Способ изготовления малогабаритных оптических резонансных ячеек с парами атомов щелочных металлов Российский патент 2024 года по МПК G04F5/14 

Изобретение относится к области точного приборостроения и может быть использовано при изготовлении газовых ячеек для квантовых приборов различного назначения - квантовых магнитометров, ядерных магнитных гироскопов и малогабаритных атомных часов.

Малогабаритная оптическая резонансная газовая ячейка (далее - ячейка), заполненная парами щелочного металла, является ключевым элементом этих приборов, работающих на основе эффектов оптической накачки и детектирования. Характеристики приборов напрямую зависят от качества ячейки, которая должна обеспечивать узкие линии оптического и магнитного резонансов, а также высокое отношение сигнал/шум. Эти свойства критически важны для достижения высокой чувствительности магнитометров и гироскопов, а также для стабильности атомных часов и стандартов частоты. Следовательно, уровень технологии изготовления ячеек, направленный на достижение этих характеристик, играет определяющую роль в развитии и совершенствовании квантовых приборов.

Известен способ и устройство для изготовления малогабаритных оптических резонансных газовых ячеек с парами атомов щелочных металлов [патент РФ № 2578890], включающий изготовление ячеек; выполнение в одной из нерабочих стенок каждой из ячеек сквозного осесимметричного отверстия с диаметром, увеличивающимся в направлении от внутренней поверхности ячейки к наружной; расположение ячеек в вакуумной камере в гнездах карусели отверстием кверху; откачку камеры; термообработку и обезгаживание ячеек; загрузку ячеек щелочным металлом. При этом используют дозатор со стеклянной ампулой, содержащей щелочной металл; вскрывают стеклянную ампулу со щелочным металлом; подводят дозатор с подогретой до (503-523)К упомянутой ампулой к ячейке; направляют сопло ампулы в отверстие ячейки, после чего поворачивают карусель ячеек и направляют сопло ампулы в отверстие следующей ячейки.

После заполнения всех ячеек их загружают смесью рабочих газов, а затем осуществляют герметизацию ячеек путем установки в сквозное осесимметричное отверстие каждой ячейки стеклянного шарика с диаметром, большим диаметра отверстия на внутренней поверхности стенки ячейки и меньшим толщины стенки ячейки, облучения шарика направленным на его центр пучком излучения лазера, оплавления шарика и его сварки со стенкой ячейки.

Рассматриваемая технология имеет следующие недостатки.

1. Ограниченные технологические возможности, обусловленные чрезмерной сложностью процесса изготовления ячеек и большим числом слабо контролируемых трудоемких операций, требующих сложных средств оснащения.

2. Данная технология может приводить к недостаточному количеству цезия в ячейках по мере их заполнения, поскольку из-за расхода щелочного металла в дозаторе с ампулой меняются условия заполнения ячеек.

3. Невысокая воспроизводимость основных операций технологического цикла и, как следствие, нестабильность функциональных характеристик ячеек, а также низкие технико-экономические показатели, включая выход годных изделий.

Такие же недостатки имеет и близкое по сути техническое решение [патент РФ №2676296], в котором детализируется состав газовой смеси для заполнения ячеек (включая щелочные металлы и буферные газы) и конкретизируются элементы кинематики перемещения карусели, а также технология, в которой герметизацию ячейки осуществляют путем установки прозрачного окна на торце заготовки ячейки и его приварки к торцу лазером [патент РФ № 2554358].

Кроме того, в приведенных технических решениях существенным недостатком является то, что щелочные металлы, у которых химическая активность настолько высока, что они реагирует с кислородом и в условиях глубокого вакуума, и с кислородом, который как примесь присутствует в буферном газе [Плющев В.Е., Степин Б.Д. Химия и технология соединений лития, рубидия и цезия // М.: Химия. 1970. 408 с.], образуя продукты реакции, наличие которых в ячейке влияет на ее функциональные параметры. Например, при использовании в качестве буферного газа особо чистого азота ГОСТ 9293-74 с объемной долей кислорода не более 0,001 % при давлении азота в ячейке 1,33⋅10⁴ Па парциальное давление кислорода составит 1,33⋅10^-1 Па. При экспериментальном исследовании резонансного поглощения света атомами цезия показано, что во время заполнения ячейки парами цезия в газовой смеси, помимо буферного газа и цезия, образуются другие компоненты, такие как примесные субоксиды цезия, которые способствуют уширению спектральных линий. Это уширение линий оптического резонанса приводит к снижению точности и стабильности квантовых приборов, работающих на основе оптической накачки и детектирования.

Известно техническое решение [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)] 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. Процесс изготовления таких ячеек включает приварку штенгеля из тонкостенной трубки к корпусу ячейки, 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 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).

Недостатками в данном случае является то, что использование при 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 этого, приходится увеличивать размеры ячейки, что приводит к ухудшению весогабаритных характеристик и повышению энергопотребления аппаратуры. Также недостатком является негативное влияние на эксплуатационные характеристики ячейки соединений, образуемых в результате взаимодействия цезия и примесных газов в рабочей смеси.

Известна технология, в которой рассматриваются различные альтернативные методы заполнения ячеек парами щелочных металлов [Lukasz Nieradko, Christophe Gorecki, Adel Douahi,Vincent Giordano, Jean-Charles Beugnot, Jan A. Dziuban, and Marco Moraja "New approach of fabrication and dispensing of micromachined cesium vapor cell," Journal of Micro/Nanolithography, MEMS, and MOEMS 7(3), 033013 (1 July 2008). https://doi.org/10.1117/1.2964288 Published: 1 July 2008]. Основным недостатком рассматриваемых вариантов образования атомарных паров цезия в результате термоактивируемых химических реакций между азидом бария и хлоридом цезия внутри вакуумной ячейки или образование паров цезия при УФ-индуцированном разложении тонкопленочного осажденного азида цезия внутри высоковакуумной камеры является невысокая чистота получаемых паров цезия, в которых в качестве примесей могут присутствовать компоненты указанных химических реакций.

В качестве прототипа по наибольшему числу общих существенных признаков принят способ изготовления малогабаритных оптических резонансных ячеек с парами атомов цезия [Intrinsic Impurities in Glass Alkali-Vapor Cells B. Patton, K. Ishikawa, Y.-Y. Jau, and W. Happer Phys. Rev. Lett. 99, 027601 - Published 11 July 2007].

В данной технологии ячейки, изготовленные из стекла или плавленого кварца, были прикреплены к линии, подключенной к вакуумному коллектору. К линии была прикреплена и ампула с капсулой цезия и источник буферного газа - азота. Вокруг ячеек размещали печь и устанавливали температуру 623К, а коллектор вакуумировали турбомолекулярным насосом. Цезий перемещался в линию путем вскрытия (разрушения) капсулы магнитным молотком со стеклянным покрытием, а затем загружался в каждую ячейку путем нагрева линии слабым пламенем, в результате чего щелочной металл перемещался по линии за счет сочетания потока жидкости и конденсата.

После того как все ячейки были заполнены цезием, коллектор заполнялся любым буферным газом, в качестве которого наиболее приемлем азот, экономичный и не взаимодействующий с цезием, а ножка, являющаяся фактически перетяжкой, каждой ячейки размягчалась горелкой и отрывалась для обеспечения постоянного уплотнения.

Недостатками способа-прототипа являются ограниченные технологические возможности изготовления квантовых приборов и низкая управляемость процессом заполнения. Это обусловлено ненадежностью процесса вскрытия ампулы с цезием, т.к. ударная нагрузка может разрушить и стеклянное покрытие на магнитном молотке, что приведет к взаимодействию цезия с материалом молотка и, как следствие, к загрязнению цезия в ячейке и ухудшению ее функциональных параметров. Загрязнение газовой смеси в ячейке возможно также в результате взаимодействия цезия с примесными компонентами буферных газов.

Решаемая техническая проблема - расширение технологических возможностей изготовления квантовых приборов, улучшение условий изготовления ячейки за счет появления факторов управления процессом заполнения ячейки, исключение неопределенности, связанной с особенностями разрушения капсулы с цезием и минимизации посторонних примесей в газовой среде ячейки.

Технический результат заключается в повышении уровня управляемости процессом заполнения ячеек парами щелочных металлов, что обеспечивает улучшение эксплуатационных свойств ячеек, выражающееся в сужении ширины линий оптического и магнитного резонанса и достижении лучшего отношения сигнал/шум. Это, в свою очередь, приводит к повышению чувствительности квантовых магнитометров и гироскопов, а также улучшению стабильности атомных часов.

Согласно изобретению, осуществляют формообразование стеклянного сферического корпуса ячейки, соединенного через перетяжку с одним концом технологической стеклянной ампулы, в которую помещают дозатор, например, в виде заполненной цезием запаянной стеклянной капсулы, ампулу соединяют со средствами откачки и источником буферного газа, вакуумируют и обезгаживают ампулу и ячейку, заполняют ампулу парами цезия посредством разрушения капсулы внешним воздействием и буферным газом-азотом с давлением буферного газа Р_б.г., после чего осуществляют перегонку цезия в ячейку посредством формирования на ампуле зоны нагрева, которую перемещают в сторону ячейки, и отпаивают ячейку. При этом источник буферного газа-азота подсоединяют к противоположному относительно ячейки концу ампулы, цезий в капсуле располагают со смещением к одному из ее концов, капсулу устанавливают в средней части ампулы, ориентируя капсулу концом, свободным от цезия, в сторону перетяжки, разрушение капсулы осуществляют, нагревая ее импульсным лазерным излучением, фокусируя лазерный луч на конце капсулы, в котором размещен цезий, заполнение ампулы буферным газом-азотом производят сразу же после разрушения капсулы с цезием, перемещаемую зону нагрева для перегонки цезия в ячейку формируют между капсулой и перетяжкой и задают температуру зоны нагрева Т_п, равную температуре парообразования цезия при величине давления буферного газа Р_б.г..

Сущность изобретения поясняется фиг., на которой представлен общий вид предлагаемой малогабаритной оптической резонансной ячейки с ампулой, где:

1 - стеклянная сферическая ячейка;

2 - цилиндрическая ампула (далее - ампула);

3 - перетяжка, соединяющая ячейку 1 с ампулой 2;

4 - капсула со щелочным металлом (далее - капсула);

5 - цезий в капсуле 4;

6 - зона очистки буферного газа - азота;

7 - штуцер, соединяющий ампулу 2 со средствами откачки;

8 - штуцер, соединяющий ампулу 2 с источником буферного газа;

L - длина ампулы 2;

L₁ - длина зоны очистки буферного газа.

Способ заключается в выполнении совокупности и последовательности следующих технологических операций.

1. С помощью газовой горелки осуществляют стеклодувные операции по формообразованию, например из боросиликатного стекла, сферической ячейки 1, соединенной с цилиндрической ампулой 2 посредством перетяжки 3, и выполняют на другом, противоположном ячейке 1 конце ампулы 2, два штуцера 7 и 8 для подсоединения к вакуумным средствам откачки и к источнику буферного газа, соответственно.

2. В процессе формообразования ампулы 2 в нее помещают капсулу 4 с цезием 5. При этом цезий 5 в капсуле 4 располагают со смещением к одному из ее концов, что достаточно просто осуществить, нагревая капсулу 4 до температуры плавления цезия 5 (301,44К). Капсулу 4 размещают в средней части ампулы 2, ориентируя ее концом, свободным от цезия 5, в сторону перетяжки 3. Такое взаиморасположение ячейки 1, штуцера 8 для подсоединения ампулы 2 к источнику буферного газа и капсуле 4, а также ориентация капсулы 4 с цезием 5, создает предпосылки для формирования, как это будет показано ниже, двух зон, расположенных по разные стороны капсулы 4: зоны очистки 6 буферного газа и зоны перегонки цезия в ячейку 1, располагающейся между капсулой 4 и перетяжкой 3 (на фиг. зона не обозначена).

3. Далее полученную сборку - ячейка 1, ампула 2 и перетяжка 3 - через штуцер 7, выполненный на конце ампулы 2, откачивают до давления (1,33⋅10^-4 - 1,33⋅10^-5) Па, обезгаживают несколько часов при температуре (473-523) К, при которой давление паров цезия в капсуле 4 не приводит к ее разрушению (в частности при 551К давление паров цезия составляет 1,33⋅10² Па).

4. Далее фокусируют лазерный луч на конце капсулы 4 (стенки ампулы 2 и капсулы 4 прозрачны для лазерного излучения), заполненной цезием 5, и импульсным лазерным излучением, причем возможны варианты с экспериментально выявленными режимами лазера для условий, определяемых характеристиками капсулы 4 (марка стекла, диаметр, толщина стенок), как одного импульса, так и последовательности импульсов, осуществляют нагрев, расплавление цезия 5 и разрушение капсулы 4 давлением паров цезия. При этом преимущественно разрушается свободная от металлического цезия часть капсулы 4, разрушение носит взрывной характер, и основная часть цезия 5 из капсулы 4 в виде газообразной и жидкой фазы перемещается в зону между капсулой 4 и перемычкой 3, т.е. в зону, определяемую, как зона перегонки щелочного металла. Для расчета давления паров цезия можно использовать известные зависимости давления паров цезия р от температуры Т нагрева цезия 5 в капсуле 4, которая определяется параметрами лазерного излучения [В.П. Вейко, М.Н. Либенсон, Г.Г. Червяков, Е.Б. Яковлев. Взаимодействие лазерного излучения с веществом. Силовая оптика. Под. ред. В.И. Кононова // М.: физматлит. 2008. 312 с.]. Для цезия давление паров p, выраженное в атмосферах, определяется выражением [Плющев В.Е., Степин Б.Д. Химия и технология соединений лития, рубидия и цезия // М.: Химия. 1970. 408 с., - c. 75]:

lg p = 3,9415 - 3702,81/Т, (1)

и для температуры Т = 900К давление паров цезия p составит 0,69 атм. или 7⋅10⁴ Па, что достаточно для разрушения капсулы 4.

Таким образом, в технологической ампуле 2, с учетом размещения капсулы 4 в средней части ампулы 2, формируют две зоны: зону между капсулой 4 и перетяжкой 3, которую можно определить как зону перегонки цезия из ампулы 2 в ячейку 1 и в которую перемещается основная часть цезия 5 при взрывном разрушении капсулы 4 за счет создания в ней избыточного давления паров цезия. Вторая зона - зона 6 между капсулой 4 и концом ампулы 2, противоположным ячейке 1 и перетяжке 3. В эту зону в ампулу 2 через штуцер 8 поступает буферный газ - азот, который смешиваясь с парами цезия, обусловливает возможность взаимодействия газообразных примесей буферного газа, в частности кислорода, с парами цезия. Эту зону можно обозначить как зону очистки 6 азота от примесей. Длина L₁ этой зоны составляет (0,25-0,40) от длины L ампулы 2.

5. После разрушения капсулы 4 давление паров цезия скачкообразно падает, поскольку эти пары будут занимать объем ампулы 2 с ячейкой 1, который значительно больше (до нескольких десятков раз) объема капсулы 4, а температура паров цезия при этом будет монотонно уменьшаться со значительно меньшей скоростью, пока не примет одинакового с ампулой 2 значения. Динамику и количественные характеристики этого процесса можно оценить используя закон Менделеева-Клапейрона, устанавливающий, что произведение давления на объем данной массы газа, деленное на его абсолютную температуру, есть величина постоянная [Стромберг А. Г., Семченко Д. П. Физическая химия: Учеб. для хим. спец. вузов / Под ред. А. Г. Стромберга. - 7-е изд., стер. // М.: Высшая школа, 2009, 527 с.]. Очевидно, что соотношение газообразной и жидкой фаз щелочного металла в ампуле 2 и ячейке 1 определяется условиями динамического равновесия в замкнутой системе «ампула-ячейка».

6. Далее через штуцер 8, выполненный в ампуле 2, заполняют ампулу 2 азотом до требуемого давления Р_б.г. (обычно в пределах (0,665⋅10⁴-1,33⋅10⁴) Па), который в начальный момент попадает в зону очистки, примыкающую к концу ампулы 2, противоположному перетяжке 3. Как указывалось, цезий, имеющий очень высокую химическую активность, реагирует с кислородом, который как примесь присутствует в азоте, и парциальное давление кислорода составляет величину порядка 1,33⋅10^-1 Па. В результате в зоне очистки 6 осуществляется очистка азота от кислорода за счет его связывания. Возможна очистка и от других примесных газов, с которыми взаимодействует цезий. Подтверждением этому является известное техническое решение [патент РФ №2086016], в котором химическая активность цезия используется для снижения давления остаточных газов в полостях ядерной энергетической установки, что обеспечивается откачкой полостей до давления (10^-2-10^-3) Па и последующего введения в них парообразного цезия при давлении паров цезия (400-600) Па. В данном случае важно производить операцию заполнения ампулы 3 азотом сразу же после разрушения капсулы 4, чтобы обеспечить наиболее эффективное протекание процесса очистки буферного газа - азота от примесей при достаточно высокой температуре, которую имеют пары цезия в момент разрушения капсулы 4.

На практике процесс очистки буферного газа осуществляется в интервале температур при охлаждении ампулы от начальной температуры паров цезия, заполняющего ампулу 2 и ячейку 1 при разрушении капсулы 4, до температуры, близкой к комнатной, при которой находится ампула 2 с ячейкой 1. Таким образом, охватывается весь диапазон температур, в котором возможны взаимодействия цезия с примесными газами, а протекание процесса в условиях охлаждения исключает разложение образовавшихся соединений цезия, что может быть при нагреве. Например, образующийся при комнатной температуре надпероксид цезия CsO₂ разлагается при температурах выше 623К, а озонид цезия CsO₃ - при температуре 343К [Плющев В.Е., Степин Б.Д. Химия и технология соединений лития, рубидия и цезия // М.: Химия. 1970. 408 с.]

Метод исключений при анализе цветовой гаммы показал, что при использовании цезия в зоне очистки 6 преимущественно образуются субоксиды цезия Cs₄O и C₇O, при том, что с азотом цезий не взаимодействует [Популярная библиотека химических элементов // М.: Наука. 1977].

7. На следующем этапе осуществляют перегонку паров цезия, а также жидкой фазы цезия, которая находится в зоне перегонки, в ячейку 1. Это реализуется посредством формирования на ампуле 2 в зоне перегонки в ее части, наиболее удаленной от перетяжки 3, зоны нагрева, например с помощью газовой горелки, и перемещения этой зоны к перетяжке 3. Температуру перегонки Т_п в этой зоне нагрева задают равной температуре парообразования цезия при величине давления буферного газа Р_б.г., что обеспечивает перегонку цезия преимущественно в парообразном состоянии. Это является принципиальным моментом, поскольку снимает ограничения по внутреннему диаметру перетяжки 3, соединяющей ячейку 1 с ампулой 2, улучшая условия отпайки ячейки, что также расширяет технологические возможности способа. Пары цезия, перейдя через узкую перетяжку 3, конденсируются на стенках ячейки 1, имеющих значительно более низкую температуру, чем зона перегонки в ампуле 2. Очевидно, что при этом возможна и перегонка цезия в виде жидкой фазы. Наличие в ячейке жидкой фазы цезия является необходимым условием для формирования требуемых функциональных параметров ячейки.

Для расчета Т_п можно использовать зависимость [Heimel, S.Thermodynamic properties of cesium up ton 1500 degree K, 1965]:

logP_б.г.= -4,053/Т_п+7,04453 - 0,915282 logT_п. (2)

Например, при давлении азота 0,665⋅10⁴Па и 1,33⋅10⁴Па температуры парообразования цезия составляют 727K и 772K, соответственно.

После операции перегонки цезия в ячейку 1 с помощью газовой горелки производят отпайку ячейки 1 по перетяжке 3 и осуществляют контроль параметров ячейки, например измерением оптического резонансного поглощения, ширина и сдвиг которого позволяют оценить качество изготовленной ячейки и давление буферного газа внутри нее. В случае отклонения давления буферного газа от номинального значения контур резонансного поглощения будет чрезмерно уширен или сужен по сравнению с расчетным значением. Присутствие примесей в газовой смеси проявляется в уширении линии поглощения.

Такая технология обеспечивает достаточный уровень количества щелочного металла в ячейках.

Пример. С помощью газовой горелки из боросиликатного стекла, прозрачного для лазерного излучения, изготавливалась ячейка 1 диаметром ~5 мм через перетяжку 3, соединенная с технологической ампулой 2 диаметром 12-14 мм и длиной 60-70 мм. В среднюю часть ампулы 2 загружалась капсула 4 с цезием в количестве 5 мг. Длина капсулы 4 составляла 17,5 мм, диаметр 1,6 мм при толщине стенок 0,25 мм. Ампула 2 с ячейкой 1 откачивалась до вакуума 6,65⋅10^-4 Па и обезгаживалась в течение 6 часов при температуре (473±10) К. Для разрушения капсулы 4 указанной геометрии использовалась лазерная установка ЛТА4-1 c импульсным типом лазера на основе Nd:YAG, длиной волны лазерного излучения 1,065 мкм, током накачки 150А, частотой 1,5 Гц и длительностью импульса 10 мс. После разрушения капсулы 4 большая часть цезия, имеющего, характерный металлический золотистый цвет, перемещалась в зону между перетяжкой 3 и капсулой 4, т.е. в зону перегонки. Далее в ампулу 2 в течение 30-40 с напускался буферный газ - азот до давления 1,33⋅10⁴ Па. Визуально было видно, что на стенках ампулы в зоне очистки образовывался налет бронзово-коричневого оттенка, что соответствует цвету субоксидов цезия Cs₄O и Cs₇O. После этого с помощью газовой горелки формировалась зона нагрева, которая перемещалась в направлении ячейки 1, обеспечивая перегонку паров цезия в ячейку 1, в которой эти пары конденсировались и формировалась жидкая фаза цезия. Температура зоны нагрева составляла (785±15)К.

Данный способ обеспечивает расширение технологических возможностей изготовления ячейки за счет создания дополнительных управляющих факторов процесса заполнения ячейки газовой смесью, которые связаны с формированием в технологической ампуле двух зон - зоны очистки буферного газа - азота и зоны перегонки. Очистка азота повышает чистоту газовой смеси в ячейке, что улучшает ее функциональные параметры, а зона перегонки обеспечивает перегонку в ячейку только газообразной и жидкой фазы цезия, исключая возможные процессы разложения при нагреве продуктов взаимодействия цезия и примесных газов. При этом формирование зоны перегонки возможно только при разрушении капсулы с цезием взрывным методом с помощью импульсного лазерного воздействия в течение короткого времени (миллисекунды) и при условии определенной ориентации капсулы в ампуле, размещении цезия с одной стороны ампулы и фокусировке лазерного луча на конце капсулы, в котором размещен цезий. Важным аспектом является перемещение зоны нагрева при перегонке цезия в ячейку только в пределах сформированной зоны перегонки. Кроме того, данная технология обеспечивает перегонку цезия преимущественно в парообразном состоянии. Это является принципиальным моментом, поскольку снимает ограничения по внутреннему диаметру перетяжки, соединяющей ячейку с ампулой, улучшая условия отпайки ячейки, что также расширяет технологические возможности способа.

Таким образом, предлагаемый способ изготовления малогабаритных оптических резонансных газовых ячеек с парами атомов щелочных металлов решает задачу расширения технологических возможностей их производства. Повышение уровня управляемости процессом их заполнения и исключение неопределенности, связанной с особенностями разрушения капсулы с цезием, и минимизацией посторонних примесей в газовой среде ячейки, обеспечивает улучшение эксплуатационных свойств ячеек. В частности, это проявляется в сужении на 10-30 % ширины линий оптического и магнитного резонанса (составляющая уширения от столкновения атомов цезия с посторонними примесями снижается в 5-10 раз) и достижении на 15-20 % лучшего отношения сигнал/шум, что, в свою очередь, повышает чувствительность квантовых магнитометров и ядерных магнитных гироскопов, а также улучшает стабильность атомных часов.

На данный момент на предприятии предлагаемый способ был опробован при изготовлении опытной партии ячеек магнитометра с получением положительных результатов.

В настоящее время разрабатывается техническая документация для использования способа в серийном изготовлении этих приборов.

Кроме того обеспечивается повышение качества и конкурентоспособности квантовых приборов за счет улучшения характеристик ячеек, таких как отношение сигнал/шум и долговечность, а также снижения себестоимости их производства. Достигается это благодаря расширению технологических возможностей и упрощению процесса заполнения ячеек газовой смесью, снижению брака и отсутствию необходимости использования сложного оборудования. Способ также открывает возможности для миниатюризации ячеек и расширяет спектр их применения благодаря универсальности по отношению к различным щелочным металлам и буферным газам, что способствует расширению области применения квантовых технологий.

Изобретение относится к области точного приборостроения и предназначено для изготовления газовых ячеек, используемых в квантовых приборах, таких как магнитометры, гироскопы и атомные часы. Способ включает формирование стеклянного сферического корпуса ячейки, соединенного через перетяжку со стеклянной ампулой, в средней части которой размещают запаянную стеклянную капсулу с щелочным металлом, например, особо чистым металлическим цезием. Цезий в капсуле располагают со смещением к одному из ее концов, а саму капсулу ориентируют в ампуле свободным от цезия концом в сторону перетяжки. После вакуумирования и обезгаживания ампулы и ячейки капсула вскрывается импульсным лазерным воздействием, после чего в ампуле формируются зона перегонки и зона очистки. Далее ампулу и ячейку заполняют буферным газом, таким как азот, который, проходя через зону очистки, освобождается от примесей за счет их взаимодействия с активным цезием. После перегонки цезия в ячейку, путем нагрева зоны перегонки ампулы, ячейку герметично отпаивают. Технический результат заключается в повышении уровня управляемости процессом заполнения ячеек парами щелочных металлов и минимизации количества посторонних примесей в газовой среде, что ведет к улучшению эксплуатационных свойств ячеек. Это проявляется в сужении ширины линий оптического и магнитного резонанса и достижении лучшего отношения сигнал/шум. 1 ил.

Способ изготовления малогабаритных оптических резонансных ячеек с парами атомов щелочных металлов, например цезия, при котором осуществляют формообразование стеклянного сферического корпуса ячейки, соединенного через перетяжку с одним концом технологической стеклянной ампулы, в которую помещают дозатор, например, в виде заполненной цезием запаянной стеклянной капсулы, ампулу соединяют со средствами откачки и источником буферного газа, вакуумируют и обезгаживают ампулу и ячейку, заполняют ампулу парами цезия посредством разрушения капсулы внешним воздействием и буферным газом-азотом с давлением буферного газа Р_б.г., при этом перегонку цезия в ячейку осуществляют посредством формирования на ампуле зоны нагрева, которую перемещают в сторону ячейки, и отпаивают ячейку, отличающийся тем, что источник буферного газа - азота подсоединяют к противоположному относительно ячейки концу ампулы, цезий в капсуле располагают со смещением к одному из ее концов, капсулу устанавливают в средней части ампулы, ориентируя капсулу концом, свободным от цезия, в сторону перетяжки, разрушение капсулы осуществляют, нагревая ее импульсным лазерным излучением, фокусируя лазерный луч на конце капсулы, в котором размещен цезий, заполнение ампулы буферным газом-азотом производят сразу же после разрушения капсулы с цезием, перемещаемую зону нагрева для перегонки цезия в ячейку формируют между капсулой и перетяжкой и задают температуру зоны нагрева Т_п, равную температуре парообразования цезия при величине давления буферного газа Р_б.г..