Малогабаритная атомная ячейка Российский патент 2019 года по МПК C03B23/20 G04F5/14 

Заявленное изобретение относится к малогабаритным атомным ячейкам с парами щелочных металлов и может быть использовано при изготовлении квантовых приборов различного применения.

Стеклянные ячейки, наполненные парами атомов щелочных металлов, применяют в атомных часах, включая малогабаритные, ядерных гироскопах и квантовых магнитометрах с оптической накачкой. Для создания компактных приборов необходимы малогабаритные атомные ячейки.

Из уровня техники известно изготовление стеклянной ячейки, наполненной парами атомов щелочных металлов, представляющей собой, сделанную 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 Н 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)].

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, включающей эти приборы.

Из уровня техники известны цельностеклянные ячейки, изготавливаемые путем оплавления торцов пирексового капилляра излучением CO₂-лазера. В этой технологии внешняя часть окна формировалась в виде идеальной сферы за счет поверхностного натяжения, но форма внутреннего окна практически не контролировалась.

Другим недостатком этой методики была необходимость привлечения ручной работы стеклодува для заполнения ячейки щелочным металлом и буферными газами. Это значительно увеличивало трудоемкость и стоимость изготовления ячеек, так что от этой методики отказались.

Наиболее близким аналогом являются малогабаритные атомные ячейки в виде тонкостенных цилиндрических стаканчиков, содержащих крышки-окошки, изготовленные следующим способом: осуществляют нагрев окна и торца заготовки ячейки, приварку окна к одному из торцов заготовки и их отжиг излучением CO₂-лазера, термообработку заготовки, откачку и последующее заполнение пучком атомов щелочного металла в вакууме. Затем нанесенный металл с торцевой поверхности заготовки испаряют CO₂-лазером и герметизируют ячейку путем установки прозрачного окна на втором торце заготовки ячейки и его приварки к торцу лазером (патент RU 2554358, 27.06.2015).

Недостатком данного способа изготовления является большая длина шва и длительное время герметизации, что влечет за собой большое количество примесей в ячейке, и, как следствие, низкую стабильность работы ячеек.

Технической проблемой заявленного изобретения является неконтролируемое попадание вредных примесей в объем ячейки при ее герметизации.

Технический результат заключается в повышение качества и воспроизводимости характеристик ячеек.

Указанный технический результат обеспечивается благодаря изменению процедуры герметизации малогабаритной атомной ячейки.

Указанный технический результат достигается тем, что цилиндрическая нерабочая стенка малогабаритной атомной ячейки содержит отверстие, смещенное к одному из рабочих торцов, предназначенное для загрузки щелочного металла, для напуска буферных газов дополнительно она содержит второе отверстие, диаметр которого меньше диаметра первого отверстия.

Дополнительная особенность заключается в том, что диаметры отверстий выбраны таким образом, что под воздействием излучения CO₂-лазера отверстия самозатягиваются.

Дополнительная особенность заключается в том, что упомянутый стеклянный корпус имеет длину 15 мм, диаметр 8 мм и толщину стенки 0,7 мм.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется Фиг. 1-2:

На Фиг. 1 изображена малогабаритная атомная ячейка, содержащая сквозное отверстие цилиндрической нерабочей стенки, смещенное к одному из рабочих торцов ячейки.

На Фиг. 2 изображена малогабаритная атомная ячейка, дополнительно содержащая второе отверстие, диаметр которого меньше диаметра первого отверстия.

Осуществление изобретения обеспечивается следующим способом.

При предварительном изготовлении корпусов ячеек, длинную стеклянную трубку с круглым сечением нарезают с использованием лазера или специального станка с автоматической регулировкой подачи на заготовки равной длины.

Затем на боковой поверхности цилиндра с помощью сверла с алмазным покрытием выполняют отверстие, смещенное к одному из рабочих торцов. Дополнительно с помощью импульсного лазера выполняют второе отверстие меньшего диаметра.

Затем изготавливают заготовки ячеек, осуществляя сварку отрезков трубок круглого сечения с окошками (донышками) при атмосферном давлении и последующий отжиг стекла в печи для снятия остаточных механических напряжений, которые могут приводить к нежелательному изменению поляризации лазерного излучения из-за наведенного двулучепреломления. Сварку производят излучением лазера на двуокиси углерода, сфокусированным в стык свариваемых деталей при их вращении вокруг их оси симметрии со скоростью несколько оборотов в секунду.

Располагают ячейки в вакуумной камере в гнездах карусели отверстиями кверху и проводят откачку камеры, термообработку и обезгаживание ячеек. После отключения нагрева и охлаждения ячеек до температуры около 0°С, вскрывают ампулу с щелочным металлом, подводят дозатор с подогретой до 230-250°С ампулой к ячейке.

Процедура заполнения ячеек начинается с напуска щелочного металла в ячейку через большое отверстие. Для этого сопло ампулы дозатора совмещают с большим отверстием ячейки. Его диаметр должен соответствовать диаметру канала диспенсера, через который идет поток атомов щелочного металла. При меньшем диаметре отверстия ячейки неизбежны потери щелочного металла, что крайне нежелательно в случае использования дорогостоящих изотопов.

После загрузки ячеек щелочным металлом, производится перегонка металла на дальний рабочий торец ячейки. Для этого производится разогрев области вокруг отверстия излучением CO₂-лазера. В горячем месте металл испаряется, в холодном - конденсируется.

После заполнения ячеек щелочным металлом и сгонки металла на дальний рабочий торец, производится нагрев карусели вакуумной камеры до комнатной температуры. На следующем этапе в камеру напускается буферный газ (аргон или азот) до давления не менее 300 Торр. При этом давлении осуществляется заплавление большого отверстия без образования пузырьков. Отметим, что при рабочем давлении буферных газов 10-100 Торр формирование пузырьков неизбежно. Из-за наличия пузырьков толщина стенки ячейки в месте заварки локально может быть очень малой. В этом случае ускоряется старение ячейки из-за проникновения гелия из атмосферы.

Герметизацию ячеек осуществляют путем разогрева области отверстия излучением CO₂-лазера. В условиях низкого давления при плавлении стекла происходит увеличение его объема из-за формирования мелких пузырьков растворенных в нем газов, что приводит к самозатягиванию отверстия и герметизации ячейки. Нагрев излучением CO₂-лазера производится в три этапа. Быстрый нагрев области вокруг отверстия до расплавления и увеличения объема стекла. Снижение мощности излучения на 15-30% и выдержка в течение 2-5 секунд с целью герметизации ячейки. Последующее уменьшение мощности излучения лазера до нуля в течение 1 мин.

После заплавления загрузочного отверстия в среде инертного газа производится откачка рабочей камеры и газов из ячейки. Уходящий через малое отверстие буферный газ, увлекает за собой и примесные газы, выделившиеся во время заплавления большого отверстия. Этот процесс происходит при комнатной температуре, когда давление насыщенных паров щелочного металла не превышает давления порядка 10^-5-10^-6 Торр (мелкие капельки щелочного металла остаются на стенках ячейки), так что практически весь щелочной металл остается в ячейке.

После завершения откачки напускаются буферные газы требуемых рабочих давлений, и производится заплавление малого отверстия. При этом время герметизации, масса расплавляемого стекла и выброс в ячейку посторонних газов существенно уменьшаются.

Финальная герметизация ячейки осуществляется с помощью заплавления меньшего отверстия корпуса ячейки.

Повышение качества и воспроизводимости характеристик ячеек достигается благодаря уменьшению возможности попадания вредных примесей за счет конструктивного выполнения малогабаритной атомной ячейки, обеспечивающего быстрый нагрев области вокруг отверстия и меньшее газовыделение из этой области.

Изобретение относится к малогабаритным атомным ячейкам и может быть использовано при изготовлении квантовых приборов различного применения. Атомная ячейка содержит стеклянный корпус цилиндрической формы. Цилиндрическая стенка малогабаритной атомной ячейки содержит отверстие для загрузки щелочного металла, смещенное к одному из рабочих торцов, а для напуска буферных газов малогабаритная атомная ячейка содержит второе отверстие, диаметр которого меньше диаметра первого отверстия. Диаметры отверстий выбраны таким образом, что под воздействием излучения CO₂-лазера отверстия самозатягиваются. Технической проблемой заявленного изобретения является попадание вредных примесей в объем ячейки при ее герметизации. Технический результат заключаются в повышение качества и воспроизводимости характеристик ячеек. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Корпус малогабаритной атомной ячейки, содержащий стеклянный корпус цилиндрической формы, отличающийся тем, что цилиндрическая нерабочая стенка малогабаритной атомной ячейки содержит отверстие, смещенное к одному из рабочих торцов, предназначенное для загрузки щелочного металла, для напуска буферных газов, дополнительно она содержит другое сквозное отверстие, диаметр которого меньше диаметра первого отверстия.

2. Корпус малогабаритной атомной ячейки по п. 1, отличающийся тем, что диаметры отверстий выбраны таким образом, что под воздействием излучения СО₂-лазера отверстия самозатягиваются.

3. Корпус малогабаритной атомной ячейки по п. 1, отличающийся тем, что упомянутый стеклянный корпус имеет длину 15 мм, диаметр 8 мм и толщину стенки 0,7 мм.