УСТАНОВКА ДЛЯ ЗАПОЛНЕНИЯ ЯЧЕЕК ЩЕЛОЧНЫМ МЕТАЛЛОМ

Полезная модель относится к устройствам для заполнения ячеек щелочным металлом и может быть использована при изготовлении стандартов частоты СВЧ диапазона, квантовых магнитометров, гироскопов, в системах стабилизации частоты для установок по охлаждению атомов, в учебных лабораторных работах.
Наиболее близким аналогом предлагаемой является установка для заполнения ячеек (емкости) щелочными металлами, включающая вакуумную камеру, ампулу (дозатор), устройство для вскрытия ампулы, расположенные в отдельном вакуумированном отсеке, отделенном от вакуумной камеры затвором, устройство для перемещения ампулы из отсека в вакуумную камеру [Заявка на патент US 2012321433. опубл. 20.12.2012].
Недостатком известного устройства являются неэкономичное использование и невозможность дозированного заполнения ячейки дорогостоящим изотопом щелочным металлом и невозможность их герметизации.
Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в повышении производительности вакуумной установки, экономии дорогостоящего изотопа щелочного металла.
Указанный технический результат достигается тем, что установка для введения в ячейки щелочных металлов, включающая вакуумную камеру устройство для вскрытия дозатора, отделенную затвором от вакуумированного отсека для размещения дозатора и устройства для его вскрытия, механизм доставки дозатора из отсека в вакуумную камеру, вакуумные насосы, дополнительно содержит лазерную систему, а вакуумная камера содержит карусель с гнездами для ячеек, нагреватель ячеек, механизм укладки крышек, смотровое окно, прозрачное для лазерного излучения окно, приводы для вращения ячеек и поворота карусели, натекатели для ввода в вакуумную камеру инертных газов и расположенные вне вакуумной камеры резервуары инертных газов.
2
Указанный технический результат достигается также тем, что лазерная система содержит CO-лазер, лазер-гид, смесительное зеркало, отражающее зеркало и фокусирующую линзу.
Указанный технический результат достигается также тем. что дозатор выполнен в виде стеклянной ампулы с капиллярным выходом и круговой насечкой в месте вскрытия.
Указанный технический результат достигается также тем, что устройство для вскрытия дозатора выполнено в виде упора.
Указанный технический результат достигается также тем, что в качестве затвора используют шиберный затвор.
Сущность полезной модели поясняется фиг. 1, на котором схематически изображена предлагаемая установка, где:
2
1 - вакуумированный отсек дозатора, 2 - устройство для вскрытия дозатора, 3 - дозатор, 4 - шиберный затвор, 5 - вакуумная камера, 6 - карусель с гнездами для ячеек, 7 - механизм укладки крышек, 8 - привод вращения ячеек, 9 - привод поворота карусели, 10 - ячейка, 11 - крышка, 12 - вакуумный насос, 13 - натекатель, 14 - окно смотровое, 15 - окно, прозрачное для лазерного излучения, 16 - CO-лазер. 17 - лазер-гид, 18 - полупрозрачное смесительное зеркало, 19 - отражающее зеркало, 20 - фокусирующая линза, 21 - нагреватель ячеек, 22 - нагреватель дозатора, 23 - резервуар с инертным газом, 24 - шиберный затвор. 25 - устройство для подачи дозатора.
2
Предлагаемая установка содержит вакуумированный отсек дозатора 1, вакуумную камеру 5 со смотровым окном 14 и прозрачным для лазерного излучения окном 15. В отсеке дозатора 1 размещен дозатор 3 и устройство для вскрытия дозатора, выполненное в виде упора 2. Вакуумная камера 5, к которой подсоединен вакуумный насос 12, оснащена каруселью 6 с гнездами для ячеек 10, приводом поворота карусели 9 и приводом вращения ячеек 8, нагревателем ячеек 21, нагревателем дозатора 22. Для перемещения дозатора 3 из отсека 1 в вакуумную камеру 5 установка снабжена устройством подачи 25. Кроме того, предлагаемая установка содержит лазерную систему, включающую CO-лазер 16, лазер-гид 17, смесительное зеркало 18, совмещающее лучи силового лазера и лазера-гида, отражающее зеркало 19 и фокусирующую линзу 20, и систему для подвода в вакуумную камеру инертных газов, включающую резервуары с инертными газами 23, натекателями 13 и шиберным затвором 24.
Предлагаемая установка работает следующим образом.
При открытой крышке вакуумной камеры 5 заготовки ячеек в виде стеклянных стаканов и крышек размещают в гнездах карусели 6, причем эти элементы ячеек попарно располагают на одинаковом радиальном направлении карусели. Все гнезда для размещения ячеек установлены на осях и могут вращаться от внешнего привода 8 с регулируемой скоростью вращения или вручную. Привод обеспечивает непрерывное вращение при сварке.
Крышку вакуумной камеры 5 герметически закрываюе и производят откачку атмосферного воздуха вакуумными насосами 12. Если ампула дозатора 3 еще не вскрыта (используется первый раз), откачку производят при открытом шиберном затворе 4, перекрывающим вакуумированный отсек 1, в котором находится дозатор. Если сопло дозатора уже открыто, шиберный затвор 4 открывают после полной откачки камеры 5.
Перед напуском атмосферы дозатор втягивают в отсек 1, который герметически закрывают шиберным затвором 4, и щелочной металл сохраняется в вакууме до изготовления следующей группы ячеек. Далее нагревателем 21 ячейки прогревают в режиме постоянной откачки насоса. После остывания ячеек дозатор 3 из отсека 1 перемещают в вакуумную камеру 5 с помощью устройства подачи 25. Если дозатор работает в первый раз, то при перемещении отпаянный кончик сопла дозатора наталкивается на специальный упор 2 и происходит его разлом по насечке. В результате сопло дозатора оказывается открытым.
Сопло дозатора с помощью устройства подачи 25 устанавливают над ближайшей ячейкой. Контроль ведут через смотровое окно 14. Возможна подсветка излучением лазера-гида видимого диапазона 17.
2
2
Включают разогрев дозатора нагревателем 22, и дополнительный прогрев сопла, выступающего из прогреваемого объема, излучением OC-лазера. Лазер находится вне вакуумной камеры и его излучение после фокусирующей линзы 20, выполненной из селенида цинка, вводят внутрь камеры через окно 15, выполненное тоже из селенида цинка. Наведение невидимого излучения CO-лазера на сопло осуществляется с помощью излучения лазера-гида 17. Оба луча совмещены на полупрозрачном зеркале 18. Температура дозатора подбирается такой, чтобы время загрузки изотопа щелочного металла составляло порядка 1-2 минут. Дозатор работает в режиме эффузионного атомного пучка.
В конце интервала загрузки на дне стакана и частично на его боковых стенках появляется зеркально отражающий тонкий (субмикронный) слой металла. Не изменяя режим нагрева дозатора, с помощью ручного привода 9, необходимого для дискретных поворотов карусели для повторения технологических операций с каждой из ячеек, производится поворот карусели на определенный угол и под эффузионный поток атомов щелочного металла из сопла подводится следующая ячейка. Специальные углубления на диске карусели и фиксатор позволяют точно поворачивать карусель и устанавливать ячейку под загрузку. После загрузки процедура повторяется еще столько раз, сколько ячеек размещено в карусели, пока щелочной металл не окажется во всех ячейках. После загрузки всех ячеек дозатор 3 втягивают устройством подачи назад в отсек 1 и шиберный затвор 4 перекрывают.
Включают лазер-гид 17 и производят фокусировку его излучения на верхний край ячейки. Лазер-гид 17 генерирует излучение видимого диапазона для облегчения наводки лазерного излучения ИК диапазона на свариваемые или прогреваемые объекты внутри вакуумной камеры.
В рабочей зоне сварки, куда может быть направлено лазерное излучение, и где ранее производилась загрузка металла, включается привод 8, вращающий ось с ячейкой.
В процессе заполнения ячеек щелочным металлом для обеспечения эффузионного направленного потока атомов в ячейки и требуемого для этого перепада температуры между капилляром и дозатора капилляр дозатора прогревают лазерным излучением.
2
Включают CO-лазер 16, который подогревает верхний край ячейки и примерно в течение минуты освобождает его от металла. При этом часть металла с верхнего края уходит в вакуумную камеру, часть осаждается в нижней охлаждаемой области ячейки. Эта операция производят со всеми ячейками.
Перекрывают шиберный затвор 24, отсекающий систему откачки, открывают вентиль напуска тяжелого буферного газа и через натекатель 13 производят напуск газа в вакуумную камеру 5 до необходимого давления в камере.
Аналогичным образом производят напуск легкого буферного газа из другого баллона, через его вентиль и натекатель. При этом в камере и в ячейках устанавливается определенное процентное соотношение этих газов, влияющее на качество получаемых ячеек.
Вращением кулачкового механизма укладчика 7, расположенного рядом с соответствующей крышкой 11, крышку надвигают сверху на открытую ячейку и закрывают ее.
Поворотом карусели 6 к укладчику подводят следующую ячейку, и она накрывается следующей крышкой. Эта операция повторяется еще столько раз, сколько в камере размещено ячеек и все они оказываются накрытыми крышками.
2
В рабочей зоне сварки, где ранее производилась загрузка металла и очистка верхнего края ячейки от металла, включают привод 8, вращающий ось с ячейкой, накрытой крышечкой. Включают лазер-гид и производят фокусировку его излучения в стык ячейки и крышечки. Затем включают CO-лазер и поочередно осуществляют предварительный нагрев, сварку и отжиг каждой ячейки. Вращение останавливается, и ось с ячейкой в процессе перевода на следующую позицию механически выводится из контакта с вращающим приводом.
Карусель поворачивается, и в зоне сварки поочередно оказываются следующие ячейки.
После этого в вакуумную камеру напускают атмосферный воздух, открывают крышку камеры и извлекают из нее готовые ячейки.
Предлагаемая полезная модель позволяет повысить производительность установки для заполнения ячеек щелочными металлами, сэкономить дорогостоящий изотоп щелочного металла за счет дозированного и направленного заполнения ячеек щелочным металлом и последующей их герметизации.