(57)【要約】【課題】原子センサ用の物理パッケージを形成する方法を提供すること。【解決手段】原子センサ用の物理パッケージを形成する方法は、それぞれ複数の縁部を有する複数のパネルを設けるステップと、隣接するパネルの縁部が互いに位置合わせされるように、パネルを３次元多面幾何学形状に組み立てるステップとを含む。ゾルゲル材料がパネルの縁部に塗付され、ゾルゲル材料を硬化させて、隣接するパネルを共に気密シールする。【選択図】図１
2014060383.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれ複数の縁部を有する複数のパネルを設けるステップと、
隣接するパネルの前記縁部が互いに位置合わせされるように、前記パネルを３次元多面幾何学形状に組み立てるステップと、
ゾルゲル材料を前記パネルの前記縁部に塗付するステップと、
前記ゾルゲル材料を硬化させて、隣接するパネルを共に気密シールするステップとを含む、原子センサ用の物理パッケージを形成する方法。
【請求項２】
隣接するパネルの縁部が複数の合わせ目で互いに位置合わせされるように、３次元多面幾何学形状に共に結合された複数のパネルと、
前記合わせ目を気密シールする硬化したゾルゲル材料とを備えた、原子センサ用の物理パッケージ。
【請求項３】
物理パッケージの漏れまたは亀裂を検出するステップと、
ゾルゲル材料を前記漏れまたは亀裂に塗付するステップと、
前記ゾルゲル材料を硬化させて前記漏れまたは亀裂をシールするステップとを含む、原子センサ用の物理パッケージを修理する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
連邦政府の支援による研究または開発に関する記述
[0001]本発明は、米国陸軍により認められた契約番号第Ｗ３１Ｐ４Ｑ−０９−Ｃ−０３４８号の下で政府の支援によってなされたものである。政府は本発明における一定の権利を有する。
【背景技術】
【０００２】
[0002]従来、原子時計等の一次時間標準器は、比較的大型の卓上型装置である。例えば、従来の原子時計の物理パッケージは、大型になる傾向があり、高価な支持システムを必要とする。多くの適用において、物理パッケージの大きさを小さくすること等により一次時間標準器の寸法を小さくすることが望ましい。しかし、物理パッケージが非磁性材料からなる複数の窓、鏡、および気密シールを必要とするため、物理パッケージをより小さくすることには特有の複雑な問題がある。
【０００３】
[0003]原子時計の寸法をより小さくする必要は、現在の形成技術に対する挑戦である。加えて、原子時計の寸法を小さくすると、鏡および窓が縮小するため原子時計の性能に影響を与える。さらに、内部容積の減少によって、原子時計の性能に悪影響を与える。
【０００４】
[0004]原子時計用の物理パッケージを製造するための現在の方法は、高温フリット鏡、窓、および注入口を固定装置により取り付けるための複数の孔を有するガラス体の機械加工を含む。フリットによる製造中に漏れまたはシールの開放が生じることがあるため、通常、フリットペーストの混合物を漏れの領域に塗付し、物理パッケージ全体を再固定し、フリット炉を通して物理パッケージを送り返す必要がある。これは、まだ固定装置にあるときに漏れがすぐに見つからなければ、フィルステーションから完全に分解することを必要とする。
【０００５】
[0005]場合によっては、真空ステーションを取り付けた時計にシリコーンゲルを使用して、漏れを一時的にシールしている。しかし、シリコーンは移行する可能性が高く、容易に除去されない。したがって、シリコーンは実験室や工場を汚染すると共に、結合を妨げるため、汚染された製品を廃棄しなければならなくなるおそれがある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
[0006]原子センサ用の物理パッケージを形成する方法は、それぞれ複数の縁部を有する複数のパネルを設けるステップと、隣接するパネルの縁部が互いに位置合わせされるように、パネルを３次元多面幾何学形状に組み立てるステップとを含む。ゾルゲル材料がパネルの縁部に塗付され、ゾルゲル材料を硬化させて、隣接するパネルを共に気密シールする。
【０００７】
[0007]図面が例示的な実施形態を示すものに過ぎないため、範囲を限定するものと考えるべきではないことを理解して、添付図面を使用しながら、例示的な実施形態について、さらなる特異性および詳細と共に説明する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】[0008]ゾルゲル材料により気密シールされた、一実施形態による原子センサの物理パッケージの物理ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
[0009]以下の詳細な説明では、当業者が本発明を実施できるように十分に詳細に実施形態について説明する。本発明の範囲を逸脱することなく、他の実施形態を使用してもよいことを理解されたい。したがって、以下の説明を、限定的な意味で解釈すべきではない。
【００１０】
[0010]原子センサを気密シールするための方法は、ソリューションゲル（ゾルゲル）技術を使用する。本方法を、原子センサ用の新規の物理パッケージの形成に適用することができ、かつ既存の物理パッケージの修理または再加工に適用することができる。加えて、ゾルゲル材料で気密シールされた物理パッケージが提供される。
【００１１】
[0011]本手法は、ゾルゲル材料（水ガラスとしても知られる）を使用して、原子時計等の原子センサの物理パッケージを気密シールすることにより、高温フリット処理の必要をなくすことができる。物理パッケージの部品の嵌合縁部をゾルゲルウィッキングおよびシールすることにより、気密シールを達成することができる。あるいは、ゾルゲル材料を、部品の外面に隅肉または表皮として塗付することにより、物理パッケージの部品を共にシールすることができる。
【００１２】
[0012]ゾルゲル材料は永久シールとして塗付され、室温で塗布され、室温または最小限の熱で硬化し得、完全に硬化すると、高温処理が可能になる。例えば、ゾルゲルシールは、硬化すると、真空ステーション処理および約３００℃までの加熱に耐える。ゾルゲル材料は、物理パッケージのシール中に汚染が発生しないという点で有利である。
【００１３】
[0013]原子センサ用の物理パッケージを形成する例示的な方法において、種々の窓および鏡を備えた複数のパネルが設けられる。パネルをガラスまたは他の光学材料から形成することができる。パネルを３次元多面幾何学形状に組み立てて、隣接するパネルの縁部が複数の合わせ目で互いに位置合わせされるようにする。例えば、種々の光学パネルを支持フレーム構造の周りに組み立てて定位置に固定し、パネル縁部が共に位置合わせされるようにすることができる。その後、ゾルゲル材料を隣接するパネルのすべての合わせ目に塗付する。あるいは、パネルを支持フレーム構造の周りに組み立てる前に、ゾルゲル材料をパネル縁部に塗付することができる。ゾルゲル材料の毛管作用、ウィッキング、または拡散を使用して、塗布後にパネルの合わせ目を充填することができる。任意選択として、染料をゾルゲル材料に加えて、すべての合わせ目がゾルゲル材料で確実に覆われるように補助することができる。ゾルゲル材料は、塗布前または後に気泡を有するおそれがあるため、真空処理ステップを追加して、在庫の、および／または塗布されたゾルゲル材料から気泡を除去することができる。
【００１４】
[0014]その後、ゾルゲル材料を硬化させて、パネル合わせ目を気密シールする。硬化中に収縮が生じるため、パネル合わせ目のシールを維持するのに十分なゾルゲル材料が必要である。組み立てたパネルを処理して、ゾルゲル材料中の液体（溶媒）を相分離することができる。例えば、遠心分離プロセスを使用して、相分離の速度を上げることができる。その後、低温熱処理を行って、シールの構造的安定性についての機械特性を高めることができる。この熱処理は、焼結、緻密化、および粒成長のための低温焼成である。
【００１５】
[0015]本技術で使用されるゾルゲル材料は、種々の化学物質を含み得る。適切な例として、ケイ酸ナトリウム、ケイ酸カリウム、ジルコニア、二酸化ケイ素、ナトリウムメトキシド、または他の金属アルコキシドがある。ゾルゲル材料を、ソリューション状またはゲル状で塗布することができる。ゾルゲル材料を、シリンジによる等、手で塗布することができ、またはスピンコーティングもしくはディップコーティング等の従来の被覆プロセスを使用して塗付することができる。被覆プロセスの使用時には、ゾルゲル材料で被覆されない領域をマスクで覆うことができる。
【００１６】
[0016]図１は、本技術によりシールされる、一実施形態による原子センサの物理パッケージの物理ブロック１００を示す。物理ブロック１００は、窓および鏡を有する複数のパネル１０２を備え、このパネル１０２は、多面形状を有する３次元構造に組み立てられる種々の多角形を有する。少なくとも１つのパネル１０４が充填チューブ開口１０６を有する。パネル１０２、１０４の縁部が複数の合わせ目１０８で位置合わせされ、ゾルゲル材料により共に気密シールされる。シールされた物理ブロック１００は、物理パッケージ用の内部真空チャンバを囲むように構成される。
【００１７】
[0017]また、本技術を、原子センサ用の物理パッケージを修理または再加工する際に使用することができる。物理パッケージの漏れまたは亀裂が検出されると、ゾルゲル材料が漏れまたは亀裂の領域に塗付される。その後、ゾルゲル材料を硬化させて漏れまたは亀裂をシールする。物理パッケージが真空ステーションに取り付けられているときに、物理パッケージの部品を分解する必要なく、修理または再加工を行うことができる。
【００１８】
[0018]本方法を使用して、予めフリットにより形成された気密シールの漏れまたは亀裂を修理し、またはガラスの亀裂、割れ、もしくは他の材料のシール不備をシールすることができる。例えば、原子時計を送り返して、フリット処理による長い再加工サイクルを行う代わりに、原子時計内の漏れのあるフリットシールを容易に修理することができる。加えて、ゾルゲル材料を使用して、光学シール、金属シール、またはゾルゲル材料により予めシールされた、漏れのあるアセンブリにパッチすることができる。ゾルゲルのパッチを、ウィッキングおよび、表皮または斑点の形成により施すことができる。原子センサ本体の漏れのあるシールまたは割れをパッチすることにより、形成された原子センサを廃棄する代わりに救済することができる。
【００１９】
[0019]加えて、本技術を使用し、原子センサの内面の亀裂をシールして、物理パッケージの「仮想の」漏れを防ぐこともできる。仮想の漏れは、チャンバ内に閉じ込められ、内部溶接割れ等の非常に小さい亀裂により生じるガス発生源である。ガスは外部に漏れていないが、物理パッケージの内部チャンバ内の圧力を変化させ得る。ゾルゲル材料をこのような割れに塗付して、仮想の漏れを修理し、割れが広がるのを防ぐ。
【００２０】
[0020]ゾルゲル材料を手で塗布するための例示的な方法では、組み立てられる部品、またはパッチされる領域／割れが、脱脂、オゾン塗布、有機洗浄、酸化物ストリップ、イオン洗浄、脱イオン水洗浄、酸素プラズマ等により洗浄される。その後、ゾルゲル材料がシリンジにより塗付されて、シール領域を覆う。ソリューションが塗布された後、軽い圧力または重力を使用して、部品が分離されないようにする。例えば、鏡等のパネルが、固定されない場合、軽い圧力で保持され得る。
【００２１】
[0021]ゾルゲル材料は、迅速に表皮を形成し、外側から内側に乾燥するため、ゾルゲル材料を定位置に保持することによって、確実に室温で完全硬化する。ゾルゲル材料をより迅速に設けるためには、より高い硬化温度が必要とされ、またはより高い硬化温度が使用可能であり、さらに高い硬化温度を使用することができる。
【００２２】
[0022]原子センサの形成または再加工中に、便宜上、ゾルゲル材料を種々のゲルプリフォームに形成することができる。例えば、ゾルゲル材料を、所望の形状のプリフォームを有する適切なコンテナに流し込むことができる。ゾルゲルプリフォームをパネルに塗付することができ、その粘性、重力により、または液体ゾルゲルを粘着流体として使用することにより、ゾルゲルプリフォームを定位置に保持することができる。
例示的実施形態
[0023]例１は、それぞれ複数の縁部を有する複数のパネルを設けるステップと、隣接するパネルの縁部が互いに位置合わせされるように、パネルを３次元多面幾何学形状に組み立てるステップと、ゾルゲル材料をパネルの縁部に塗付するステップと、ゾルゲル材料を硬化させて、隣接するパネルを共に気密シールするステップとを含む、原子センサ用の物理パッケージを形成する方法を含む。
【００２３】
[0024]例２は、パネルがガラスパネルを備える、例１の方法を含む。
[0025]例３は、ガラスパネルが窓または鏡を備える、例２の方法を含む。
[0026]例４は、ゾルゲル材料が、ケイ酸ナトリウム、ケイ酸カリウム、ジルコニア、二酸化ケイ素、ナトリウムメトキシド、または金属アルコキシドを含む、例１〜３のいずれかの方法を含む。
【００２４】
[0027]例５は、ゾルゲル材料がシリンジにより塗布される、例１〜４のいずれかの方法を含む。
[0028]例６は、ゾルゲル材料がスピンコーティングまたはディップコーティングにより塗布される、例１〜４のいずれかの方法を含む。
【００２５】
[0029]例７は、ゾルゲル材料を室温で硬化させる、例１〜６のいずれかの方法を含む。
[0030]例８は、物理パッケージが原子時計用に構成される、例１〜７のいずれかの方法を含む。
【００２６】
[0031]例９は、隣接するパネルの縁部が複数の合わせ目で互いに位置合わせされるように、３次元多面幾何学形状に共に結合された複数のパネルと、合わせ目を気密シールする硬化したゾルゲル材料とを備えた、原子センサ用の物理パッケージを含む。
【００２７】
[0032]例１０は、パネルがガラスパネルを備える、例９の物理パッケージを含む。
[0033]例１１は、ガラスパネルが窓または鏡を備える、例１０の物理パッケージを含む。
【００２８】
[0034]例１２は、ゾルゲル材料が、ケイ酸ナトリウム、ケイ酸カリウム、ジルコニア、二酸化ケイ素、ナトリウムメトキシド、または金属アルコキシドを含む、例９〜１１のいずれかの物理パッケージを含む。
【００２９】
[0035]例１３は、物理パッケージが原子時計用に構成される、例９〜１２のいずれかの物理パッケージを含む。
[0036]例１４は、物理パッケージの漏れまたは亀裂を検出するステップと、ゾルゲル材料を漏れまたは亀裂に塗付するステップと、ゾルゲル材料を硬化させて漏れまたは亀裂をシールするステップとを含む、原子センサ用の物理パッケージを修理する方法を含む。
【００３０】
[0037]例１５は、ゾルゲル材料が、ケイ酸ナトリウム、ケイ酸カリウム、ジルコニア、二酸化ケイ素、ナトリウムメトキシド、または金属アルコキシドを含む、例１４の方法を含む。
【００３１】
[0038]例１６は、漏れまたは亀裂が物理パッケージの１つまたは複数のガラスパネルにある、例１４または１５の方法を含む。
[0039]例１７は、ガラスパネルが窓または鏡を備える、例１６の方法を含む。
【００３２】
[0040]例１８は、ゾルゲル材料がシリンジにより塗布される、例１４〜１７のいずれかの方法を含む。
[0041]例１９は、ゾルゲル材料を室温で硬化させる、例１４〜１８のいずれかの方法を含む。
【００３３】
[0042]例２０は、物理パッケージが原子時計用に構成される、例１４〜１９のいずれかの方法を含む。
[0043]本発明を、その基本的な特徴から逸脱することなく他の形で実施することができる。記載した実施形態は、あらゆる点で例示的なものに過ぎず、限定的なものではないと考えるべきである。したがって、本発明は、特許請求の範囲およびその相当部分のみによって限定されるものである。
【符号の説明】
【００３４】
１００  物理ブロック
１０２、１０４  パネル
１０６  充填チューブ開口
１０８  合わせ目
【図１】
2014060383.tif 000003
【外国語明細書】
2014060383000001.pdf