一种基于光纤拉丝技术制作碱金属气室的装置及方法与流程

本发明属于碱金属气室制作技术领域，涉及一种采用棒管式光纤拉丝技术制造一体化成型立方体或圆柱体碱金属气室的装置及方法。

背景技术：

原子碱金属气室是多种基于光与原子相互作用的精密测量仪器，如原子磁强计、原子钟等的敏感元件，其性能优劣直接决定了仪器的灵敏度、稳定性和可靠性。原子碱金属气室主体通常为立方体或圆柱体玻璃泡，其内部充有缓冲气体(如氦气)、淬灭气体(如氮气)以及容易被激光或磁场极化的碱金属原子(如钾、铯)。一方面，出于对技术难度和三维空间对称性的综合考虑，广泛使用圆柱体气室作为表头。另一方面，为降低入射激光和出射激光光路所受影响，使光路调节相对简单，通常使用立方体气室作为原子磁强计的表头。然而，现有技术中普遍采用粘合或焊接玻璃面的方法制造立方体气室，这使气室所能承受的气压有限，并且面与面之间的对接受人为因素影响较大。在使用碱金属气室的超高灵敏物理量测量装置中，由于碱金属气室的不稳定性和几何形状缺陷而导致的测量误差，渐渐成为制约物理量测量精度的不可忽视的误差源。为此，本发明提出一种基于光纤拉丝技术制作碱金属气室的方法，以制造出一体化成型、耐高压、尺寸可精确控制、均匀性和可重复性更好的立方体或圆柱体碱金属气室。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：提出一种基于光纤拉丝技术制作碱金属气室的装置及方法，通过拉伸预制棒和激光切割技术，制作出的碱金属气室体积小、壁厚均匀且薄、一体化成型、气压耐受能力强。

本发明采用的技术方案为：将棒管式光纤拉丝技术和激光切割技术应用于立方体或圆柱体原子碱金属气室的制造。该技术方案使用的制作设备包括了光纤拉丝塔、激光切割装置和气室制作系统共三个部分。其中，光纤拉丝塔由加热部分、馈给部分、拉伸部分和监控部分构成，包括馈给电机、拉丝塔基座、高温加热炉、测径仪、控制电路和拉伸电机，用于拉伸空心预制棒。气室制作系统由抽真空系统、充气系统和原子蒸汽充入系统构成，包括多组通气管道和闸门、薄膜规、分子泵机组、高真空规、U形管——其设计目的是防止碱金属通过管道进入左侧的金属系统对前面的系统造成污染、用于连接充气系统和碱金属蒸汽充入系统的金属-玻璃转接头、充气装置-预制棒接口。激光切割装置包括激光器和聚焦物镜，可以将激光束聚焦于碱金属气室玻璃泡的上下端面，用于截取并密封碱金属气室主体。

使用光纤拉丝技术，可将直径几十/百毫米的预制棒拉制成十几毫米至十几微米的细管。由此可见，本发明可以满足超高灵敏物理量测量对各种不同尺寸气室的需求，尤其在原子碱金属气室小型化方面具有显著优势。

该制作方法具体步骤如下：

步骤1)、炉内温场预先设计成纵向梯度分布，炉温由内置温度传感器监视并反馈至内置温度闭环控制装置实现恒温，以便产生所需的空心预制棒变颈形状。

步骤2)、根据预设的碱金属气室的壁厚、空心预制棒的外径和预设的气室外径选择相应外径和壁厚的空心预制棒。将已选择好的空心预制棒安放在拉丝塔上部的预制棒馈给电机的卡盘上。

步骤3)、将U型管通过金属-玻璃转接头与通气管道和闸门连接，将空心预制棒上端面通过充气装置-预制棒接口(5)和U型管(6)连接。

步骤4)、在控制电路的控制下，馈给电机缓慢地将空心预制棒送入高温加热炉内。在氩气保护下，高温加热炉将预制棒尖端加热至不低于2000摄氏度，在此温度下，足以使空心预制棒软化，软化的熔融态玻璃粘度减小，在其表面张力作用下迅速收缩变细，并由收丝轮向下拉成碱金属气室的主体。

步骤5)、通过测径仪监控玻璃管的外径并反馈至控制系统，及时调节上面预制棒的馈给速度和下面的拉伸速度，将制成的碱金属气室的外径精确控制至预设尺寸。

步骤6)、令激光切割机的出射激光聚焦于拉伸空心预制棒所得玻璃管的下收口，利用激光束切割玻璃管并密封，形成碱金属气室下端面。

步骤7)、开启分子泵机组进行抽真空并充入碱金属蒸汽、缓冲气体和淬灭气体。

步骤8)、令激光切割机的出射激光聚焦于玻璃管的上收口，令激光束截断玻璃管并密封，获得碱金属气室。

本发明技术方案的原理是：使空心预制棒在高温下软化，软化的熔融态玻璃从加热炉底部的喷嘴处受重力作用下垂，控制拉伸速度，使横截面均匀变细直至达到预设气室外径。在碱金属气室气室充好气体之后，使用激光切割技术快速、精确地截断并密封玻璃管，保证碱金属气室上下端面变形有限，对垂直于轴向的两个方向即驱动光路和检测光路影响很小。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1.棒管式光纤拉丝技术成熟，设备通常具有监测和反馈装置，便于通过对空心预制棒馈给速度和温度的控制实现对碱金属气室的尺寸和形状的精确控制。

2.光纤拉丝技术可以将直径几十/百毫米的空心预制棒拉伸成包括十几毫米至十几微米的任意直径的细丝，尤其适用于制造微小尺寸的原子碱金属气室，便于超高灵敏物理量测量装置的小型化和集成化。

3.使用激光切割技术，避免了现有技术中手工切割密封可能造成的漏气问题，且不留泡柄，有利于减小碱金属气室所占空间。

4.通过拉伸空心预制棒制成的碱金属气室的壁厚更均匀。通过拉伸预先计算并选择的不同壁厚的空心预制棒，可以满足超高灵敏物理量测量装置对各种壁厚的碱金属气室的需求。特别地，本发明可以拉制成泡壁更薄的碱金属气室所用玻璃泡，有利于提升碱金属气室通光性能。

5.特别地，在制造立方体碱金属气室时实现了一体化成型，而非现有的玻璃平面焊接或粘合技术，使立方体碱金属气室能够承受的气压更大，几何形状更匀称。

6.不同于现有技术中吹制碱金属气室玻璃泡和充入气体分别进行，本发明同时实现了制作玻璃泡和充入气体，可以通过一套系统获得完整的碱金属气室。

7.本发明在提高碱金属气室的抗压能力和碱金属气室的小型化等方面有重大的意义和潜力，对于多种基于光与原子相互作用的精密测量仪器具有显著的实用价值。

附图说明

图1为本发明碱金属气室气室制作系统示意图；

图2为本发明光纤拉丝塔示意图；

图3为本发明激光切割装置示意图；

图4为本发明整体示意图。

附图标记列示如下：1-通气管道和闸门，2-薄膜规，3-金属-玻璃转接头，4-碱金属蒸汽，5-充气装置-预制棒接口，6-U形管，7-缓冲气体，8-淬灭气体，9-分子泵机组，10-高真空规，11-空心预制棒，12-高温加热炉，13-测径仪，14-碱金属气室玻璃泡主体，15-拉伸电机，16-控制电路，17-光纤拉丝塔基座，18-馈给电机，19-激光束，20-激光器，21-聚焦物镜。

具体实施方式

下面通过附图以及具体实施步骤进一步说明本发明。

本发明是一种基于光纤拉丝技术制作碱金属气室的方法，该方法使用的制作设备包括光纤拉丝塔、激光切割机及其配套装置和气室制作系统共三个部分。其中，光纤拉丝塔由加热部分、馈给部分、拉伸部分和监控部分构成，包括馈给电机18、拉丝塔基座17、高温加热炉12、测径仪13、控制电路16和拉伸电机15，用于拉伸空心预制棒11。气室制作系统由抽真空系统、充气系统和原子蒸汽充入系统构成，包括多组通气管道和闸门1、薄膜规2、分子泵机组9、高真空规10、U形管6——其设计目的是防止碱金属通过管道进入左侧的金属系统对前面的系统造成污染、用于连接充气系统和碱金属蒸汽充入系统的金属-玻璃转接头3、充气装置-预制棒接口5。激光切割装置包括激光器20和聚焦物镜21，可以将激光束19聚焦于碱金属气室玻璃泡的上下端面，用于截取并密封碱金属气室玻璃泡主体14。

具体步骤如下：

步骤1)、高温加热炉12内温度场预先设计成纵向梯度分布，炉温由内置温度传感器监视并反馈至内置温度闭环控制装置实现恒温，以便产生所需的空心预制棒11变颈形状。

步骤2)、空心预制棒的外径和壁厚经过拉伸，成比例缩小为碱金属气室外径和壁厚。结合预设的碱金属气室壁厚、空心预制棒的外径和预设的碱金属气室的外径计算并选择相应外径和壁厚的空心预制棒，将已选择好的空心预制棒11安放在拉丝塔上部的预制棒馈给电机18的卡盘上。

步骤3)、将U型管6通过金属-玻璃转接头3与通气管道和闸门1连接，将空心预制棒11上端面通过充气装置-预制棒接口5和U型管6连接。

步骤4)、在控制电路的控制下，馈给电机18缓慢地将空心预制棒11送入高温加热炉12内。在氩气保护下，高温加热炉将预制棒尖端加热至不低于2000摄氏度，在此温度下，足以使空心预制棒11软化，软化的熔融态玻璃粘度减小，在其表面张力作用下迅速收缩变细，并由拉伸电机15向下拉制成碱金属气室玻璃泡主体14。

步骤5)、通过测径仪13监控玻璃管的外径并反馈至控制电路16，及时调节上面空心预制棒11的馈给速度和下面的拉伸速度，将制成的碱金属气室的外径精确控制至预设尺寸。

步骤6)、令激光切割机的出射激光聚焦于拉伸空心预制棒所得玻璃管的下收口，利用激光束19切割玻璃管并密封，形成碱金属气室下端面。

步骤7)、开启分子泵机组9进行抽真空并充入碱金属蒸汽4、缓冲气体7和淬灭气体8。

步骤8)、令激光切割机的出射激光聚焦于玻璃管的上收口，利用激光束19截断玻璃管并密封，获得碱金属气室。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。