Источник атомов Российский патент 2024 года по МПК H01S1/06 H05B3/06 

Предлагаемое изобретение относится к области квантовой электроники, устройствам для получения направленного пучка атомов, и может быть использовано в атомно-лучевых стандартах частоты с атомными пучками, например, стронция, иттербия, рубидия или цезия.

В оптических стандартах частоты процесс использования сверхточного атомного перехода начинается с получения необходимого количества парообразного активного вещества, например, стронция или иттербия, внутри вакуумной камеры. Происходит образование потока испаряемого вещества путем нагрева в условиях высокого вакуума внутри специального устройства - источника атомов (ИсА), до температуры, при которой давление насыщенного пара вещества в несколько раз выше, чем давление остаточных газов.

Принцип действия источника атомов (ИсА) основывается на получении направленного пучка атомов с низкой угловой геометрической расходимостью. При тепловой возгонке рабочего вещества, например, стронция или иттербия, помещенных в микрорезервуар внутри ИсА с определенной температурой (400-600°С), давление паров атомов становится достаточным, чтобы преодолеть выходное коллимирующее устройство. Коллимирующее устройство представляет собой набор капилляров - металлических, керамических или кварцевых трубочек диаметром 100-300 мкм и длиной 5-15 мм, проходя которые, пучок атомов приобретает направленность.

В оптических стандартах частоты на сегодняшний день разделяют два основных типа источников, которые различаются по способу нагрева микрорезервуара с рабочим веществом, ремонтопригодности и степени изоляции нагревательного элемента от окружающей среды.

Первый тип ИсА, представляет собой вакуумный патрубок (ниппель) со встроенным коллимирующим устройством, входящий в состав вакуумной системы. Навеска активного вещества, например, стронция, помещается непосредственно в вакуумный патрубок. Нагрев навески происходит снаружи через стенки патрубка до рабочей температуры 400-600°С резистивным нагревателем вместе со всем вакуумным патрубком и, подсоединенными к нему частями вакуумной системы, например, оптического спектроскопа. В данной конструкции сменный нагреватель размещается снаружи вне вакуумного объема, что влечет за собой усложнение и громоздкость конструкции теплоизолирующих устройств. В случае выхода из строя нагревателя, ремонт может быть осуществлен только с полным снятием патрубка с активным веществом и разгерметизацией части или всей вакуумной системы. В случае с активно-взаимодействующими с кислородом активными веществами, такими как стронций, это ведет потере всей навески (заправки) ИсА.

Второй тип ИсА, представляет собой микрорезервуар с интегрированным в него резистивным нагревателем. Также в микрорезервуар встроено коллимирующее устройство. При этом элементы размещаются внутри вакуумного объема и имеют минимальные потери на теплопроводность через опоры на внешний контур вакуумной системы, а также тепловые радиационные потери. Для ввода электрических сигналов и питания используются, встроенные в вакуумный фланец герметичные вакуумные электрические вводы. В случае выхода из строя внутреннего нагревателя, ремонт может быть осуществлен только с полным снятием ИсА с активным веществом и разгерметизацией части или всей вакуумной системы. Как и в предыдущем случае, снятие ИсА с активно-взаимодействующими с кислородом веществами (металлами), такими как стронций, также ведет к потере всей навески (заправки) ИсА.

Необходимость применения ИсА нового типа заключается в том, что в существующих ИсА не обеспечивается достаточная ремонтопригодность и одновременно удовлетворительная тепловая изоляция нагреваемых элементов ИсА. Предлагается схема с расположением нагревателя вне вакуумного объема с простой системой тепловой изоляции, совмещенной с тепловым экраном и расположением нагреваемого микрорезервуара с навеской активного вещества и коллимирующим устройством внутри зоны высокого вакуума. Это позволит осуществлять замену нагревателя (ремонт) с сохранением целостности вакуумной системы, позволит повысить ремонтопригодность оптических стандартов частоты в целом, устранит необходимость полной разгерметизации вакуумной системы и предотвратит потери дорогостоящих навесок (заправок) рабочих веществ.

Известен ИсА (Patent No: US 2021/0345475 Al, Date of Patent: Nov. 4, 2021), содержащий фланец вакуумный, механически соединенный с теплоизолирующими дискретными стойками, к которым крепится микрорезервуар, к которому присоединен нагреватель и закреплен односопловый коллиматор. Вся конструкция размещается в вакуумном объеме.

Однако в указанном ИсА используется размещение элементов целиком внутри вакуумного объема, тепловая изоляция осуществляется через короткие стойки, которые крепятся со стороны противоположной коллиматорному устройству к вакуумному фланцу, электрические контакты имеют технологически сложно изготавливаемые вакуумные электрические вводы через вакуумный фланец, замена резистивного нагревателя не возможна без разгерметизации вакуумной системы, что существенно ухудшает ремонтопригодность оптических и атомно-лучевых стандартов частоты.

Кроме того, известно ИсА (Patent No: US 3,667,066, Date of Patent: May. 30, 1972), являющееся прототипом предлагаемого изобретения и содержащее вакуумный фланец, через теплоизолирующую стойку механически соединенный с микрорезервуаром, в который встроен нагреватель, выполненный из нескольких радиально-расположенных маломощных нагревателей, на микрорезервуаре размещается коллимирующее устройство, прижимаемое резьбовым колпаком.

Однако в указанном устройстве используется размещение элементов целиком внутри вакуумного объема, тепловая изоляция осуществляется через короткую стойку, которая крепится со стороны противоположной коллиматорному устройству к вакуумному фланцу, также электрические контакты имеют технологически сложно изготавливаемые вакуумные электрические вводы через вакуумный фланец, и высокую сложность осуществления электрического соединения электрических контактов между несколькими нагревателями, что также существенно ухудшает ремонтопригодность оптических и атомно-лучевых стандартов частоты.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение теплоизоляции нагревательного устройства микрорезервуара и ремонтопригодности оптических и атомно-лучевых стандартов частоты.

Поставленная задача достигается тем, что в известном устройстве ИсА, содержащем источник атомов, содержит вакуумный фланец, который механически соединен с теплоизолятором-экраном. Внутри теплоизолятора-экрана размещен микрорезервуар, содержащий трубчатые нагреватели расположенные радиально со стороны вакуумного фланца по всей длине микрорезервуара. С противоположной стороны микрорезервуара расположено коллимирующее устройство, прикрепленное к нему прижимным колпаком. При этом микрорезервуар соединен с теплоизолятором-экраном в плоскости коллимирующего устройства.

Изобретение поясняется следующими чертежами:

на Фиг. 1 приведен эскизный чертеж ИсА,

на Фиг. 2 приведен эскизный чертеж коллимирующего устройства ИсА,

на Фиг. 3 приведен сборочный чертеж элементов ИсА,

на Фиг. 4 приведен эскизный чертеж ИсА в сборе, вид со стороны вакуумной части.

на Фиг. 5 приведен эскизный чертеж ИсА в сборе, вид со стороны атмосферной (воздушной) части и стороны размещения нагревателей.

ИсА (Фиг. 1) содержит: 1 - вакуумный фланец, 2 - теплоизолятор-экран, 3 -микрорезервуар, 4 - коллимирующее устройство, 5 - прижимной колпак, 6 -нагреватели.

ИсА (Фиг. 2) содержит: 4 - коллимирующее устройство,

ИсА (Фиг. 3) содержит: 1 - вакуумный фланец, 2 - теплоизолятор-экран, 3 -микрорезервуар, 4 - коллимирующее устройство, 5 - прижимной колпак, 6 -нагреватели.

ИсА (Фиг. 4) содержит: 1 - вакуумный фланец, 2 - теплоизолятор-экран, 5 -прижимной колпак,

ИсА (Фиг. 5) содержит: 1 - вакуумный фланец, 2 - теплоизолятор-экран, 3 -микрорезервуар, 5 - прижимной колпак.

При этом сторона микрорезервуара 3 с радиально расположенными нагревателями 6, соединена с одной из сторон теплоизолятора-экрана 2, к другой стороне теплоизолятора-экрана 2 присоединен вакуумный фланец 1, также в микрорезервуар 3 с противоположной стороны крепиться коллимирующее устройство 4 прижимным колпаком 5.

Вакуумный фланец 1 может быть выполнен из нержавеющей стали или сплава титана, с вырезами для теплоизолятора-экрана 2, теплоизолятор-экран 2 может представлять отрезок тонкостенной герметичной трубы из нержавеющей стали или титана толщиной 300-700 мкм, микрорезервуар 3 может быть выполнен из цельного куска нержавеющей стали или титана, коллимирующее устройство 4 может представлять собой цилиндр из нержавеющей стали или сплава титана с высверленными по всей длине отверстиями с шагом равным диаметру отверстий и составлять -300 микрон, прижимной колпак 5 может быть выполнен из нержавеющей стали, титана или сплава алюминия и должен иметь крепежные отверстия и центральное отверстие для потока атомов, в качестве нагревателей 6 могут быть нагревательные элементы для паяльных станций Lukey 936А А1322 со встроенной термопарой.

Устройство работает следующим образом, в микрорезервуар 3 со стороны вакуумной части помещается испаряемый элемент - металл, нагревается нагревателями 6, установленными со стороны атмосферы, давление паров атомов металла в вакуумной части становится достаточным, чтобы преодолеть выходное коллимирующее устройство, теплоизолятор-экран 2 препятствует кондуктивному и радиационному распространению теплового потока на элементы вакуумной системы, регулировкой тока нагревателей регулируется температура нагревателей и, следовательно, интенсивность потока атомов выходящего из коллимирующего устройства 4.

Таким образом, посредством применения ИсА с теплоизолятором-экраном и местом соединения микрорезервуара в плоскости коллимирующего устройства, обеспечивается возможность поместить нагреватели с внешней стороны ИсА без нарушения герметичности вакуумной системы, устранить нагрев внешней части вакуумной системы и, тем самым, обеспечить повышение уровня теплоизоляции нагревательного устройства микрорезервуара и ремонтопригодности оптических и атомно-лучевых стандартов частоты.

Изобретение относится к области квантовой электроники, в частности к устройствам для получения направленного пучка атомов, и может быть использовано в атомно-лучевых стандартах частоты с атомными пучками, например, стронция, иттербия, рубидия или цезия. Технический результат - повышение теплоизоляции нагревательного устройства микрорезервуара и ремонтопригодности оптических и атомно-лучевых стандартов частоты. Результат достигается тем, что предложен источник атомов, содержащий вакуумный фланец, механически соединенный с теплоизолятором-экраном, внутри которого размещен микрорезервуар, содержащий трубчатые нагреватели, расположенные радиально со стороны вакуумного фланца по всей длине микрорезервуара, с противоположной стороны которого расположено коллимирующее устройство, прикрепленное к нему прижимным колпаком, при этом микрорезервуар соединен с теплоизолятором-экраном в плоскости коллимирующего устройства. 5 ил.

Источник атомов, содержащий вакуумный фланец, механически соединенный с теплоизолятором-экраном, внутри которого размещен микрорезервуар, содержащий трубчатые нагреватели, расположенные радиально со стороны вакуумного фланца по всей длине микрорезервуара, с противоположной стороны которого расположено коллимирующее устройство, прикрепленное к нему прижимным колпаком, при этом микрорезервуар соединен с теплоизолятором-экраном в плоскости коллимирующего устройства.