基于压差控制和激光熔封的高压原子气室制备_郑建朋.pdf

第 21 卷第 5/6 期2022 年 12 月导航与控制NAVIGATION AND CONTROLVol.21 No.5/6Dec.2022收稿日期:2022-10-20基于压差控制和激光熔封的高压原子气室制备郑建朋1，2，李新坤1，2，王天顺1，2，赵雄1，2，刘院省1，2(1.中国航天科技集团有限公司量子工程研究中心，北京 100094;2.北京航天控制仪器研究所，北京 100039)摘 要:高压原子气室是无自旋交换弛豫(Spin Exchange elaxation Free，SEF)陀螺和 SEF磁力仪等量子仪表的核心器件，是量子仪表的共性技术之一。高压原子气室中填充气体的压强和配比将直接影响气室内原子和电子的自旋弛豫特性，进而影响量子仪表的性能。目前，采用液氮/液氦浸泡法进行高压原子气室制备时，存在熔封过程中气体组分偏离、填充压力受限、安全隐患大等问题。首次提出了基于压差控制和激光熔封的高压原子气室制备方法，搭建了包含承压容器和激光熔封模块的实验系统，开展了高压原子气室制备的验证实验。所制备的高压原子气室填充的气体压强达 6.5Bar(H2:N2:129Xe=2:350:5)，气体质谱分析结果为:以129Xe 为基准，H2和 N2的填充误差分别为 2.04%和+1.04%。该系统实现了高压原子气室填充气压和配比的精确控制，为进一步通过优化气体组分提高原子气室性能奠定了基础，将支撑 SEF 陀螺和 SEF 磁力仪的性能提升。关键词:SEF 陀螺;SEF 磁力仪;高压原子气室;激光熔封;精密充制中图分类号:O571.1文献标志码:A文章编号:1674-5558(2022)04-02181doi:10.3969/j.issn.1674-5558.2022.h5.007Preparation of High-pressure Vapor Cell Based onInner-outer Pressure Difference and Laser SealingZHENG Jian-peng1，2，LI Xin-kun1，2，WANG Tian-shun1，2，ZHAO Xiong1，2，LIU Yuan-xing1，2(1.Quantum Engineering esearch Center of CASC，Beijing 100094;2.Beijing Institute of Aerospace Control Devices，Beijing 100039)Abstract:High-pressure vapor cell is the core device of quantum instruments such as spin exchange relaxation free(SEF)gyroscope/magnetometer It is one of the common techniques of quantum instruments The pressure and compo-nents of filling gas in high-pressure vapor cell directly affects spin relaxation characteristics of atoms and electrons，andthen affects the performance of quantum instruments At present，the preparation of high-pressure vapor cell by liquid nitro-gen/liquid helium immersion method has some problems，such as deviation of gas components in the fusion sealing process，limited filling pressure，and large potential safety hazards In this paper，a preparation scheme of high-pressure vapor cellbased on external pressure control and laser non-contact sealing has been proposed An experiment system including a pres-sure chamber and laser-sealing module has been built，and the preparation verification experiment of high-pressure vapor cellhas been carried out The total filling pressure of the prepared high-pressure vapor cell is 6.5Bar(H2 N2129Xe=2 350 5)第 5/6 期郑建朋等:基于压差控制和激光熔封的高压原子气室制备The gas mass-spectrometry analysis results show that the filling errors of H2and N2are 2.04%and+1.04%，respective-ly.This system realizes the accurate control of filling pressure and components in high-pressure vapor cell，which lays afoundation for further improving the performance of vapor cell by optimizing the gas composition，and provides a strong sup-port for the performance improvement of SEF gyroscope and SEF magnetometer.Key words:SEF gyroscope;SEF magnetometer;high-pressure vapor cell;laser sealing;accurate filling0引言无自 旋 交 换 弛 豫(Spin Exchange elaxationFree，SEF)陀螺和 SEF 磁力仪具有超高理论精度和小型化的优势，将有望应用于深空探测、国防建设、基础物理研究、矿产勘探、地震预测和医学成像等领域。高压原子气室是 SEF 陀螺和SEF 磁力仪等量子仪表的核心器件，将直接影响量子仪表的性能，是量子仪表的共性技术之一1-3。原子气室通常为采用玻璃精密封接或微加工工艺制造的密闭透明的腔室，内部密封了碱金属原子和特定配比的气体分子4。普通原子气室内气体低于大气压，而高压原子气室内的充制气压需要达到几个到十几个大气压，以抑制极化原子的自旋交换碰撞弛豫，实现极高灵敏度的量子精密测量5。随着 SEF 陀螺和 SEF 磁力仪等量子仪表的发展，对高压原子气室的需求更加迫切，表 1 列出了近年来研究中所用高压原子气室气体配比6-10。目前，原子气室内填充气体配比等参数对 SEF 陀螺和 SEF 磁力仪性能的影响尚未形成共识，主要原因有两方面:其一，SEF 陀螺和 SEF 磁力仪性能受到原子气室、光路、磁场及电路等综合影响，无法严格区分原子气室的作用比例;其二，原子气室制备过程中的填充气体参数控制性较差，气室参数重复性较低，气室实际的气压配比等参数与设计参数相差较大，无法直接进行定量评测。当前，高压原子气室制备中一般采用液氮/液氦浸泡法，存在充制过程气体难以精确控制、熔封过程中气体组分偏离、填充压力受限、安全隐患大等问题。表 1应用于 SEF 陀螺/磁力仪的高压原子气室气体配比Table 1Gas components in high-pressure vapor cell for SEF gyroscope/magnetometer序号规格碱金属气体配比参考文献1球型气室(24mm)K3He:9.3Bar，N2:29Torr62球型气室(10mm)K-b21Ne:2.3Bar，N2:20Torr73立方体气室(边长 20mm)Cs129Xe:20Torr，N2:700Torr84立方体气室(边长 20mm)K4He:3Bar，N2:60Torr95立方体气室(边长 25mm)b4He:700Torr，N2:60Torr10注:1)1Bar760Torr，1Torr133.33Pa;2)表中的高压气室均通过液氮/液氦浸泡法制得。1高压气室制备方案目前，高压原子气室制备的难点主要在于气密熔封过程。采用现有的火焰加热熔封，当气室内压强小于 1Bar 时，充注细管被火焰烧熔后，在外部大气压的作用下会自动收缩密封;而当气室内填充气压高于 1Bar 时，充注细管被火焰烧熔后，会被内部气压吹破而导致熔封失败。国内外研究者利用液氮/液氦冷却气室工艺初步开展了高压气室的工艺探索，但是仍未实现高压气室内气体压强和配比的精确控制。1.1液氮/液氦浸泡法及其问题当前，针对气室内填充气压高于 1Bar 的情况，一般采用液氮浸泡然后熔封的方式，如图 1 所示。通过利用液氮冷却气室内的气体，使其压强降至1Bar 以下，然后进行气室熔封操作;熔封后的气室恢复常温后，气室内压强恢复至 1Bar 以上。具体流程如下:首先在气室及充气管路内充入 1Bar以上的气体，然后采用液氮(196)对气室进行充分冷却。待气室内压强降至 1Bar 以下，利用火焰对连接气室的充注细管加热，将 B 和 A 处先后熔断，从而实现高压原子气室的气密熔封。16导航与控制2022 年第 5/6 期图 1液氮浸泡法原理图Fig.1Schematic diagram of liquid nitrogen immersion method液氮/液氦浸泡方案的优势在于结构简单，液氮不与气室材料发生反应，不引入杂质。缺点是液氮温度(196)下可能会导致部分气体(Xe、N2)液化或凝固，从而引起成品气室内气体组分的偏差;采用液氮浸泡法制取的气室压力最高约3Bar，这限制了气室压力的继续提高。在熔封过程中，气室需承受来自液氮浸泡(196)和火焰加热(800以上)的巨大温差，对操作者技艺要求严苛，玻壳极易发生应力释放开裂;若液氮灌入气室甚至会发生爆炸，带来极大的安全隐患。需要指出 的 是，也 有 研 究 者 将 液 氮 替 换 为 液 氦(269)进行高压气室熔封，以获得更高的填充压力。但由于液氦极易蒸发，其保存和使用也更加复杂，除了存在液氮浸泡法的诸多缺点，其代价和危险性也更高。显然，液氮/液氦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。1.2基于压差及激光熔封的制备方案针对高压原子气室的需求，首次提出了基于外部压差控制和激光熔封的高压原子气室制备方案。通过控制气室外部的气氛压力，使得气室内始终保持相对负压，再利用激光加热完成气室的气密封堵。在现有原子气室制造系统基础上，利用一个承压容器将原系统中的气室分装器、原子气室及连接充注细管包覆在内，如图 2 所示。通过图 2压差和激光熔封方案示意图Fig.2Schematic diagram of pressure difference and laser sealing26第 5/6 期郑建朋等:基于压差控制和激光熔封的高压原子气室制备在承压容器内充入惰性气体，使得承压容器内压强略高于气室内压强，确保气室内始终处于相对负压的状态。利用激光器对气室的连接充注细管进行加热，从而顺利实现高压原子气室的非接触熔封。相对于液氮/液氦浸泡法，本方案的优势在于:1)采用本方案制备高压原子气室时，气室内填充气体无相变及大幅温度变化，因此气室内组分可精确控制