Способ изготовления газовых ячеек для квантового стандарта частоты Советский патент 1984 года по МПК H01J9/18 

эо

эо о эо :л

Изобретение относится к технол«1ггии электронных устройств и предназначено для изготовления газовых ячеек для квантовых стандартов частоты с оптической накачкой.

Известен способ изготовления газовых ячеек путен вакуумирования обезгаживания баллонов, ячеек, наполнения их металлом и буферными газами кaJ ибpoвки, и отпаивания от вакуумной схемы 1 .

Однако газовые ячейки, изготовленные этим способом, имеют погрешности номинального значения частоты около 30 Гц, что недостаточно при повышенных требованиях к точностным характеристикам газовых ячеек.

Кроме того,недостатком этого способа является также ;го нетехнологичность, вызванная наличием двух отпаев, что приводит к. сдвигу частоты газовых ячеек из-за газовьделений из стекла во внутренний объем газовых ячеек. Наличие двух отпаев и связанное с этим газовыделение приводит также к уменьшению надежности газовых ячеек.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ изготовления газовых ячеек для квантового стандарта частоты, включающий вакуумирование газовых ячеек, обезгаживание при 300-350 С, наполнение смесью инертных газов и щелочным металлом, калибровку, отпаивание и измерение действительного Значения частоты (ДЗЧ) 2j .

Однако газовые ячейки являются недостаточно надежными (интенсивность отказов составляет (3-5)«10 и имеют неудовлетворительную долговременную стабильность на протяжении срока службы, величина которой

составляет j (4-5). 10 , где f и

f - значение частоты и изменение частоты.

Кроме того, наблюдается выход в брак до 10% изделий из-за несоответстзвия требуемым значениям ДЗЧ.

Целью изобретения является повышение выхода годных изделий.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу изготовления газовых ячеек для квантового станйарта частоты, включающему вакуумирование газовых ячеек, обезгаживание при температуре 300-350 С, наполнение смесью инертных газов и щелочным металлом, калибровку, отпаивание и измерение действительного значения частоты, после измере5 ния действительного значения частоты газовые ячейки нагревают до температуры 140-180°С, вьвдерживают при этой температуре в течение 1525 ч, охлаждают до комнатной тем10 пературы и дополнительно измеряют действительное значение частоты, причем операции нагрева, выдержки и охлаждения повторяют 1-7 раз,пока относительная разность между двумя 15 последовательными измерениями не станет меньше .

Скорость нагрева и охлаждения ячеек не должна превьш1ать , чтобы исключить возможность темпе0 ратурного растреекивания стекла.

Физическая суть способа заключается в том, что при выдержке от 140 до 180 С с внутреннего поверхностного слоя стекла ячейки происходит 5 вьщеление молекул , СО, CHg, , N11, С02 и т.д. В результате взаимодействия рубидия с активной составляющей газовьщелений (в основном представляющей собой пары Q воды) вьщеляется водород, который вызывает сдвиги частоты СВЧ перехода в атомах рубидия в газовой ячейке.

При температуре меньше 140°С процесс газовьвделения с поверхностного слоя протекает замедленно, а при температуре свьш1е происходит интенсивное газовьщеление из внутреннего объема стекла, что приводит к смещению величины ДЗЧ.

Рассмотрим изготовление трех газовых ячеек со значением частоты f 6834682612,5 Гц, при погрешности, измерительной аппаратуры uf 1 Гц (bf/f 1,5.10 ).

Приваривают три заготовки газовых ячеек к вакуумному мосту, вакуумируют их до 110 Па, обезгаживают при 320 С, наполняют смесью инертных газов Ng+Kr и щелочным металлом Rb 87, откалибровывакй в аппаратуре калибровки газовых ячеек и отпаивают от вакуумного моста.Затем измеряют ДЗЧ газовых ячеек: fj 6834682535,5 Гц, 4 6834682535,3 Гц, f 6834682535,7 Гц. После этого газо5 вые ячейки нагревают в термостате со скоростью 35-45 /4 до 150 С, выдерживают при этой температуре 24 ч и со скоростью 35-45 /4 охлаждают до кoмнatнoй температуры, затем вторично измеряют ДЗЧ,которые получены равными: f| 6834682538,3 Гц, f| 6834682537,1 Гц, fj 6834682540,0 Гц. Определяют разности (f п сравнивают с 1 fu г-Д п номер газовой ячейки, i - порядковый номер операции. 6834672539,8 Гц} If 6834682538,0 Гц; /f| 6834682542,0 Гц, / Вторую ячейку можно считать изготовленной, а с первой и третьей повff 6834682540,3 Гц; /f - 0,5 Гц, д 1 Гц{ 6834682542,5 Гц; /f| - f|/ 0,5 Гц, л 1 ГЦ,

и так как i f /fi - то ячейки также считаются изготовленными. Экспериментально установлено,что 15-25 ч являются оптимальными для вьщержки газовых ячеек. При вьщержке менее 15 ч процесс протекает замедленно, а при вьщержке более 25 ч происходит интенсивное газовыделение из внутреннего объема стекла, что приводит к смещению величин ДЗЧ. Увеличение количества указанных циклов более семи нецелесообраз но из-за чрезмерного увеличения вре мени изготовления ячеек. ,.8Гц &1-Чгц-Й-{ 1Н.8Гц7йЫГи,-, ,|-4..1Гц. Таким образом, после - первого цикла все ячейки имеют отклонение частоты больше заданного. Снова проводят операции нагрева, вьщержки,охлаждения и измерения частоты и сравнения ее значения с заданным, В результате получено Ц 1,5 Гц и f 1 Гц f|/ 0,9 Гц «: uf 1 Гц Ц 2,0 Гц д f 1 Гц торяют цикл нагрева, вьодержки и охлаждения. Новые зкачення частоты По сравнению с известным способом надежность газовых ячеек, изготовленных по предлагаемому способу повьшена в-2 раза. Кроме того, улучшена долговременная стабильность газовых ячеек, которая не превышает 1-1P , что в 4 раза меньше, чем по известному . способу. Изготовление газовых ячеек по предлагаемому способу способствует созданию квантовых стандартов частоты повышенной надежности и стабильности.

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ГАЗОВЫХ ЯЧЕЕК ДЛЯ КВАНТОВОГО СТАНДАРТА ЧАСТОТЫ, включающий вакуумирование газовьк ячеек, обезгаживание при температуре 300-350°С, наполнение смесью инертных газов и щелочным металлом, калибровку, отпаивание и измерение действительного значения частоты, отличающийся тем, что, с целью повьппения выхода годных,после измерения действительного значения частоты газовые ячейки нагревают до 140-180 С, вьдерживают при этой температуре в течение 15-25 ч, охлаждают до комнатной температуры и дополнительно измеряют действительное значение частоты, причем операции Нагрева, выдержки и охлаждения повi торяют 1-7 раз, пока относительная разность между двумя последователь(Л ными измерениями не станет меньше .