了一種基于冷原子的超高/極高真空壓力傳感器，該真空壓力傳感器可有效解決目前在超高/極高真空測量中采用電離規(guī)所存在的問題和不足，自身可作為初級真空標準，且無需校準，填補當(dāng)前國際上尚未有對應(yīng)的超高/極高真空初級標準的空白。

本發(fā)明的具體實施方案如下：

一種基于冷原子的超高/極高真空壓力傳感器，該真空壓力傳感器用于測量超高/極高真空環(huán)境的壓力，真空壓力傳感器包括原子發(fā)生器、原子預(yù)冷卻腔、冷原子真空壓力感應(yīng)腔以及隔離腔；

所述原子發(fā)生器用于原子的產(chǎn)生與分發(fā)；所述原子預(yù)冷卻腔將產(chǎn)生的原子進行預(yù)冷卻；所述冷原子真空壓力感應(yīng)腔用于將預(yù)冷卻的冷原子進行深度的冷卻與囚禁，并測量囚禁冷原子的碰撞損失率由此得出待測超高/極高真空環(huán)境的真空壓力；所述隔離腔用于將待測超高/極高真空環(huán)境與冷原子真空壓力感應(yīng)腔隔離；

原子發(fā)生器與原子預(yù)冷卻腔連通，原子發(fā)生器設(shè)置在原子預(yù)冷卻腔上方，原子預(yù)冷卻腔與冷原子真空壓力感應(yīng)腔連通并形成級聯(lián)結(jié)構(gòu)，冷原子真空壓力感應(yīng)腔通過隔離腔與待測超高/極高真空環(huán)境連通，隔離腔設(shè)置在冷原子真空壓力感應(yīng)腔上方。

進一步地，所述原子預(yù)冷卻腔內(nèi)用于預(yù)冷卻原子的功能模塊采用微小型化設(shè)計；冷原子真空壓力感應(yīng)腔內(nèi)用于進一步冷卻囚禁及測量冷原子的功能模塊采用微小型化設(shè)計。

進一步地，所述囚禁冷原子的碰撞損失率采用吸收法測量，即通過冷原子探測光的吸收，利用吸收信號測量囚禁冷原子的碰撞損失率。

進一步地，所述原子發(fā)生器采用MEMS體硅工藝制備腔室，同時在腔壁上沉積均勻的石蠟層以延長原子壽命，原子發(fā)生器內(nèi)設(shè)置微型激光器，通過局部加熱釋放出原子。

進一步地，所述原子發(fā)生器、原子預(yù)冷卻腔、冷原子真空壓力感應(yīng)腔以及隔離腔均選用不銹鋼材料設(shè)計加工。

有益效果：

1、本發(fā)明可有效解決目前在超高/極高真空測量中采用熱陰極電離規(guī)所存在的問題和不足，同時利用該方法測得的真空壓力可溯源到Boltzmann常數(shù)k_B、Planck常數(shù)介電常數(shù)ε₀、電子質(zhì)量m_e等物理常數(shù)上，因此，自身可作為初級真空標準，且無需校準，填補了當(dāng)前國際上尚未有對應(yīng)的超高/極高真空初級標準的空白，具有測量范圍寬、不確定度低的優(yōu)點。

2、本發(fā)明原子預(yù)冷卻腔和冷原子真空壓力感應(yīng)腔采用級聯(lián)結(jié)構(gòu)，先進行預(yù)冷卻，能夠獲得大通量冷原子數(shù)目并縮短冷原子的制備時間。

3、本發(fā)明原子預(yù)冷卻腔內(nèi)用于預(yù)冷卻原子的功能模塊采用微小型化設(shè)計，冷原子真空壓力感應(yīng)腔內(nèi)用于進一步冷卻囚禁及測量冷原子的功能模塊同樣采用微小型化設(shè)計，使真空壓力傳感器實現(xiàn)小型化、便攜式。

4、本發(fā)明采用吸收法測量囚禁冷原子的碰撞損失率，與通常的熒光收集法相比，在原理上與靜止雙能級原子同共振單模光場作用的模型更加接近，同時大大減小了測量中的誤差累積，進而可提高測量精度。

附圖說明

圖1是本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)示意圖。

其中，1-原子發(fā)生器，2-原子預(yù)冷卻腔，3-冷原子束過渡管道，4-冷原子真空壓力感應(yīng)腔，5-隔離腔。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖并舉實施例，對本發(fā)明進行詳細描述。