一种实现原料回收的原子气室填充制备系统及方法技术方案

本发明专利技术提供了一种实现原料回收的原子气室填充制备系统及方法，应用于原子气室制造领域。针对目前原子气室填充制备过程原料利用率过低的问题，本发明专利技术提出了对原子气室制备后充制管路内剩余碱金属和稀有气体回收再利用的流程方案。在原子气室充制系统内设置两级回收和纯化模块，待气室填充制备完成后，首先通过电制冷机对管路内剩余碱金属进行纯化和回收；然后通过低温制冷机对管路内剩余稀有气体进行分离、纯化和回收；所回收的碱金属和稀有气体可以在后续批次的气室制备中被再次利用。本发明专利技术可以实现原子气室制备过程中高价值的碱金属和稀有气体回收再利用，通过提升原料利用率，可有效降低原子气室的制备成本。可有效降低原子气室的制备成本。可有效降低原子气室的制备成本。

【技术实现步骤摘要】
一种实现原料回收的原子气室填充制备系统及方法


[0001]本专利技术涉及原子气室制造
，尤其是涉及一种实现原料回收的原子气室填充制备系统及方法。

技术介绍

[0002]原子气室是陀螺仪、磁力仪、原子钟等量子仪表的核心部件，原子气室的性能将直接影响上述仪表的最终精度。原子气室多采用玻璃立方/圆柱形结构。通常的操作流程是首先将空原子气室玻壳抽真空，然后充入碱金属和填充气体，最后利用高温加热烧熔玻璃管完成原子气室的熔封。原子气室内填充的碱金属有铷、铯、钾等，部分碱金属同位素如铷
‑
87售价高昂，每克原料单价可达十万元上下；填充的稀有气体主要有氦气、氙气、氖气和氩气等，部分稀有气体价格昂贵(尤其是氦
‑
3和氖
‑
21，其价格可达数万人民币每升，且严重依赖进口)，这导致了原子气室的制造成本居高不下。
[0003]对于毫米级尺寸原子气室，气室制造系统中的管道容积是气室容积的数百至上千倍，完成气室填充后管路内残留的碱金属和稀有气体就直接排放掉，因此碱金属和稀有气体的填充效率非常低。在此背景下，对气室制备过程中的碱金属(主要是铷
‑
87)和稀有气体(主要针对氦
‑
3和氖
‑
21)进行回收利用，可显著提升稀有气体利用率，降低原子气室的制造成本，具有巨大的经济效益。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，针对目前原子气室填充制备过程原料利用率过低的问题，提出一种实现原料回收的原子气室填充制备系统及方法。在原子气室制备系统内设置两级回收和纯化模块，待原子气室填充制备完成后，首先通过电制冷机对回收管路内剩余碱金属进行纯化和回收；然后通过低温制冷机对回收管路内剩余稀有气体进行分离、纯化和回收；所回收的碱金属和稀有气体可以在后续批次的气室制备中被再次利用。实现了原子气室制备过程中高价值的碱金属和稀有气体回收再利用，通过提升原料利用率，有效降低了原子气室的制备成本，为原子气室低成本批量化制备奠定了基础。
[0005]本专利技术的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：
[0006]一种实现原料回收的原子气室填充制备系统，包括原子气室制备模块、加热烘烤模块，碱金属回收阀，碱金属回收器，气体回收阀，气体纯化器，低温制冷机，回收气瓶模块，回收管路；
[0007]原子气室制备模块中的碱金属、填充气体沿着回收管路挥发，回收管路上依次设置碱金属回收器、气体纯化器、低温制冷机，回收管路中的填充气体经低温制冷机冷凝后存储在回收气瓶模块；
[0008]加热烘烤模块，用于对原子气室制备模块烘烤去气，并加速碱金属和填充气体扩散到回收管路；
[0009]碱金属回收阀，设置在原子气室制备模块与碱金属回收器之间，在碱金属回收过
程中以及碱金属再利用过程中开启；
[0010]碱金属回收器，用于碱金属回收过程中对碱金属进行冷凝回收，碱金属再利用过程中，加热回收的碱金属充入到原子气室制备模块；
[0011]气体回收阀设置在碱金属回收器与气体纯化器之间，在填充气体回收过程中以及填充气体再利用过程中开启；
[0012]气体纯化器，用于填充气体回收过程中对扩散到回收管路内的填充气体进行纯化，去除其中的杂质后进入低温制冷机；
[0013]低温制冷机，用于根据填充气体的凝固点确定制冷温度，分离回收不同种类的填充气体，分离后的填充气体充入回收气瓶模块储存。
[0014]进一步的，还包括真空维持及气体填充模块、抽空阀；
[0015]真空维持及气体填充模块用于在原子气室制备前对所述系统抽真空，并实时测量系统真空度；在原子气室制备时向原子气室制备模块输送填充气体；
[0016]抽空阀设置在真空维持及气体填充模块与原子气室制备模块之间，在原子气室制备过程中开启。
[0017]进一步的，还包括碱金属反应模块、碱金属阀；
[0018]碱金属反应模块用于生成碱金属输送到原子气室制备模块；
[0019]抽空阀设置在碱金属反应模块与原子气室制备模块之间，在原子气室制备过程中开启。
[0020]进一步的，所述原子气室制备模块包括混合分装器、N个充注管、N个原子气室，N≥1；
[0021]混合分装器接收碱金属反应模块输送的碱金属和真空维持及气体填充模块输送的填充气体，并将填充气体掺混均匀；
[0022]充注管的两端分别连接混合分装器、原子气室，混合分装器与N个原子气室之间分别通过N个充注管相连接。
[0023]进一步的，所述碱金属回收器利用电制冷获得5～10℃的低温，用于冷凝回收原子气室制备时扩散到回收管路中的碱金属；碱金属回收器配备有加热器，用于加热回收的碱金属，以重新充入原子气室制备模块。
[0024]进一步的，所述回收气瓶模块包括M个回收气瓶，用于存储低温制冷机冷凝分离得到的不同种类的填充气体，M≥1；
[0025]回收气瓶的瓶口配备无氧铜材质换热器，回收气瓶所贮存的气体压力为0～1MPa。
[0026]进一步的，还包括压力传感器，压力传感器设置在碱金属回收器与气体纯化器之间，用于检测回收管路中气体的绝对压力。
[0027]进一步的，基于所述系统，提供一种原子气室真空填充制备方法，包括以下步骤：
[0028]确保抽空阀、碱金属阀、碱金属回收阀、气体回收阀关闭，启动所述原子气室填充制备系统；
[0029]开启抽空阀，真空维持及气体填充模块对所述系统抽真空，开启加热烘烤模块；
[0030]系统真空达到预设真空度后，关闭加热烘烤模块，开启碱金属阀，碱金属反应模块生成碱金属并输送至混合分装器内；
[0031]真空维持及气体填充模块按照气体配比，将定量填充气体输送至混合分装器内；
[0032]混合分装器将碱金属和填充气体输送至原子气室；
[0033]熔封摘离每个原子气室，原子气室制备完成，关闭抽空阀和碱金属阀。
[0034]进一步的，基于所述系统，提供一种碱金属和填充气体的回收方法，包括以下步骤：
[0035]确保抽空阀、碱金属阀、碱金属回收阀、气体回收阀关闭，启动所述原子气室填充制备系统；
[0036]开启加热烘烤模块，开启碱金属回收阀；
[0037]启动碱金属回收器，对所述系统内残余碱金属进行回收；
[0038]碱金属回收完毕后，关闭碱金属回收器和加热烘烤模块；
[0039]开启气体回收阀，启动低温制冷机，待回收的填充气体经过纯化后进入低温制冷机；
[0040]设定制冷温度T
I
，将填充气体I回收至第一个回收气瓶并贮存；填充气体I回收完毕后，设定制冷温度T
II
，将填充气体II回收至第二个回收气瓶并贮存；以此类推，直至全部种类的填充气体回收贮存完毕；其中，气体液化点从高到低为：填充气体I＞填充气体II＞
……
＞填充气体M；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种实现原料回收的原子气室填充制备系统，其特征在于，包括原子气室制备模块、加热烘烤模块(6)，碱金属回收阀(9)，碱金属回收器(10)，气体回收阀(11)，气体纯化器(13)，低温制冷机(14)，回收气瓶模块，回收管路；原子气室制备模块中的碱金属、填充气体沿着回收管路挥发，回收管路上依次设置碱金属回收器(10)、气体纯化器(13)、低温制冷机(14)，回收管路中的填充气体经低温制冷机(14)冷凝后存储在回收气瓶模块；加热烘烤模块(6)，用于对原子气室制备模块烘烤去气，并加速碱金属和填充气体扩散到回收管路；碱金属回收阀(9)，设置在原子气室制备模块与碱金属回收器(10)之间，在碱金属回收过程中以及碱金属再利用过程中开启；碱金属回收器(10)，用于碱金属回收过程中对碱金属进行冷凝回收，碱金属再利用过程中，加热回收的碱金属充入到原子气室制备模块；气体回收阀(11)设置在碱金属回收器(10)与气体纯化器(13)之间，在填充气体回收过程中以及填充气体再利用过程中开启；气体纯化器(13)，用于填充气体回收过程中对扩散到回收管路内的填充气体进行纯化，去除其中的杂质后进入低温制冷机(14)；低温制冷机(14)，用于根据填充气体的凝固点确定制冷温度，分离回收不同种类的填充气体，分离后的填充气体充入回收气瓶模块储存。2.根据权利要求1所述的一种实现原料回收的原子气室填充制备系统，其特征在于，还包括真空维持及气体填充模块(1)、抽空阀(2)；真空维持及气体填充模块(1)用于在原子气室制备前对所述系统抽真空，并实时测量系统真空度；在原子气室制备时向原子气室制备模块输送填充气体；抽空阀(2)设置在真空维持及气体填充模块(1)与原子气室制备模块之间，在原子气室制备过程中开启。3.根据权利要求2所述的一种实现原料回收的原子气室填充制备系统，其特征在于，还包括碱金属反应模块(8)、碱金属阀(7)；碱金属反应模块(8)用于生成碱金属输送到原子气室制备模块；抽空阀(2)设置在碱金属反应模块(8)与原子气室制备模块之间，在原子气室制备过程中开启。4.根据权利要求3所述的一种实现原料回收的原子气室填充制备系统，其特征在于，所述原子气室制备模块包括混合分装器(3)、N个充注管(4)、N个原子气室(5)，N≥1；混合分装器(3)接收碱金属反应模块(8)输送的碱金属和真空维持及气体填充模块(1)输送的填充气体，并将填充气体掺混均匀；充注管(4)的两端分别连接混合分装器(3)、原子气室(5)，混合分装器(3)与N个原子气室(5)之间分别通过N个充注管(4)相连接。5.根据权利要求4所述的一种实现原料回收的原子气室填充制备系统，其特征在于，所述碱金属回收器(10)利用电制冷获得5～10℃的低温，用于冷凝回收原子气室制备时扩散到回收管路中的碱金属；碱金属回收器(10)配备有加热器，用于加热回收的碱金属，以重新充入原子气室制备模块。
6.根据权利要求5所述的一种实现原料回收的原子气室填充制备系统，其特征在于，所述回收气瓶模块包括M个回收气瓶，用于存储低温...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑建朋，李新坤，江淮，王风娇，蔡玉珍，赵雄，韩雪妍，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：