一种氢源装置及其制造方法、以及氢原子频标与流程

本发明涉及氢原子频标领域，具体涉及一种氢源装置及其制造方法、以及氢原子频标。

背景技术：

众所周知，时间或频率是基本物理量之一。试验证明，微观量子态的跃迁有稳定不变的周期性的信号，从而作为一种时间或频率计量的标准，即以原子微观运动的量子跃迁作为量子频率标准。精准的计时支撑着我们的日常生活，许多我们生活中依赖的技术比如手机、互联网、卫星导航系统都需要依赖于原子频标精准的计时。

氢原子频标具有很高的短期和长期频率稳定度，目前，就几秒以上的取样时间的稳定度而言，氢原子频标是最优越的。氢源储氢的多少决定了氢原子频标的长期寿命，传统氢原子频标一般采用氢瓶储存液态氢气的方式，按照控制流量和使用寿命设计氢气储存量。为保证氢源的纯度，采用镍提纯器的方式对氢气进行提纯。氢源体积非常大，而且不适用于微电子机械系统(micro-electromechanicalsystem，mems)，而随着微电子向纳电子技术的推进以及微电子机械系统超精细加工技术的发展，氢原子频标的微型化是必然趋势。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供了一种氢源装置及其制造方法、以及氢原子频标。本发明提供的一种氢源装置及其制造方法、以及氢原子频标，使氢源微型化，同时，在氢原子频标中使氢气循环利用，实现了氢源的闭环微系统，解决传统开放式原子制备系统效率不高的缺点，促使氢原子频标实现芯片级体积。

本发明采用的技术方案如下：

一种氢源装置，用于向氢原子频标提供氢源，包括硅基腔以及在中压状态下封装在硅基腔中储氢材料，所述硅基腔上设有向氢原子频标输送氢源的出口，所述储氢材料为在过饱和氢气环境中吸附氢后的储氢材料。所述中压状态是指工作压力在10pa～1000pa的范围内。所述吸附的氢包括氢分子、氢原子、氢化物等。在所述出口处，氢气自然释放。

上述的一种氢源装置，其中，所述硅基腔上还设有从氢原子频标回收氢的入口。所述回收的氢包括氢分子、氢原子、氢化物等。

上述的一种氢源装置，其中，所述硅基腔的入口处设有压差改变装置，在所述硅基腔入口处，所述压差改变装置使硅基腔内部的压强小于硅基腔外部的压强。

上述的一种氢源装置，其中，所述储氢材料包括非晶合金储氢材料和/或晶体合金储氢材料。

上述的一种氢源装置，其中，所述非晶合金储氢材料为非晶合金ti-zr-ni-cr-v体系储氢材料。

上述的一种氢源装置，其中，所述过饱和氢气环境为氢气浓度大于或者等于99.99％的氢气环境。

上述的一种氢源装置，其中，所述在过饱和氢气环境中吸附氢后的储氢材料包括所述非晶合金ti-zr-ni-cr-v体系储氢材料经过活化后在室温环境下置于过饱和氢气环境中吸附氢至饱和吸氢状态的非晶合金ti-zr-ni-cr-v体系储氢材料。

上述的一种氢源装置，其中，所述经过活化后在室温环境下置于过饱和氢气环境中吸附氢至饱和吸氢状态的非晶合金ti-zr-ni-cr-v体系储氢材料呈薄膜状。

一种氢源装置的制造方法，包括如下步骤：

将储氢材料在中压状态下生长在硅基腔中；

向硅基腔中注入过饱和氢气；

将硅基腔封装；

在所述硅基腔上设置向氢原子频标输送氢源的出口。

上述的一种氢源装置的制造方法，其中，还包括在所述硅基腔上设置从氢原子频标回收氢的入口。

上述的一种氢源装置的制造方法，其中，所述储氢材料包括非晶合金储氢材料和/或晶体合金储氢材料。

上述的一种氢源装置的制造方法，其中，所述非晶合金储氢材料为非晶合金ti-zr-ni-cr-v体系储氢材料。

上述的一种氢源装置的制造方法，其中，所述过饱和氢气为氢气浓度大于或者等于99.99％的氢气。

上述的一种氢源装置的制造方法，其中，所述将储氢材料在中压状态下生长在硅基腔中包括：将所述非晶合金ti-zr-ni-cr-v体系储氢材料经过活化后在中压状态下生长在硅基腔中。

上述的一种氢源装置的制造方法，其中，包括：

所述非晶合金ti-zr-ni-cr-v体系储氢材料，通过mpcvd技术，低温外延生长呈ti-zr-ni-cr-v体系储氢材料薄膜状态；

向硅基腔中注入过饱和氢气至呈薄膜状态的所述非晶合金ti-zr-ni-cr-v体系储氢材料达到饱和吸氢状态；

将饱和吸氢状态的所述非晶合金ti-zr-ni-cr-v体系储氢材料薄膜在中压状态下封装在硅基腔中。

上述的一种氢源装置的制造方法，其中，还包括在所述硅基腔的入口处设置压差改变装置，在所述硅基腔入口处，所述压差改变装置使硅基腔内部的压强小于硅基腔外部的压强。

一种氢原子频标，其中，包括上述的氢源装置。

本发明提供的一种氢源装置及其制造方法、以及氢原子频标，氢源采用固态循环式氢源系统，将源源不断的氢气提供给氢原子频标，再从氢原子频标的信号流程对应的装置中回收，以达到循环利用。储氢材料优选非晶合金ti-zr-ni-cr-v体系储氢材料，该材料在室温下即具有一定的储氢能力，通过改变环境压力或温度，具有吸氢/释氢流量可进行控制的特性，力学特性优异，能够实现氢源的闭环微系统。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一种氢源装置的一实施例的结构示意框图；

图2是本发明一种氢源装置的另一实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

如图1所示，一种氢源装置，用于向氢原子频标提供氢源，包括硅基腔10以及在中压状态下封装在硅基腔10中储氢材料20，所述硅基腔10上设有向氢原子频标输送氢源的出口11，所述储氢材料20为在过饱和氢气环境中吸附氢后的储氢材料。所述中压状态是指工作压力在10pa～1000pa的范围内。所述吸附的氢包括氢分子、氢原子、氢化物等。在所述出口11处，氢气自然释放。

在一实施例中，所述硅基腔10上还设有从氢原子频标回收氢的入口12。所述回收的氢包括氢分子、氢原子、氢化物等。

在一实施例中，所述硅基腔10的入口12处设有压差改变装置40，在所述硅基腔入口12处，所述压差改变装置40使硅基腔内部的压强p1小于硅基腔外部的压强p2。

在一实施例中，所述储氢材料包括非晶合金储氢材料和/或晶体合金储氢材料。

在一实施例中，所述非晶合金储氢材料为非晶合金ti-zr-ni-cr-v体系储氢材料。

在一实施例中，所述过饱和氢气环境为氢气浓度大于或者等于99.99％的氢气环境。

在一实施例中，所述在过饱和氢气环境中吸附氢后的储氢材料包括所述非晶合金ti-zr-ni-cr-v体系储氢材料经过活化后在室温环境下置于过饱和氢气环境中吸附氢至饱和吸氢状态的非晶合金ti-zr-ni-cr-v体系储氢材料。

在一实施例中，所述经过活化后在室温环境下置于过饱和氢气环境中吸附氢至饱和吸氢状态的非晶合金ti-zr-ni-cr-v体系储氢材料呈薄膜状。

如图2所示，在一实施例中，一种氢源装置，用于向氢原子频标提供氢源，图中空心箭头示出本发明提供的一种氢源装置用于氢原子频标时氢的循环过程。本实施例中，所述氢源装置与氢原子频标的其他装置均封装在总硅基腔30中，所述氢源装置包括包括硅基腔10以及在中压状态下封装在硅基腔10中储氢材料20，所述硅基腔10上设有向氢原子频标输送氢源的出口11，所述硅基腔10上还设有从氢原子频标回收氢的入口12。所述硅基腔10的入口12处设有压差改变装置40，在所述硅基腔入口12处，所述压差改变装置40使硅基腔内部的压强小于硅基腔外部的压强。

在所述出口11处，氢气自然释放。被氢原子频标的其他装置处理使用后，氢并未被消耗，由于是封装在总硅基腔30中，因此，氢处于游离状态，在压差改变装置40的作用下，在所述硅基腔10入口12处，所述硅基腔10内部的压强小于硅基腔10外部的压强，使硅基腔10外部的氢通过其入口12进入硅基腔10内，从而实现氢的循环利用。上述循环过程中的氢包括氢分子、氢原子、氢化物等。

一种氢源装置的制造方法，包括如下步骤：

将储氢材料在中压状态下生长在硅基腔中；

向硅基腔中注入过饱和氢气；

将硅基腔封装；

在所述硅基腔上设置向氢原子频标输送氢源的出口。

在一实施例中，上述的一种氢源装置的制造方法，还包括在所述硅基腔上设置从氢原子频标回收氢的入口。

在一实施例中，上述的一种氢源装置的制造方法，所述储氢材料包括非晶合金储氢材料和/或晶体合金储氢材料。

在一实施例中，上述的一种氢源装置的制造方法，所述非晶合金储氢材料为非晶合金ti-zr-ni-cr-v体系储氢材料。

在一实施例中，上述的一种氢源装置的制造方法，所述过饱和氢气为氢气浓度大于或者等于99.99％的氢气。

在一实施例中，上述的一种氢源装置的制造方法，所述将储氢材料在中压状态下生长在硅基腔中包括：将所述非晶合金ti-zr-ni-cr-v体系储氢材料经过活化后在中压状态下生长在硅基腔中。

所述活化即对合金材料添加了ni、cr、v元素，采用熔体快淬技术，制备出力学性能优良的ti-zr-ni-cr-v非晶吸氢合金。在ti-zr-ni-cr-v非晶合金进行吸氢气实验中，非晶合金的激活温度为473k。经活化后，ti-zr-ni-cr-v非晶合金在室温下具有一定的吸氢能力，吸氢量为23.6ml/g，而且起始(0～1ks)吸氢速率很快，室温拥氢量为10.2ml/g，拥氢能力强，有利于室温工况的应用。

在一实施例中，上述的一种氢源装置的制造方法，包括：

所述非晶合金ti-zr-ni-cr-v体系储氢材料，通过mpcvd技术，低温外延生长呈ti-zr-ni-cr-v体系储氢材料薄膜状态；

向硅基腔中注入过饱和氢气至呈薄膜状态的所述非晶合金ti-zr-ni-cr-v体系储氢材料达到饱和吸氢状态；

将饱和吸氢状态的所述非晶合金ti-zr-ni-cr-v体系储氢材料薄膜在中压状态下封装在硅基腔中。

在一实施例中，上述的一种氢源装置的制造方法，还包括在所述硅基腔的入口处设置压差改变装置，在所述硅基腔入口处，所述压差改变装置使硅基腔内部的压强小于硅基腔外部的压强。

一种氢原子频标，其中，包括上述的氢源装置。

对于本领域技术人员而言，显然本申请不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本申请的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本申请。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本申请的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本申请内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。装置权利要求中陈述的多个单元或装置也可以由一个单元或装置通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

当然，对于本领域技术人员而言，显然本申请不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本申请的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本申请。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本申请的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本申请内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。