Способ изготовления малогабаритных атомных ячеек с парами атомов щелочных металлов
SMALL-SIZED NUCLEAR CELLS WITH ALKALI METALS ATOMS VAPORS MANUFACTURING METHOD

Изобретение относится к способам изготовления малогабаритных атомных ячеек с парами атомов щелочных металлов и может быть использовано при изготовлении квантовых приборов различного применения.
Стеклянные ячейки, наполненные парами атомов щелочных металлов, применяют в малогабаритных атомных часах, 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 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 [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.
2
2
Из уровня техники известен способ изготовления малогабаритных атомных ячеек с парами атомов щелочных металлов, который включает нагрев окна и торца заготовки ячейки, приварку окна к одному из торцов заготовки и их отжиг излучением СO-лазера, термообработку заготовки, откачку и последующее заполнение парами щелочного металла в вакууме. Затем напыленный металл со стенок заготовки испаряют СO-лазером и герметизируют ячейку путем установки прозрачного окна на втором торце заготовки ячейки и его приварки к торцу лазером (патент RU 2554358 С1 27.06.2015).
2
Из уровня техники также известен способ изготовления малогабаритных оптических резонансных ячеек с парами атомов щелочных металлов, выбранный в качестве прототипа, заключающийся в том, что изготавливают стеклянный корпус ячейки. В одной из нерабочих стенок каждой из ячеек выполняют сквозное осесимметричное отверстие с диаметром, увеличивающимся в направлении от внутренней поверхности ячейки к наружной. Располагают ячейки в вакуумной камере в гнездах карусели отверстием кверху и проводят откачку камеры, термообработку и обезгаживание ячеек. После отключения нагрева и охлаждения ячеек до температуры около 0°С вскрывают ампулу со щелочным металлом, подводят дозатор с подогретой до 230-250°С ампулой к ячейке, сопло ампулы дозатора располагают над отверстием ячейки. После загрузки щелочного металла в ячейку поворачивают карусель ячеек, направляя сопло ампулы дозатора в отверстие следующей ячейки. После заполнения всех ячеек щелочным металлом нагрев ампулы отключают и заполняют все ячейки, находящиеся в камере, смесью рабочих газов. Герметизацию ячеек осуществляют путем установки в отверстие каждой стеклянного шарика, диаметр которого больше меньшего диаметра отверстия, но меньше толщины стенки ячейки, и облучают шарик направленным на его центр пучком излучения СО-лазера с диаметром, превышающим диаметр шарика, до оплавления шарика и его сварки со стенкой ячейки (патент RU 2578890 С1 27.03.2016).
Недостатком данных способов является длительное время герметизации ячеек, что ведет к выделению большого количества примесей в ячейку, вследствие чего работа ячеек обладает низкой стабильностью. Кроме того, использование шарика приводит к образованию плохо контролируемой выпуклости на боковой поверхности ячейки, что увеличивает размеры изделия.
Заявленное изобретение направлено на повышение качества и воспроизводимости характеристик ячеек с обеспечением технического результата, заключающегося в уменьшении возможности попадания вредных примесей внутрь ячейки.
2
Данный технический результат обеспечивается благодаря способу изготовления малогабаритных атомных ячеек с парами атомов щелочных металлов, заключающемуся в изготовлении заготовок ячеек путем нарезания длинной стеклянной трубки на заготовки равной длины, в выполнении отверстия, в сварке отрезков трубок цилиндрического сечения с окошками и последующем отжиге заготовок ячеек в печи, расположении ячеек в вакуумной камере в гнездах карусели отверстием кверху, осуществлении откачки, термообработки, обезгаживании и заполнении ячеек парами атомов щелочных металлов, герметизации ячеек. При этом термообработка и заполнение ячеек парами атомов щелочных металлов проводятся в вакууме. В процессе изготовления заготовок ячеек отверстие выполняют смещенным к одному из рабочих торцов, а также дополнительно выполняют второе отверстие, диаметр которого меньше диаметра первого отверстия, при этом сварку производят при вращении свариваемых деталей вокруг их оси симметрии, заполняют все ячейки на карусели парами атомов щелочных металлов через большее отверстие. После этого осуществляется заполнение рабочей камеры инертным газом до давления, обеспечивающего наилучшее качество герметизации. В среде инертного газа происходит заплавление загрузочного отверстия каждой ячейки с помощью излучения СО-лазера, после этого производится откачка рабочей камеры и газов из ячеек, в том числе и примесных газов, выделившихся при заплавлении большого отверстия. Затем осуществляется напуск буферных газов. Финальная герметизация ячеек осуществляется с помощью заплавления меньшего отверстия корпуса каждой ячейки.
Дополнительной особенностью является то, что в качестве щелочного металла используют изотопы рубидия, калия или используют цезий.
Дополнительной особенностью является то, что охлаждение заготовок осуществляют парами азота.
Дополнительной особенностью является то, что в качестве буферных газов используется аргон, неон или азот.
Дополнительной особенностью является то, что сварку отрезков трубок цилиндрического сечения с окошками осуществляют при атмосферном давлении.
Дополнительной особенностью является то, что сварку отрезков трубок цилиндрического сечения с окошками производят при вращении свариваемых деталей вокруг их оси симметрии со скоростью несколько оборотов в секунду.
Дополнительной особенностью является то, что окончательный отжиг герметизированных ячеек производят при вращении вокруг их оси симметрии со скоростью несколько оборотов в секунду.
Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.
При предварительном изготовлении корпусов ячеек длинную трубку из боросиликатного стекла 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 дисперсным напылением высверливают отверстие, смещенное к одному из рабочих торцов. При этом дополнительно с помощью импульсного лазера выполняют второе отверстие, диаметр которого меньше первого отверстия.
Затем изготавливают заготовки ячеек, осуществляя сварку отрезков трубок цилиндрического сечения с окошками (донышками) при атмосферном давлении и последующий отжиг заготовок в печи для снятия остаточных механических напряжений, которые могут приводить к нежелательному изменению поляризации лазерного излучения из-за наведенного двулучепреломления. Сварку производят при вращении свариваемых деталей вокруг их оси симметрии со скоростью несколько оборотов в секунду.
Полученные заготовки ячеек при открытой крышке вакуумной камеры размещают на карусели отверстием вверх.
-6
Затем крышку вакуумной камеры герметично закрывают и откачивают вакуумную систему до давления не выше 5*10 Торр. Далее ячейки обезгаживают при температуре 300°С в течение 6 часов с помощью нагревателя. Для концентрации теплового потока на ячейках служит экран.
Затем нагрев отключают и после остывания ячеек до комнатной температуры с помощью механизма перемещают дозатор со стеклянной ампулой с капиллярным выходом и круговой насечкой в месте вскрытия. При перемещении механизмом дозатора с ампулой кончик ее сопла наталкивается на устройство для вскрытия ампулы (упор) и происходит слом сопла по насечке. В результате сопло, являющееся капиллярным выходом паров металла, оказывается открытым.
Дозатор с ампулой со щелочным металлом (цезий, изотопы рубидия (рубидий-85, рубидий-87) или изотопы калия (калий-39, калий-40, калий-41)) подводят к отверстию ячейки большего диаметра, одновременно охлаждая ячейки, и производят загрузку ячейки необходимым количеством щелочного металла. Контроль ведут через смотровые окна.
Для обеспечения потока атомов щелочного металла из ампулы в ячейки, ампулу нагревают с помощью нагревателя, встроенного в дозатор. Температура ампулы подбирается в пределах 230-250°С.
Не изменяя режима нагрева ампулы, карусель с ячейками поворачивают на определенный угол и подводят отверстие большего диаметра следующей ячейки под поток атомов щелочного металла из сопла ампулы. Процедуру повторяют столько раз, сколько ячеек размещено в карусели, чтобы щелочной металл оказался во всех ячейках. Для осаждения и лучшего удержания щелочного металла внутри ячеек карусель, в которой они расположены, охлаждают парами азота, пропускаемыми по герметичному газопроводу (каналу).
После заполнения всех ячеек, нагрев дозатора выключают и возвращают дозатор в исходное положение.
2
-6
После заполнения всех ячеек парами атомов щелочных металлов происходит заполнение рабочей камеры инертным газом до давления, обеспечивающего наилучшее качество герметизации. В среде инертного газа происходит заплавление загрузочного отверстия каждой ячейки с помощью излучения СО-лазера. После этого производится откачка рабочей камеры и газов из ячеек в том числе и примесных газов, выделившихся при герметизации большего отверстия до давления порядка 10 Торр (щелочной металл остается в ячейке). Затем осуществляется напуск буферных газов требуемых давлений, где в качестве буферных газов используется аргон, неон или азот. Финальная герметизация ячеек осуществляется с помощью заплавления меньшего отверстия корпуса ячеек. Уменьшение возможности попадания вредных примесей достигается путем заплавления отверстия меньшего диаметра, чем диаметр загрузочного отверстия, с нагревом меньшей области корпуса ячейки и меньшим газовыделением из него.