CN111039552B - 一种基于低温相变焊料的正压充制玻璃气室的熔封方法 - Google Patents

一种基于低温相变焊料的正压充制玻璃气室的熔封方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于低温相变焊料的正压充制玻璃气室的熔封方法，属于原子气室制造技术领域；步骤一、在玻璃气室的顶部固定安装玻璃管；步骤二、将焊料管放入玻璃管中；步骤三、通过外部抽真空系统对玻璃气室进行抽真空处理；步骤四、从玻璃管的轴向顶端向玻璃气室中填充介质；直至玻璃气室中的气压达到设定气压值P；步骤五、将焊料管加热至相变温度；焊料管相变后将玻璃气室顶部通孔密封；步骤六、通过外部抽真空系统将玻璃管中的残余气体抽净；步骤七、密封熔断玻璃管，完成原子气室的制备；本发明利用低温焊料管从玻璃管内部封堵，在不烧融玻璃管的前提下实现高压原子气室的密封，可解决通过直接烧融玻璃管无法实现高压气室密封的问题。

Description

一种基于低温相变焊料的正压充制玻璃气室的熔封方法
技术领域
本发明属于原子气室制造技术领域，涉及一种基于低温相变焊料的正压充制玻璃气室的熔封方法。
背景技术
高压原子气室是SERF陀螺仪、SERF磁力仪的核心部件，原子气室的性能将直接影响上述仪表的最终精度。为了制备出更加稳定的SERF态，原子气室内的充制压强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。
为了减少杂散光对信号的不利影响，高压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。其中，玻璃管熔封过程主要依靠大气压与玻璃管内的压差实现。但对于高压原子气室(≥0.1MPa),直接烧熔玻璃管时，将由于管内压强高于大气压而导致鼓破而熔封失败。
目前，高压原子气室熔封通常采用液氮浸泡的方式：利用液氮冷却气室内的气体，使其压强降至0.1MPa以下，再进行玻璃管烧融实现熔封。该方案的缺点是液氮温度(-196℃)下可能会导致部分填充气体(Xe)液化或凝固，从而引起成品气室内气体组分的偏差；采用液氮浸泡法难以主动控制气室内压强，制取的气室压力最高约0.3MPa,这限制了气室压力的继续提高。显然，液氮浸泡方案难以适应高压原子气室内气体组分精确控制和更高压强的需求。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种基于低温相变焊料的正压充制玻璃气室的熔封方法，利用低温焊料管从玻璃管内部封堵，在不烧融玻璃管的前提下实现高压原子气室的密封，可解决通过直接烧融玻璃管无法实现高压气室密封的问题。
本发明解决技术的方案是：
一种基于低温相变焊料的正压充制玻璃气室的熔封方法，包括如下步骤：
步骤一、在玻璃气室的顶部固定安装玻璃管；
步骤二、将焊料管从玻璃管的轴向顶端放入玻璃管中；
步骤三、将玻璃管的顶部与外部抽真空系统连通；通过外部抽真空系统对玻璃气室进行抽真空处理；
步骤四、从玻璃管的轴向顶端向玻璃气室中填充介质；直至玻璃气室中的气压达到设定气压值P；
步骤五、将焊料管加热至相变温度；焊料管相变后将玻璃气室顶部通孔密封；
步骤六、通过外部抽真空系统将玻璃管中的残余气体抽净；
步骤七、密封熔断玻璃管，完成原子气室的制备。
在上述的一种基于低温相变焊料的正压充制玻璃气室的熔封方法，所述步骤一中，玻璃气室内部设置有中空腔体；玻璃气室的顶部设置有通孔；玻璃管为中空筒状结构；玻璃管对准通孔安装。
在上述的一种基于低温相变焊料的正压充制玻璃气室的熔封方法，所述焊料管的相变温度为50℃-600℃；焊料管的相变温度小于玻璃管的软化温度。
在上述的一种基于低温相变焊料的正压充制玻璃气室的熔封方法，所述步骤二中，所述焊料管为中空筒状结构；焊料管的外径小于玻璃管的内径；焊料管的内径大于玻璃气室通孔的孔径；焊料管的轴向长度为焊料管外径的2-3倍；实现焊料管不堵塞玻璃气室的通孔。
在上述的一种基于低温相变焊料的正压充制玻璃气室的熔封方法，所述步骤三中，抽真空处理后，玻璃气室的压强小于5×10-4Pa。
在上述的一种基于低温相变焊料的正压充制玻璃气室的熔封方法，所述步骤四中，所述介质包括碱金属和惰性气体；惰性气体为氙气、氖气、氮气的混合气体。
在上述的一种基于低温相变焊料的正压充制玻璃气室的熔封方法，所述步骤四中，设定气压值P为0.1-5MPa。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)采用本方法对高压原子气室进行熔封时，低温焊料的熔点较低，可在温度低于玻璃材质的软化点实现玻璃气室密封，解决直接烧融玻璃管无法实现高压气室密封的问题；
(2)采用本方法对高压原子气室进行熔封时，气室内碱金属和填充气体的比例组分可精确控制，成品气室内压强更高且可控(数个至十几个大气压)。
附图说明
图1为本发明熔封过程示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
本发明提供一种对高压原子气室进行熔封的方法，不同于传统真空气室采用直接烧融连接玻璃管2进行熔封，本发明在玻璃气室1连接玻璃管2内填装一段低温相变焊料管3，充入碱金属和填充气体后，通过加热烧融焊料管3完成气室封堵，然后将玻璃管2内的高压气体抽走，利用高温加热玻璃管2进行二次熔封及气室摘取。利用本发明制备的原子气室具有稳定的气体组分和更高的压强。
如图1所示，正压充制玻璃气室的熔封方法，主要包括如下步骤：
步骤一、在玻璃气室1的顶部固定安装玻璃管2；玻璃气室1内部设置有中空腔体；玻璃气室1的顶部设置有通孔；玻璃管2为中空筒状结构；玻璃管2对准通孔安装。焊料管3的相变温度为50℃-600℃；焊料管3的相变温度小于玻璃管2的软化温度。
步骤二、将焊料管3从玻璃管2的轴向顶端放入玻璃管2中；焊料管3为中空筒状结构；焊料管3的外径小于玻璃管2的内径；焊料管3的内径大于玻璃气室1通孔的孔径；焊料管3的轴向长度为焊料管3外径的2-3倍；实现焊料管3不堵塞玻璃气室1的通孔。
步骤三、将玻璃管2的顶部与外部抽真空系统连通；通过外部抽真空系统对玻璃气室1进行抽真空处理；抽真空处理后，玻璃气室1的压强小于5×10-4Pa。
步骤四、从玻璃管2的轴向顶端向玻璃气室1中填充介质；介质包括碱金属和惰性气体；惰性气体为氙气、氖气、氮气的混合气体。直至玻璃气室1中的气压达到设定气压值P。设定气压值P为0.1-5MPa。
步骤五、将焊料管3加热至相变温度；焊料管3相变后将玻璃气室1顶部通孔密封；
步骤六、通过外部抽真空系统将玻璃管2中的残余气体抽净；
步骤七、密封熔断玻璃管2，完成原子气室的制备。
实施例
基于铟低温相变实现高压原子气室的熔封，包括以下步骤：
(1)安装铟焊料管：焊料管3采用熔点156℃的铟材质，其外径略小于连接玻璃气室1的充气玻璃管2的内径，焊料管3的内径略大于玻璃气室1充注孔孔径，焊料管3长度为其外径的2-3倍。焊料管3装填在连接玻璃气室1的充气玻璃管2内至气室充注孔上方，确保不堵塞玻璃气室充注孔；
(2)玻璃气室1内充入碱金属、惰性气体：首先将玻璃气室的充气玻璃管连接到真空系统上，利用真空泵对玻璃气室抽真空，至压强小于5×10-4Pa，按照目标配比向玻璃气室内充入碱金属(铷、铯、钾等)和惰性气体(氙气、氖气、氮气等)；
(3)加热使焊料管3相变：通过火焰或激光对焊料管3区域进行加热，加热温度180～200℃，直至铟融化将玻璃气室1的充注孔完全密封；
(4)利用真空泵将充气玻璃管2内残余的气体抽空；
(5)利用火焰或激光对连接玻璃气室1的充气玻璃管2进行二次密封熔断，制备得到原子气室。需要特别指出的是，熔封充气玻璃管2过程中，加热区域要与铟封堵处保持安全距离，避免将铟融化导致气室熔封失败。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于低温相变焊料的正压充制玻璃气室的熔封方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、在玻璃气室(1)的顶部固定安装玻璃管(2)；
步骤二、将焊料管(3)从玻璃管(2)的轴向顶端放入玻璃管(2)中；
步骤三、将玻璃管(2)的顶部与外部抽真空系统连通；通过外部抽真空系统对玻璃气室(1)进行抽真空处理；
步骤四、从玻璃管(2)的轴向顶端向玻璃气室(1)中填充介质；直至玻璃气室(1)中的气压达到设定气压值P；
步骤五、将焊料管(3)加热至相变温度；焊料管(3)相变后将玻璃气室(1)顶部通孔密封；
步骤六、通过外部抽真空系统将玻璃管(2)中的残余气体抽净；
步骤七、密封熔断玻璃管(2)，完成原子气室的制备。
2.根据权利要求1所述的一种基于低温相变焊料的正压充制玻璃气室的熔封方法，其特征在于：所述步骤一中，玻璃气室(1)内部设置有中空腔体；玻璃气室(1)的顶部设置有通孔；玻璃管(2)为中空筒状结构；玻璃管(2)对准通孔安装。
3.根据权利要求2所述的一种基于低温相变焊料的正压充制玻璃气室的熔封方法，其特征在于：所述焊料管(3)的相变温度为50℃-600℃；焊料管(3)的相变温度小于玻璃管(2)的软化温度。
4.根据权利要求3所述的一种基于低温相变焊料的正压充制玻璃气室的熔封方法，其特征在于：所述步骤二中，所述焊料管(3)为中空筒状结构；焊料管(3)的外径小于玻璃管(2)的内径；焊料管(3)的内径大于玻璃气室(1)通孔的孔径；焊料管(3)的轴向长度为焊料管(3)外径的2-3倍；实现焊料管(3)不堵塞玻璃气室(1)的通孔。
5.根据权利要求4所述的一种基于低温相变焊料的正压充制玻璃气室的熔封方法，其特征在于：所述步骤三中，抽真空处理后，玻璃气室(1)的压强小于5×10-4Pa。
6.根据权利要求5所述的一种基于低温相变焊料的正压充制玻璃气室的熔封方法，其特征在于：所述步骤四中，所述介质包括碱金属和惰性气体；惰性气体为氙气、氖气、氮气的混合气体。
7.根据权利要求6所述的一种基于低温相变焊料的正压充制玻璃气室的熔封方法，其特征在于：所述步骤四中，设定气压值P为0.1-5MPa。
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