专利名称：用于对原子传感器吸气的系统和方法
用于对原子传感器吸气的系统和方法
政府许可权利本发明是根据美国陆军授予的合同No. W31P4Q-09-C-0348在美国政府支持下作出的。 美国政府对于本发明具有某些权利。
背景技术：
某些原子传感器(atomic sensor)要求超高真空来正确地工作。例如,在冷原子钟 的本体内存在的空气不利地影响时钟的功能性。为了防止空气进入原子传感器的本体，使 用离子泵、涡轮分子泵等移除在该本体内的空气。然而，随着时间的推移，小的泄漏或者颗 粒(particale)除气作用允许空气缓慢地进入传感器本体。为了维持在传感器本体内的真 空，不可蒸发的吸气剂(getter)被放置在传感器内以移除进入传感器本体的空气。然而， 为了具有足够的泵送速度和容量，不可蒸发的吸气剂变得相对大并且不可蒸发的吸气剂的 尺寸限制原子传感器的、可能的尺寸范围。在某些应用中，原子传感器的尺寸要求妨碍了使 用不可蒸发的吸气剂来维持在原子传感器内的真空。发明内容
本发明的实施例提供用于合成地形(synthetic terrain)显示器的系统和方法并 且将会通过阅读和研究以下说明书而得到理解。
本发明的实施例提供用于提供原子传感器装置的、改进的系统和方法。在一个实 施例中，该装置包括传感器本体，该传感器本体封装原子传感器，其中该传感器本体包含位 于传感器本体上的气体抽空部位(site)，该气体抽空部位被配置为连接到气体抽空装置。 该装置还包括被耦合到传感器本体中的开口的吸气剂容器，在吸气剂容器中的开口被耦合 到传感器本体中的开口，从而在传感器本体内的气体能够自由地进入吸气剂容器。该装置 进一步包括在吸气剂容器内封装的可蒸发吸气剂，可蒸发吸气剂背离传感器本体。
理解到附图仅仅描绘了示例性实施例并且因此并非被视为在范围方面是限制性，将通 过使用附图带有另外的特征和细节地描述示例性实施例，其中图1是用于维持原子传感器中的真空的系统的一个实施例的图。
图2根据一个实施例示意吸气剂紧固器(getter securer)的一个实施例。
图3示意吸气剂激活装置的一个实施例。
图4是示出原子钟的实现的一个实施例的框图。
图5是根据一个实施例描述从原子传感器抽空空气的流程表。
根据惯例，所描述的各种特征未按照比例绘制，而是被绘制用于强调与示例性实 施例有关的具体特征。
具体实施方式
在以下详细说明中，对于附图进行参考，附图形成本说明的一个部分，并且在其中通过示意示出具体的示意性实施例。然而，应该理解，可以利用其它的实施例，并且可以作出逻辑、机械和电气的变化。进而，在附图和说明书中提出的方法不被理解为限制可以执行各个动作的顺序。以下详细说明因此不被以限制性的意义理解。
图1是示意用于维持在原子传感器本体102中的真空的系统100的图。在某些实现中，原子传感器116是原子钟、陀螺仪、加速度计等。此外，原子传感器116被封装在传感器本体102内，其中该传感器本体是用于保护原子传感器的外壳。在某些实现中，存在于原子传感器的传感器本体102内的气体(诸如氮气、氧气、氩气等)影响原子传感器执行它的设计功能的能力。例如，为了正确的操作，冷原子钟通常在超高真空中操作。为了防止气体污染影响原子传感器的功能性，系统100包括被附着到气体抽空部位118和119的气体抽空装置121和120。气体抽空部位118和119提供其中气体抽空装置121和120附着到传感器本体102以抽出在传感器本体102内的气体的位置。使用可拆离的配件、热真空密封、吸气、填充/抽空循环、温度烘焙、氧气排放等通过气体抽空部位118和119抽空气体。在某些实施例中，气体抽空装置121和120是被附着到传感器本体102上的气体抽空部位118 和119的填充管。
当气体抽空装置121和120是填充管时，在某些实现中，填充管被用作到传感器本体102的内部的接入点以将用于原子传感器的操作的碱金属(诸如铷、铯或者任何其它适当的碱金属)置于传感器本体102内。而且，还能够将离子泵或者涡轮分子泵附着到填充管以通过填充管从传感器本体102内移除空气。当通过填充管从传感器本体102内抽空空气时，填充管被密封以获得真空密闭的密封并且使用各种技术维持真空，包括例如夹紧(pinching)和焊接或者阀门。在某些实现中，腔室被抽空以产生真空并且被密封。然后通过压挤胶囊(或者利用另一项适当的技术)，碱金属被释放到处于真空下的腔室中。在一种可替代实现中，在碱金属被释放到腔室中之后，该腔室被密封。换言之，碱金属在抽空之前被引入腔室中，但是碱金属原子不被释放，直至在抽空之后。在进一步的实施例中，填充管用作用于为了传感器本体102的放电清洗而形成等离子体的电极，并且增强传感器本体 102的抽空(B卩，空 腔抽气)和烘焙(B卩，加热传感器本体102以促进抽空)。在于2009年6月 15日提交并且在这里作为’878申请引用的、题目为“用于冷原子主频标准的物理学封装设计(PHYSICS PACKAGE DESIGN FOR A COLD ATOM PRIMARY FREQUENCY STANDARD)” 的美国专利申请系列No. 12/484,878 (代理人案号H0020713-5609)中进一步描述了填充管。’ 878 申请在此通过引用而被并入。
当气体被从传感器本体102内移除时，原子传感器材料被置于传感器本体102中。 例如，当原子传感器116是原子钟时，铷或者铯通过气体抽空部位118和/或119而被置于已被抽空的传感器本体102中。在某些实现中，当原子传感器材料被置于传感器本体102中时，气体抽空部位118和119被密封。然而，气体诸如铯或者铷和其它污染性气体可能在传感器本体102中余留，可能通过在结合材料如娃酸钠中的破碎部或者玻璃料断裂部(frit fracture)在制造之后进入传感器本体102,或者可能由于内部材料的除气作用而在传感器本体102内发展。为了在传感器本体102内形成并且维持真空，吸气剂106进一步移除残余空气和进入传感器本体102的空气。
在该实施例中，在原子传感器116的制造结束之后，可蒸发吸气剂106维持在传感器本体102内的真空。在制造期间，制造过程将可蒸发吸气剂106 (还被称作可闪蒸(flashable)吸气剂)置于传感器本体102内，但是在制造期间，可蒸发吸气剂106尚未被闪蒸。可蒸发吸气剂106包括吸气剂材料的蓄存器。在某些实现中，当泵从传感器本体107内移除空气并且制造过程密封传感器本体102时，制造过程围绕可蒸发吸气剂106置放吸气剂激活装置并且通过加热吸气剂材料的蓄存器而激活吸气剂106。可替代地，在吸气剂106的激活之后，传感器本体102被密封。在某些实现中，吸气剂材料包括活性金属诸如钡、铝、镁、钙、钠、锶、铯、磷等。被施加到吸气剂材料的热量引起吸气剂材料蒸发并且涂覆传感器本体102的内侧表面。在制造过程完成之后在传感器本体102内的气体和在制造之后进入传感器本体102的气体化学吸附到在传感器本体102的内侧上的吸气剂材料的涂层。例如，制造过程将包括钡的蓄存器的可蒸发吸气剂置于传感器本体102内。吸气剂激活器加热钡，钡蒸发并且涂覆包含吸气剂的本体的内侧表面。因为钡的反应性质,在本体内的空气化学吸附到钡涂层。然而，如果吸气剂材料将要涂覆原子传感器116在传感器本体102内的一部分，则吸气剂材料的蒸发能够损害原子传感器116的功能性。而且，如果被施加到原子传感器116，则被用于激活吸气剂106的热量能够损坏原子传感器116。为了防止损坏或者干扰原子传感器116的功能性，制造过程将可蒸发吸气剂106置于外部吸气剂容器104内。吸气剂容器104是带有附着到传感器本体102中的开口的开口的外罩。吸气剂容器104封装吸气剂106从而从吸气剂106蒸发的吸气剂材料涂覆吸气剂容器104的内侧表面而非传感器本体102的内侧表面。例如，在某些实现中，可蒸发吸气剂106是扁平金属环，该金属环带有围绕该环的一侧延伸的通道。此外，制造过程利用受到挤压的吸气剂材料填充该通道。制造过程将吸气剂106置于吸气剂容器104内从而吸气剂的、包含通道的一侧背离传感器本体102中的开口。因为该环背离该开口，所以吸气剂材料将远离传感器本体102地蒸发并且涂覆吸气剂容器104的内侧表面。在可替代的实现中，可蒸发吸气剂106是填充有吸气剂材料的盘(pan)。类似于环地，该盘的、填充有吸气剂材料的一侧背离传感器本体102中的开口。如在这里所使用地，背离传感器本体102意味着可蒸发吸气剂106以如此方式存储吸气剂材料，使得吸气剂材料朝向吸气剂容器104远离传感器本体102地蒸发。在进一步的实施例中，在传感器本体102的内部和吸气剂容器104之间的开口允许在传感器本体102中余留的任何空气在吸气剂容器104和传感器本体102之间自由地循环。例如，制造过程将吸气剂容器104结合到传感器本体102从而在吸气剂容器中的开口结合到在传感器本体102中的开口。此外，在吸气剂容器104和传感器本体102的组合体内余留的任何空气自由地围绕被封装的容积循环从而它与在吸气剂容器104的内表面上的吸气剂材料的涂层形成接触并且化学吸附于此。在某些实现中，吸气剂容器104被类似杯体地成形，其中杯体的口部附着到在传感器本体102中的开口并且吸气剂106背离传感器本体102从而吸气剂材料涂覆吸气剂容器104的杯状形状的底部。在某些实现中，吸气剂容器104由绝缘材料制造。施加热量激活吸气剂106。如果吸气剂容器104将在吸气剂106的激活期间形成的热量传导到传感器本体102，则该热量能够损坏原子传感器。因此，被用于制造吸气剂容器104的材料将传感器本体102从在激活吸气剂106时形成的热量绝缘。例如，在这种实施例中，吸气剂容器104由玻璃、陶瓷等制造。在可替代实施例中，当使用感应加热来加热吸气剂106并且吸气剂容器104被从吸气剂106热隔离时，吸气剂容器104由并不响应于感应加热的材料制造。例如，吸气剂容器104由非铁磁性材料诸如招制造。
在某些实施例中，在于吸气剂容器104被结合到传感器本体102之处提供气密性 密封时，密封件Iio将吸气剂容器104紧固到传感器本体102。为了利用密封件110将吸气 剂容器104紧固到传感器本体102，在其中吸气剂容器104接触传感器本体102的位置处应 用密封材料。例如，在某些实施例中，在其中吸气剂容器104和传感器本体102连接的位置 处应用玻璃料(frit)。随后，传感器本体102和吸气剂容器104被加热。热量引起所应用 的材料围绕其中吸气剂容器104接触传感器本体102的位置流动。当所应用的材料已经围 绕其中吸气剂容器104接触传感器本体102的位置流动时，所应用的材料被冷却。冷却使 得材料硬化并且围绕传感器本体102和吸气剂容器104的结合部形成气密性密封。例如， 所应用的玻璃料熔化并且冷却，从而在传感器本体102和吸气剂容器104之间形成硬化的 气密性连接。在可替代的实现中，吸气剂容器104由与传感器本体102相同的材料制造，从 而吸气剂容器104和传感器本体102是一件式材料。
在某些实现中，传感器本体102连接到多个吸气剂容器。例如，在图1中，传感器本 体102连接到第一吸气剂容器104和第二吸气剂容器112。每一个吸气剂容器104和112 均包括吸气剂，例如，吸气剂容器104封装第一吸气剂106并且吸气剂容器112封装第二吸 气剂114。在某些实现中，该多个吸气剂容器增加了被吸气剂材料涂覆的表面面积。增加的 表面面积改进了该多个吸气剂维持在传感器本体102内的真空的能力。
在某些实现中，吸气剂紧固器在吸气剂容器104内侧的位置处紧固吸气剂106。如 在这里所使用地，短语“吸气剂紧固器”指的是在吸气剂容器104内的位置处紧固吸气剂 106的结构或者装置。例如，在图1所示的实施例中，吸气剂106被附着到扣环108。扣环 108被夹紧并且被插入吸气剂容器104中。当扣环108位于吸气剂容器104内的所期望位 置处时，扣环108被释放并且扣环108膨胀以将吸气剂106紧固到位。可替代地，能够作为 吸气剂容器104的一部分或者传感器本体102的一部分制造吸气剂紧固器。
图2示意根据一个实施例的扣环208和吸气剂206。在某些实施例中，扣环208是 能够变形以在吸气剂容器内侧适配的金属弹簧状环。为了有助于扣环208变形，在该实施 例中，扣环208包括在翼片(tab)203中的孔201。工具能够通过孔201而在翼片203中插 入以或者压缩或者拉伸扣环208。将翼片203挤压到一起降低了扣环208的直径，从而允许 它在吸气剂容器内适配。当工具在所期望的位置处将扣环208置于吸气剂容器内时，该工 具释放扣环208，扣环朝着吸气剂容器的侧面弹起。从扣环208针对吸气剂容器的侧面的压 力将扣环208紧固到位。
在至少一个实施例中，连接器205将扣环208连接到吸气剂206。连接器205允 许扣环208还在吸气剂容器内将吸气剂206紧固到位。吸气剂206是带有吸气剂材料通道 207的环。吸气剂材料通道207在组装期间保持吸气剂材料。例如，在某些实现中，吸气剂 材料通道207包含已经被挤压到吸气剂材料通道207中的钡。在吸气剂材料通道207中的 吸气剂材料保持位于吸气剂材料通道207内，直至吸气剂206被激活。
图3示意框图，该框图示意用于激活在被附着到传感器本体302的吸气剂容器304 内的可蒸发吸气剂306的系统。在一种实现中，为了激活吸气剂306，吸气剂激活装置309 邻近于在吸气剂容器304内的吸气剂306的位置被暂时地附着到吸气剂容器304的外侧表 面。吸气剂激活装置309在该实例中是RF感应线圈或者加热在吸气剂容器304内的吸气剂306的其它元件。通过将吸气剂激活装置309置于吸气剂容器304的外侧表面上，其中 吸气剂容器304处于传感器本体302的外侧，吸气剂激活装置309激活吸气剂306而不破 坏传感器本体302的内部。此外，吸气剂容器302由在某些实施例中并不响应于RF感应线 圈而变热的、类似玻璃的绝缘性材料制成。在可替代实施例中，加热吸气剂306的其它装置 被用于激活诸如激光加热器。一旦吸气剂306被激活，吸气剂便能够起作用用于保持在原 子传感器内的真空。
在某些实施例中，原子传感器是原子钟。可蒸发吸气剂的实现使得能够制造能够 被用于向依赖于频率的应用如全球定位系统卫星、无人飞行器、导航系统等提供基准频率 信号的小型原子钟。图4示意原子钟402在系统400中的实现。在某些实施例中，实现如上 所述的可蒸发吸气剂地构造的原子钟402是足够小的，从而在微机电系统(MEMS)中使用。 例如，作为MEMS装置404的一个部分安装原子钟402。原子钟402产生基准频率并且向依 赖于频率的装置406提供基准频率。由原子钟402提供的基准频率增加了依赖于频率的装 置406的操作准确度。例如，当依赖于频率的装置406是全球定位系统卫星的构件时，原子 钟402允许卫星为了准确的位置计算提供更加准确的基准时间。
图5是用于从原子传感器抽空空气的方法500的流程图。方法500能够被执行 用于制造在图1中的上述系统100。在方框502处，可蒸发吸气剂被紧固在吸气剂容器内。 在方框504处，吸气剂容器被附着到传感器本体中的开口从而可蒸发吸气剂背离传感器本 体。可替代地，在吸气剂容器被附着到传感器本体之后，可蒸发吸气剂被紧固在吸气剂容器 内。在某些实现中，其中原子传感器是原子钟，传感器构件如铷被插入传感器本体中。在方 框506处，吸气剂容器被密封到传感器本体从而吸气剂容器和传感器本体利用气密性密封 地连接到彼此。在方框508处，利用被附着到传感器本体上的气体抽空部位的气体抽空装 置，空气被从传感器本体内侧抽空。在方框510处,在传感器本体上的气体抽空部位被密 封。在方框512处，可蒸发吸气剂被激活以涂覆吸气剂容器的内侧表面。例如，被应用于吸 气剂容器的外部表面的加热器加热可蒸发吸气剂。在可蒸发吸气剂中的活性材料蒸发并且 涂覆吸气剂容器的内侧表面。吸气剂材料在吸气剂容器的内侧表面上的涂层化学吸附存在 于传感器本体内的空气。
示例性实施例实例I包括一种原子传感器装置，该装置包括传感器本体，该传感器本体封装原子传 感器，其中该传感器本体包含位于传感器本体上的气体抽空部位，气体抽空部位被配置为 连接到气体抽空装置；被耦合到在传感器本体中的开口的吸气剂容器，在吸气剂容器中的 开口被耦合到在传感器本体中的开口，从而在传感器本体内的气体能够自由地进入吸气剂 容器；和在吸气剂容器内封装的可蒸发吸气剂，可蒸发吸气剂背离传感器本体。
实例2包括实例I的装置，进一步包括被配置为在吸气剂容器内的位置处紧固可 蒸发吸气剂的吸气剂紧固器。
实例3包括实例2的装置,其中吸气剂紧固器是扣环箍(snap ring hoop),扣环箍 经由连接器而被焊接到可蒸发吸气剂。
实例4包括实例1-3中任何一个的装置，其中吸气剂容器由绝缘材料制成。
实例5包括实例1-4中任何一个的装置，进一步包括将吸气剂容器结合到传感器 本体的气密性密封件。
实例6包括实例5的装置，其中该气密性密封件包括被加热的玻璃料。
实例7包括实例1-6中任何一个的装置，其中可蒸发吸气剂通过感应加热而被激活。
实例8包括实例1-7中任何一个的装置，其中可蒸发吸气剂包括在其中具有通道 的环，该通道包含吸气剂材料，该通道背离传感器本体的内部。
实例9包括实例8的装置，其中吸气剂材料是钡。
实例10包括实例1-9中任何一个的装置，进一步包括至少一个另外的吸气剂容 器；其中传感器本体被附着到该至少一个另外的吸气剂容器，该至少一个另外的吸气剂容 器包含另外的可蒸发吸气剂。
实例11包括一种用于从原子传感器抽空气体的方法，该方法包括在吸气剂容器 内紧固可蒸发吸气剂；将吸气剂容器附着到在传感器本体中的开口从而可蒸发吸气剂背离 传感器本体；将吸气剂容器密封到传感器本体从而吸气剂容器和传感器本体利用气密性密 封件连接到彼此；利用被附着到在传感器本体上的气体抽空部位的气体抽空装置从传感器 本体的内侧抽空气体；密封在传感器本体上的气体抽空部位；和,激活可蒸发吸气剂以涂 覆吸气剂容器的内侧表面。
实例12包括实例11的方法,其中激活可蒸发吸气剂包括将感应线圈附着到吸气 剂附着部的外部表面；并且使得电流通过感应线圈以加热可蒸发吸气剂。
实例13包括一种用于提供基准频率的系统，该系统包括原子钟，该原子钟被配置 为产生基准频率信号，其中该原子钟包括用于容纳原子钟的时钟本体；位于时钟本体上的 气体抽空部位,该体抽空部位被配置为附着到气体抽空装置；用于附着到时钟本体的吸气 剂容器，该吸气剂容器包括容器开口 ；可蒸发吸气剂；和在吸气剂容器内紧固可蒸发吸气 剂从而可蒸发吸气剂背离容器开口的吸气剂紧固器；和将容器开口密封到在时钟本体中的 开口的密封件；其中该系统进一步包括被耦合到原子钟的、依赖于频率的装置，依赖于频率 的装置接收基准频率信号。
实例14包括实例13的任何一个的系统，其中吸气剂紧固器是扣环箍，扣环箍经由 连接器而被焊接到可蒸发吸气剂。
实例15包括实例13-14中任何一个的系统，其中使用玻璃料制成气密性密封性。
实例16包括实例13-15中任何一个的系统，进一步包括被配置为激活可蒸发吸气 剂的吸气剂激活器。
实例17包括实例16的任何一个的系统，其中吸气剂激活器包括邻近于可蒸发吸 气剂地位于吸气剂容器的外部表面上的感应线圈。
实例18包括实例13-17中任何一个的系统，其中可蒸发吸气剂包括在其中具有通 道的金属环，该通道包含吸气剂材料。
实例19包括实例13-18中任何一个的系统，其中通过该至少一个填充管从原子传 感器的本体内侧将气体抽空。
实例20包括实例13-19中任何一个的系统，其中依赖于频率的装置是全球定位系 统卫星；无人飞行器；和导航系统中的至少一个。
虽然已经在这里示意并且描述了具体实施例，但是本领域普通技术人员将会理 解，被计算用于实现相同意图的任何布置均可以替代所示出的具体实施例。此外，如在说明书主体中提到的术语气体和空气关于使用吸气剂抽空气体或者空气被可互换地使用。因 此，明确地意图是本发明仅仅由权利要求及其等价物限制。
权利要求
1.ー种原子传感器装置(100)，所述装置包括 传感器本体(102)，传感器本体(102)封装原子传感器(116)，其中传感器本体(102)包含位于传感器本体(102)上的气体抽空部位(118，119)，气体抽空部位(118，119)被配置为连接到气体抽空装置(120，121)； 被耦合到传感器本体(102)中的开ロ的吸气剂容器(104)，在吸气剂容器(104)中的开ロ被耦合到在传感器本体(102)中的开ロ，从而在传感器本体(102)内的气体能够自由地进入吸气剂容器(104);和 在吸气剂容器(104)内封装的可蒸发吸气剂(106)，可蒸发吸气剂(106)背离传感器本体(102)。
2.根据权利要求1的装置，进ー步包括被配置为在吸气剂容器(104)内的位置处紧固可蒸发吸气剂(106)的吸气剂紧固器。
3.根据权利要求1的装置，进ー步包括将吸气剂容器(104)结合到传感器本体(102)的气密性密封件(I 10)。
全文摘要
公开了用于对原子传感器吸气的系统和方法。本发明的实施例提供用于提供原子传感器装置的改进的系统和方法。在一个实施例中，该装置包括传感器本体，该传感器本体封装原子传感器，其中该传感器本体包含位于传感器本体上的气体抽空部位，该气体抽空部位被配置为连接到气体抽空装置。该装置还包括被耦合到传感器本体中的开口的吸气剂容器，在吸气剂容器中的开口被耦合到传感器本体中的开口，从而在传感器本体内的气体能够自由地进入吸气剂容器。该装置进一步包括在吸气剂容器内封装的可蒸发吸气剂，可蒸发吸气剂背离传感器本体。
文档编号G01D11/26GK102997959SQ201210240619
公开日2013年3月27日 申请日期2012年7月12日 优先权日2011年9月13日
发明者C.M.肖伯, J.S.斯特拉布利, R.H.索尔兰, C.朗内斯, D.L.史密斯, T.D.斯塔克 申请人:霍尼韦尔国际公司