[發(fā)明專利]一種高壓原子氣室制造系統(tǒng)及方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201911277266.X
• 申請日: 2019-12-12
• 公開（公告）號: CN111060088B
• 公開（公告）日: 2022-02-01
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 鄭建朋;李新坤;蔡玉珍;王風(fēng)嬌;石猛;王學(xué)鋒
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航天控制儀器研究所
• 主分類號: G01C19/58
• 分類號: G01C19/58
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 茹阿昌

一種高壓原子氣室制造系統(tǒng)及方法，包括：真空控制系統(tǒng)、氣室分裝器、原子氣室及連接細(xì)管、填充氣體系統(tǒng)、堿金屬反應(yīng)系統(tǒng)、承壓容器、高能激光器。其中承壓容器可以控制原子氣室外部的氣體壓強(qiáng)，使外部壓強(qiáng)始終高于氣室內(nèi)部，以實現(xiàn)氣室的負(fù)壓熔封；其中，高能激光器采用二氧化碳激光器，可實現(xiàn)對原子氣室的非接觸高效率熔封。采用本裝置制備的高壓原子氣室壓強(qiáng)更高且可控(數(shù)個至十幾個大氣壓)穩(wěn)定，氣室內(nèi)組分可精確控制，為高壓原子氣室獲得更優(yōu)性能奠定基礎(chǔ)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種高壓原子氣室制造系統(tǒng)及方法，屬于原子氣室制造技術(shù)領(lǐng)域。特別是一種高壓原子氣室的制造系統(tǒng)，以及利用該系統(tǒng)制造高壓原子氣室的方法。

背景技術(shù)

高壓原子氣室內(nèi)填充堿金屬(鉀、銣或銫)和工作氣體(氙氣，氮氣等)，是SERF陀螺儀、SERF磁力儀的核心部件，是原子極化、自旋交換、自旋弛豫自旋進(jìn)動等過程發(fā)生的物理場所,將直接影響上述儀表的最終精度。為了制備出更加穩(wěn)定的SERF態(tài)，原子氣室內(nèi)的充制氣壓需要達(dá)到幾個到十幾個大氣壓，用以抑制極化原子的自旋交換碰撞弛豫，以實現(xiàn)極高靈敏度的量子精密測量。

早期的原子氣室多采用吹制工藝制成的球型玻璃結(jié)構(gòu)，光束會在球型氣室傳播過程中多次折返，因此會產(chǎn)生給信號帶來不利影響的雜散光。現(xiàn)階段，原子氣室多采用玻璃立方/圓柱形結(jié)構(gòu)。2008年以來，北京航空航天大學(xué)于開展了SERF陀螺儀的研究，其研制的原子氣室為圓柱形，尺度在10mm以上。

當(dāng)前，針對氣室內(nèi)填充氣壓高于0.1MPa的情況，采用液氮浸泡然后熔封的方式。通過利用液氮冷卻氣室內(nèi)的氣體，使其壓強(qiáng)降至0.1MPa以下，再進(jìn)行氣室熔封。熔封后的氣室恢復(fù)常溫后，氣室內(nèi)壓強(qiáng)恢復(fù)至0.1MPa以上。該方案的缺點主要有三點：一是液氮溫度(-196℃)下可能會導(dǎo)致部分氣體(Xe)液化或凝固，從而引起成品氣室內(nèi)氣體組分的偏差；二采用液氮浸泡法制取的氣室壓力最高約0.3MPa,且無法主動控制氣室內(nèi)壓強(qiáng)，這限制了氣室壓力的繼續(xù)提高；三是采用液氮過程中存在凍傷、爆炸、窒息等一系列安全隱患。顯然，液氮浸泡方案難以適應(yīng)高壓原子氣室氣體組分精確控制和更高壓強(qiáng)的發(fā)展方向。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種高壓原子氣室制造系統(tǒng)及方法，不同于現(xiàn)有的大氣壓下進(jìn)行原子氣室熔封，本發(fā)明將原子氣室置于高壓氣氛容器中，利用非接觸式加熱對其中進(jìn)行熔封，獲得遠(yuǎn)高于以前的氣室壓強(qiáng)。本發(fā)明中通過控制氣室外氣氛壓力，使得氣室內(nèi)始終保持相對負(fù)壓，利用二氧化碳激光器實現(xiàn)對其進(jìn)行非接觸熔封。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種高壓原子氣室制造系統(tǒng)，包括：真空控制系統(tǒng)、氣室分裝器、原子氣室、連接細(xì)管、填充氣體系統(tǒng)、堿金屬反應(yīng)系統(tǒng)、承壓容器、壓力控制系統(tǒng)、高能激光器；

氣室分裝器通過n根連接細(xì)管分別連接有n個原子氣室；其中，n為正整數(shù)；

填充氣體系統(tǒng)通過管路連接氣室分裝器，填充氣體系統(tǒng)用于向氣室分裝器輸送填充氣體；

堿金屬反應(yīng)系統(tǒng)通過管路連接氣室分裝器，堿金屬反應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)制取堿金屬并向氣室分裝器輸送堿金屬；

真空控制系統(tǒng)用于抽除氣室分裝器、連接細(xì)管、原子氣室內(nèi)的空氣，使氣室分裝器、連接細(xì)管、原子氣室內(nèi)為高真空環(huán)境；

氣室分裝器用于將堿金屬和填充氣體均勻分配至各個原子氣室，每個原子氣室內(nèi)堿金屬和填充氣體的組分一致；

氣室分裝器、n根連接細(xì)管和n個原子氣室均設(shè)置在承壓容器的腔體內(nèi)，壓力控制系統(tǒng)用于控制承壓容器內(nèi)的壓力大于原子氣室內(nèi)部的壓力；

承壓容器壁上對應(yīng)原子氣室的位置設(shè)置有激光光窗；

高能激光器用于在原子氣室完成堿金屬和填充氣體填充后，通過激光光窗向連接細(xì)管和原子氣室的連接處發(fā)射激光實現(xiàn)原子氣室的非接觸熔封；