[发明专利]一种高压原子气室制造系统及方法

说明书

一种高压原子气室制造系统及方法，包括：真空控制系统、气室分装器、原子气室及连接细管、填充气体系统、碱金属反应系统、承压容器、高能激光器。其中承压容器可以控制原子气室外部的气体压强，使外部压强始终高于气室内部，以实现气室的负压熔封；其中，高能激光器采用二氧化碳激光器，可实现对原子气室的非接触高效率熔封。采用本装置制备的高压原子气室压强更高且可控(数个至十几个大气压)稳定，气室内组分可精确控制，为高压原子气室获得更优性能奠定基础。

技术领域

本发明涉及一种高压原子气室制造系统及方法，属于原子气室制造技术领域。特别是一种高压原子气室的制造系统，以及利用该系统制造高压原子气室的方法。

背景技术

高压原子气室内填充碱金属(钾、铷或铯)和工作气体(氙气，氮气等)，是SERF陀螺仪、SERF磁力仪的核心部件，是原子极化、自旋交换、自旋弛豫自旋进动等过程发生的物理场所,将直接影响上述仪表的最终精度。为了制备出更加稳定的SERF态，原子气室内的充制气压需要达到几个到十几个大气压，用以抑制极化原子的自旋交换碰撞弛豫，以实现极高灵敏度的量子精密测量。

早期的原子气室多采用吹制工艺制成的球型玻璃结构，光束会在球型气室传播过程中多次折返，因此会产生给信号带来不利影响的杂散光。现阶段，原子气室多采用玻璃立方/圆柱形结构。2008年以来，北京航空航天大学于开展了SERF陀螺仪的研究，其研制的原子气室为圆柱形，尺度在10mm以上。

当前，针对气室内填充气压高于0.1MPa的情况，采用液氮浸泡然后熔封的方式。通过利用液氮冷却气室内的气体，使其压强降至0.1MPa以下，再进行气室熔封。熔封后的气室恢复常温后，气室内压强恢复至0.1MPa以上。该方案的缺点主要有三点：一是液氮温度(-196℃)下可能会导致部分气体(Xe)液化或凝固，从而引起成品气室内气体组分的偏差；二采用液氮浸泡法制取的气室压力最高约0.3MPa,且无法主动控制气室内压强，这限制了气室压力的继续提高；三是采用液氮过程中存在冻伤、爆炸、窒息等一系列安全隐患。显然，液氮浸泡方案难以适应高压原子气室气体组分精确控制和更高压强的发展方向。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出了一种高压原子气室制造系统及方法，不同于现有的大气压下进行原子气室熔封，本发明将原子气室置于高压气氛容器中，利用非接触式加热对其中进行熔封，获得远高于以前的气室压强。本发明中通过控制气室外气氛压力，使得气室内始终保持相对负压，利用二氧化碳激光器实现对其进行非接触熔封。

本发明的技术方案是：

一种高压原子气室制造系统，包括：真空控制系统、气室分装器、原子气室、连接细管、填充气体系统、碱金属反应系统、承压容器、压力控制系统、高能激光器；

气室分装器通过n根连接细管分别连接有n个原子气室；其中，n为正整数；

填充气体系统通过管路连接气室分装器，填充气体系统用于向气室分装器输送填充气体；

碱金属反应系统通过管路连接气室分装器，碱金属反应系统进行化学反应制取碱金属并向气室分装器输送碱金属；

真空控制系统用于抽除气室分装器、连接细管、原子气室内的空气，使气室分装器、连接细管、原子气室内为高真空环境；

气室分装器用于将碱金属和填充气体均匀分配至各个原子气室，每个原子气室内碱金属和填充气体的组分一致；

气室分装器、n根连接细管和n个原子气室均设置在承压容器的腔体内，压力控制系统用于控制承压容器内的压力大于原子气室内部的压力；

承压容器壁上对应原子气室的位置设置有激光光窗；

高能激光器用于在原子气室完成碱金属和填充气体填充后，通过激光光窗向连接细管和原子气室的连接处发射激光实现原子气室的非接触熔封；