基于全玻璃材料的碱金属原子真空样品源制造技术

本实用新型专利技术公开了基于全玻璃材料的碱金属原子真空样品源，包括真空容器主体、光学窗片、防蒸镀孔体、填充过渡管和碱金属样品，除碱金属样品自身之外，其余部件均基于玻璃材料制成，具有体积小、重量轻、易集成、抗蒸镀等积极效果。可有效抑制碱金属样品装填过程中的氧化问题并保证样品源的光学特性和真空腔体的密闭性。本实用新型专利技术可广泛用于各种基于碱金属原子的量子传感器，包括原子重力仪、原子重力梯度仪、原子陀螺仪、原子钟等，可使得上述仪器物理探头单元的集成度获得显著的提升。理探头单元的集成度获得显著的提升。理探头单元的集成度获得显著的提升。

【技术实现步骤摘要】
基于全玻璃材料的碱金属原子真空样品源


[0001]本技术涉及量子传感
，更具体的涉及基于全玻璃材料的碱金属原子真空样品源，适用于重力场精密勘测、量子导航、原子时频基准等领域。
技术背景
[0002]量子传感技术是兴起于20世纪末到本世纪初的一系列基于全新物理原理的传感技术，其中基于原子干涉仪的原子重力仪技术、原子重力梯度仪技术、原子陀螺仪技术和原子钟技术是其中最为重要的几个组成部分。原子内部能级及跃迁谱线极高的精准性及稳定性决定了以其为参考基准的原子仪器具有最高的内禀测量精度和稳定性。近年来，激光技术、电子集成技术的发展进一步推进了量子传感器工程化和实用化的进程，国内外已经先后出现了多种以原子重力仪为代表的商品化的基于原子干涉仪的量子传感器。
[0003]量子传感器的物理探头以填充有原子样品的真空腔体为核心，附以光、电、磁场附件组成。因此真空腔体的集成度在很大程度上决定了整个物理探头单元的集成度，进而决定了整个量子传感器整机的体积和重量。原子真空样品源部分又是真空腔体的一个重要的组成部分，样品源的小型化和集成化对于量子传感器物理探头的集成化具有十分重要的意义。
[0004]钾（K）、铷（Rb）、铯（Cs）等碱金属原子的能级结构便于构建原子干涉仪所需的低态二能级体系，且常温下具有较高的饱和蒸汽压，是量子传感器中使用最为广泛的几种元素。但其电子的排布特征（最外层仅有1个自由电子）也决定了这几种元素的化学性质极其活泼，与空气中的氧气和水蒸气极易发生反应从而失去活性。因此碱金属样品在出厂时通常密封于真空玻璃管中，在量子传感器的生产过程中，碱金属样品向真空腔中的装填过程也需要进行特别的工艺设计。传统的碱金属真空样品源及实现方法如附图3所示，通常包含有真空容器主体1、样品容器10、密封介质11几个部分。碱金属样品5初始条件下密封于真空玻璃管9中，真空玻璃管9放置于样品容器10中，样品容器10由硬度较低的金属材料（如无氧铜）加工而成，于真空容器主体1之间通过密封介质11相接，密封介质11同样基于较软的金属材料（无氧铜圈或铟金属丝），金属螺栓12贯穿样品容器10与真空容器主体1，通过上紧金属螺栓12挤压密封介质11从而实现密封。碱金属真空样品源与主真空腔体7相连并在密封完成后抽真空，真空制备完成后，通过外力挤压样品容器10底部外侧（与密封有碱金属样品5的真空玻璃管9相同高度位置），样品容器10质地较软，挤压后变形进一步将真空玻璃管9压碎，从而使得碱金属样品5的蒸汽释放到真空腔中。该碱金属真空样品源中包含有大量的金属部件，其中样品容器10不可移除、同时各部件之间的连接需要使用的金属螺栓12及安装孔、密封介质11都需要占用大量的空间，该方案实现的碱金属真空样品源质量较大、集成度较低，且较大的质量会进一步影响到主真空腔体7的可靠性，不利于量子传感器的工程化和实用化。
[0005]为了解决上述问题，本技术提出了一种（除碱金属样品5自身之外）基于全玻璃材料的碱金属原子真空样品源，由于不再使用样品容器10、密封介质11、金属螺栓12等
（金属）部件，整个装置变得十分简单、轻便和小巧，对主真空腔体7的设计和装配也提供了很大的便利，因此对量子传感器的轻量化和实用化具有十分重要的意义。

技术实现思路

[0006]本技术的目的就在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供基于全玻璃材料的碱金属原子真空样品源，解决现有碱金属原子真空样品源大量使用冗赘金属部件从而造成装置尺寸过大、质量过重、不利于量子传感器物理探头部分集成化和工程化的问题，提供一种结构简单、轻便、小巧的碱金属原子真空样品源，为量子传感器的工程化和实用化做出贡献。
[0007]本技术目的是通过如下方案实现的：
[0008]基于全玻璃材料的碱金属原子真空样品源，包括真空容器主体，真空容器主体的一端通过真空孔道与主真空腔体连接，真空容器主体上与真空孔道相对的另一端设置有的窗片开孔，窗片开孔密封安装有光学窗片，防蒸镀孔体的一端与光学窗片的内表面相抵，防蒸镀孔体另一端与真空容器主体内的真空腔室连通，防蒸镀孔体与真空孔道同轴线，真空容器主体的上部设置有过渡管开孔，过渡管开孔通过填充过渡管与辅助容器连接，辅助容器内设置有真空玻璃管，真空玻璃管内设置有碱金属样品。
[0009]填充过渡管垂直设置，填充过渡管的内径小于真空玻璃管的外径，
[0010]光学窗片外侧镀增透膜，光学窗片内侧上与窗片开孔外侧孔沿相接处不镀增透膜，光学窗片内侧的中心区域镀增透膜。
[0011]填充过渡管与真空容器主体的过渡管开孔连接的底端至顶端熔点依次递减。
[0012]辅助容器上部的截面内壁尺寸大于真空玻璃管的截面尺寸，辅助容器下部收口为与填充过渡管顶端尺寸相同，辅助容器的熔点与填充过渡管顶端熔点相同或相近。
[0013]光学窗片内侧与窗片开孔外侧孔沿相接处的面型精度在λ/5以下，λ为自光学窗片入射真空容器主体的激光的波长。
[0014]本技术具有如下优点和积极效果：
[0015]该碱金属原子真空样品源完成后，碱金属样品5就处于真空容器主体当中（传统方案中碱金属样品处于样品容器10中，或样品容器10不可移除），不再需要传统方案中的样品容器10，本方案中所使用的辅助容器8也已经移除。因此本方案摒弃了传统方案中样品容器10、密封介质11、金属螺栓12等冗赘（金属）部件，（除碱金属样品5自身之外）采用全玻璃材质的部件，整个装置十分简单、轻便和小巧；
[0016]光学窗片2，镀有双面增透膜，一方面可以保证激光以极低的损耗率注入主真空腔体，另一方面可以有效减小杂散光对传感器测量的负面影响；
[0017]安装有防蒸镀孔体3，可有效抑制碱金属样品5向光学窗片2的蒸镀作用，使得经过长期的使用之后，光学窗片2仍可保持较高的透过率。
[0018]本方案中虽然多次使用了玻璃熔接、熔断方法，但由于使用了熔点渐变得填充过渡管4，而熔接熔断过程均在填充过渡管4顶部以上的低熔点玻璃材料部件中完成，因此该方案一方面使得熔制过程十分便利，另一方面也使得填充过渡管4以下的各个部件可以使用熔点较高但各方面性能都更加优良的石英、微晶玻璃等材料，确保整体的光学特性、可加工特性、低热胀特性以及稳定可靠性不受影响。
[0019]虽然碱金属样品5十分活泼，本实现方案中在将破碎的真空玻璃管9放入辅助容器8的过程中碱金属样品5和空气也有较短时间的接触，但一方面真空玻璃管9在击碎前经过有冷冻处理，碱金属样品5的活性在低温下大大降低，这使得碱金属样品5与空气的反应大幅减缓；另一方面，在获得真空之后（碱金属样品5与氧气和水蒸气隔绝），加热辅助容器8的外壁使得碱金属样品5融化的过程中，表层被氧化以及与水蒸气反应的部分不会变成液体，在融化的碱金属样品5向下流动的过程中，绝大部分失去活性的样品会附着在辅助容器8的内壁上，不会流动到真空容器主体1中去。在最后熔断辅助容器8的过程中，融化的部分（填充过渡管4的顶端）会在在内外气压差（内部是真空、外部是标准大气本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于全玻璃材料的碱金属原子真空样品源，包括真空容器主体（1），其特征在于，真空容器主体（1）的一端通过真空孔道（6）与主真空腔体（7）连接，真空容器主体（1）上与真空孔道（6）相对的另一端设置有的窗片开孔（13），窗片开孔（13）密封安装有光学窗片（2），防蒸镀孔体（3）的一端与光学窗片（2）的内表面相抵，防蒸镀孔体（3）另一端与真空容器主体（1）内的真空腔室（14）连通，防蒸镀孔体（3）与真空孔道（6）同轴线，真空容器主体（1）的上部设置有过渡管开孔（15），过渡管开孔（15）通过填充过渡管（4）与辅助容器（8）连接，辅助容器（8）内设置有真空玻璃管（9），真空玻璃管（9）内设置有碱金属样品（5），填充过渡管（4）垂直设置，填充过渡管（4）的内径小于真空玻璃管（9）的外径，光学窗片（2）外侧镀增透膜，光学窗片（2...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘武，仲嘉琪，朱磊，张小伟，吕伟，陈曦，罗军，王谨，詹明生，
申请(专利权)人：中国科学院精密测量科学与技术创新研究院，
类型：新型
国别省市：