一种低渗透率长寿命碱金属原子气室及其制备方法技术

本申请涉及原子气室领域，具体公开了一种低渗透率长寿命碱金属原子气室及其制备方法。碱金属原子气室包括：透明外壳，围绕形成碱金属原子气室的主腔室；阻挡膜层，涂覆于透明外壳的内壁，阻挡膜层包括Al2O3膜或AlN膜。本申请提供的方案在不影响原子气室本身通光性能的前提下，可有效降低碱金属原子损耗及小分子气体渗透，从而延长原子气室使用寿命。同时，该方案可有效隔离惰性气体或碱金属原子和玻璃表面区域的顺磁杂质，降低顺磁杂质引起的弛豫。并降低因玻璃基底杂质离子与气态工作物质发生化学反应造成的不良影响，提高原子气室可靠性。此外，该方案可增加原子气室外壳的导热性能，提升其内部温度均匀性。提升其内部温度均匀性。提升其内部温度均匀性。

【技术实现步骤摘要】
一种低渗透率长寿命碱金属原子气室及其制备方法


[0001]本申请涉及原子气室制备的
，特别是一种低渗透率长寿命碱金属原子气室及其制备方法。

技术介绍

[0002]原子气室是制备碱金属原子极化态的一种装置，它将原子蒸气存储在一个密闭空间中，利用泵浦激光可实现碱金属原子量子态地有效调控。原子气室是原子陀螺仪、原子钟、原子磁力仪等仪表的核心物理器件，其性能直接决定原子仪表的性能上限。
[0003]原子气室寿命的主要影响因素是碱金属原子的损耗及小分子气体的渗透。原子气室中碱金属原子的损耗主要有两方面的原因：一是碱金属原子与气室内杂质的化学反应，二是碱金属原子向玻璃内壁的物理扩散。化学反应造成的消耗短期可完成，并可以通过提升原子气室内壁的洁净度降低这一部分损耗。而碱金属原子向玻璃内壁的物理扩散是在原子气室整个寿命期长期存在的，也是造成碱金属损耗的主要原因。而碱金属原子的熔点较低，铯原子的熔点约为28.5℃，铷原子熔点约为38.9℃，在原子气室工作状态下呈液态，为维持原子气室寿命而过量填充碱金属存在碱金属液滴覆盖通光窗口的风险。此外，原子气室中气体成分的变化是影响仪表长期性能指标的关键因素，其中小分子气体如氦气、氢气等向原子气室内外的渗透是导致气体成分变化的主要原因。因此，需要一种原子气室内壁镀膜材料来阻挡碱金属原子向玻璃外壳的迁移和气体分子向原子气室内外的渗透，从而降低碱金属原子损耗和气体成分变化。
[0004]在原子气室工作时，气态原子存在剧烈的热运动从而导致原子宏观自旋丢失。其中，壁弛豫导致的自旋丢失在小型化的发展趋势下日渐突出。为克服壁弛豫，常采用缓冲气体法和内壁镀膜法，相比而言，内壁镀膜法不存在缓冲气体带来的压强展宽，原子跃迁的光线宽也会变窄，使用较低功率的激光就可以获得较大的信号。目前较成熟的内壁镀膜材料为石蜡，其熔点一般在60
‑
80℃，在需要更高原子密度的应用如原子陀螺仪中，石蜡镀膜就不再适用。另一类常见的是含硅基有机物，其代表是十八烷基三氯硅烷(OTS)，可耐受约170℃的使用温度，但其镀膜效果不稳定。

技术实现思路

[0005]本申请提供一种低渗透率长寿命碱金属原子气室及其制备方法，通过原子气室内壁镀膜技术，在不影响原子气室本身通光性能的前提下，延长其使用寿命，提升其反弛豫、温度均匀性等性能。
[0006]第一方面，提供了一种碱金属原子气室，包括：
[0007]透明外壳，所述透明外壳围绕形成所述碱金属原子气室的主腔室；
[0008]阻挡膜层，涂覆于所述透明外壳的内壁，所述阻挡膜层包括Al2O3膜或AlN膜。
[0009]与现有技术相比，本申请提供的方案至少包括以下有益技术效果：
[0010](1)该方案所述阻挡膜层可有效阻挡碱金属原子向原子气室内壁的迁移，降低碱
金属原子损耗，从而延长原子气室使用寿命；
[0011](2)该方案所述阻挡膜层可有效降低小分子气体，如氦气、氢气的渗透，从而提高原子气室长期性能稳定性；
[0012](3)该方案所述阻挡膜层可有效隔离惰性气体或碱金属原子和玻璃表面区域的顺磁杂质，降低顺磁杂质引起的弛豫，提升原子气室性能；
[0013](4)该方案所述阻挡膜层导热性优越，可以提升原子气室内部温度均匀性，从而提升原子气室性能。
[0014]在一些实施例中，与AlN膜相比，Al2O3膜的工艺制备方式相对更加灵活。
[0015]在一些实施例中，与Al2O3膜相比，AlN膜的导热性相对更加优越，可以进一步提升原子气室内部温度均匀性，从而提升原子气室性能。
[0016]结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述阻挡膜层包括表面膜层和过渡膜层，所述过渡膜层位于所述表面膜层和所述透明外壳之间。
[0017]该方案所述阻挡膜层可通过调整过渡膜层的参数优化与基底的匹配度，因而具备高温工作能力。
[0018]结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述过渡膜层的总厚度占所述阻挡膜层的厚度的比例为30％
‑
60％。
[0019]过渡膜层厚度合适，有利于灵活调整该方案所述阻挡膜层的性能，使该方案所述阻挡膜层与原子气室内壁结合稳定，且有效降低碱金属原子损耗，有效延长原子气室使用寿命。
[0020]结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述表面膜层为Al2O3膜，所述过渡膜层为xSiO2﹒yAl2O3膜。
[0021]外壳材料为玻璃材料，通过xSiO2﹒yAl2O3膜，可以优化Al2O3膜与基底的匹配度。
[0022]结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，x＝0.2
‑
0.8，y＝1
‑
x。
[0023]结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述表面膜层为AlN膜，所述过渡膜层为Si3N4膜。
[0024]外壳材料为玻璃材料，通过Si3N4膜，可以优化AlN膜与基底的匹配度。
[0025]结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述阻挡膜层的厚度为6nm～2μm。
[0026]由此可以保证阻挡膜层的低渗透率和高光学透过率。
[0027]第二方面，提供了一种碱金属原子气室的制备方法，包括：
[0028]制备原子气室的透明外壳，形成碱金属原子气室的主腔室和充气支管；
[0029]在所述透明外壳的内壁涂覆阻挡膜层，所述阻挡膜层包括Al2O3膜或AlN膜；
[0030]对所述透明外壳加热，并抽出所述透明外壳内的空气；
[0031]向所述透明外壳内通入一种或多种碱金属，利用蒸馏的方法使碱金属原子扩散进入所述主腔室，同时对所述透明外壳降温，使得碱金属原子在所述主腔室内凝结；
[0032]将所述透明外壳在所述充气支管处熔断，置于真空烘箱内低温烘烤使其成熟，制备得到碱金属原子气室。
附图说明
[0033]图1为本申请实施例提供的一种碱金属原子气室的示意性结构图。
[0034]图2为本申请实施例提供的一种碱金属原子气室的制备方法的示意性流程图。
具体实施方式
[0035]下面结合附图和具体实施例对本申请作进一步详细的描述。
[0036]图1是本申请实施例提供的一种碱金属原子气室的示意性结构图。图1所示的碱金属原子气室可以具有低渗透率、长寿命的特点。
[0037]碱金属原子气室可以具有主腔室1，主腔室1可以由碱金属原子气室的透明外壳3围绕形成。主腔室1的顶面上留有一个通孔用于和充气支管2连通。透明外壳3材料为高光透过率材料，例如石英玻璃、硼硅玻璃(如硼硅3.3玻璃)等。透明外壳3的内壁涂覆有阻挡膜层8。阻挡膜层8是一种阻挡膜层。阻挡膜层8具有透光性、致密性、无磁性、耐高温性。阻挡膜层8例如通过原子层沉积技术、溶胶
‑
凝胶技术等方案涂覆于碱金属原子气室的透明外壳3的内壁。
[0038]在一些实施例中，为保证低渗透率，阻挡膜层8的厚度一般不本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碱金属原子气室，其特征在于，包括：透明外壳，所述透明外壳围绕形成所述碱金属原子气室的主腔室；阻挡膜层，涂覆于所述透明外壳的内壁，所述阻挡膜层包括Al2O3膜或AlN膜。2.根据权利要求1所述的碱金属原子气室，其特征在于，所述阻挡膜层包括表面膜层和过渡膜层，所述过渡膜层位于所述表面膜层和所述透明外壳之间。3.根据权利要求2所述的碱金属原子气室，其特征在于，所述过渡膜层的总厚度占所述阻挡膜层的厚度的比例为30％
‑
60％。4.根据权利要求2或3所述的碱金属原子气室，其特征在于，所述表面膜层为Al2O3膜，所述过渡膜层为xSiO2﹒yAl2O3膜。5.根据权利要求4所述的碱金属原子气室，其特征在于，x＝0.2
‑
0.8，y＝1
‑
x。6.根据权利要求2或3所述的碱金属原子气室，其特征在于，所述表面膜层为AlN膜，所述过渡膜层...

【专利技术属性】
技术研发人员：王风娇，李新坤，蔡玉珍，郑建朋，刘院省，王学锋，
申请(专利权)人：北京航天控制仪器研究所，
类型：发明
国别省市：