一种基于低温制冷机的原子气室内壁碱金属迁移装置及方法与流程

本发明涉及原子气室制造及评估技术领域，尤其是涉及一种原子气室内壁碱金属迁移技术。

背景技术：

原子气室是原子陀螺仪、原子磁力仪、原子钟等仪表的核心部件，原子气室的性能将直接影响上述仪表的最终精度。不同用途向玻璃壳内充入不同量的碱金属和惰性气体，其中碱金属包括铷、铯和钾，惰性气体包括氦气、氮气、氙气、氖气等。对微小玻壳内碱金属的量进行精确检测是气室评估中的重要问题，将直接影响原子气室的性能和工作寿命。其基本原理是首先将原子气室内的碱金属进行集中富集，再通过差示扫描量热仪(dsc)等进行测量。

对于原子气室内铷等碱金属的迁移，目前主要通过手工火焰驱赶的方式，使气室内碱金属产生相变，经过固相-气相-固相等变化，碱金属在玻壳内远离火焰的位置集中，该方法碱金属的输运富集效果较差，存在集中度低、富集区域过大等问题，且对操作者技艺要求较高，重复性差。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于低温制冷机的原子气室内壁碱金属迁移装置和方法，本发明通过整体加热和局部制冷的方式，利用制冷机实现气室碱金属富集位置的精准热控制，实现原子气室内壁碱金属的精准输运和迁移。其中，相对于现有火焰加热等方式进行气室内壁碱金属的驱赶迁移，本发明具有更高的碱金属富集率，更小的碱金属集中区域，操作简易，具有良好的可重复性。利用本发明能够实现原子气室内壁碱金属的高效输运，对于原子气室内壁碱金属的分布控制与原子气室内碱金属量的精确评估具有重要意义。

本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：

一种基于低温制冷机的原子气室内壁碱金属迁移装置包括加热体、保温材料、低温制冷机、冷桥、冷头、温度传感器、温度巡检仪和控制器；

加热体通过导热与辐射形式对原子气室进行加热；

保温材料包覆在加热体外侧，减少加热体向环境的漏热，降低加热功耗；

低温制冷机与冷桥通过机械方式紧密配合；

通过冷桥将低温制冷机的冷量输送至冷头，冷头则直接与原子气室碱金属富集面直接接触，通过导热形式进行制冷；

温度传感器分别测量冷头的制冷温度和加热体的加热温度，并通过温度巡检仪进行读数，温度数据实时传输至控制器；

控制器利用pid控制，根据设定温度和时间分别对低温制冷机和加热体进行实时控制。

所述的加热体为电阻式加热，加热温度最高300℃。

所述的保温材料为保温棉，保温棉厚度为5mm，缠绕层数3层以上。

所述的低温制冷机为液氮温区脉冲管制冷机，制冷机最低制冷温度为-200℃。

所述的冷桥和冷头均为无氧铜材质。

一种基于低温制冷机的原子气室内壁碱金属迁移装置及方法，包括以下步骤：

(1)将原子气室放入加热体固定，使碱金属富集面与冷头紧密接触；

(2)控制器设定加热温度th及时间t1，加热体开始升温；

(3)控制器设定制冷温度tc及时间t2，制冷机开始降温；

(4)加热体和制冷机到达设定温后，原子气室碱金属富集面形成温度过渡区；

(5)经过设定时间间隔t1后，关闭加热，制冷机继续工作；

(6)经过设定时间间隔t2后，关闭制冷，制冷机停止工作；

(7)原子气室自然回温，期间实时监测温度传感器读数；

(8)将恢复至常温后的原子气室取出，对碱金属输运富集效果进行检查，对其表面进行清洁。

所述th为260～280℃，时间t1为8～10小时。

所述tc为-80～-60℃，时间t2为10～12小时

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)、采用本方法对原子气室内碱金属进行迁移时，通过总体制冷和局部加热的方式，具有温度可调节范围广的优势，可实现原子气室不同位置的精确控温，具有更高的碱金属富集率，更小的碱金属集中区域；

(2)、采用本方法对原子气室内碱金属进行迁移时，本装置对加热和制冷进行程序控制，操作过程简易，对操作人员技艺要求较低，碱金属迁移过程具有良好的可重复性。

附图说明

图1为本发明中一种基于低温制冷机的原子气室内壁碱金属迁移装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

一种基于低温制冷机的原子气室内壁碱金属迁移装置，主要包括加热体3、保温材料4、低温制冷机7、冷桥6、冷头5、温度传感器x,y、温度巡检仪8和控制器9。

所述的加热体3为电阻式加热，加热温度最高300℃，通过导热与辐射形式对原子气室进行加热，加热体3为无氧铜材质，加热体3长度和直径有不同的规格，以满足不同尺寸气室的需求；

所述的保温材料4为保温棉，包覆在加热体外侧，保温棉厚度为5mm，缠绕层数3层以上，减少加热体向环境的漏热，降低加热功耗；

所述的低温制冷机7为液氮温区脉冲管制冷机，低温制冷机7最低制冷温度为-200℃，该制冷机可长时间无人值守工作；

所述的冷桥6和冷头5均为无氧铜材质，通过冷桥将制冷机冷量输送至冷头，冷头则直接与原子气室碱金属富集面直接接触，通过导热形式进行制冷；

温度传感器x、y分别测量冷头的制冷温度和加热体的加热温度，通过温度巡检仪进行读数，温度数据实时传输至控制器；

所述的控制器9利用pid控制，根据设定温度和时间分别对制冷机和加热体进行实时控制；

本发明一种基于低温制冷机的原子气室内壁碱金属迁移方法，包括以下步骤：

(1)将原子气室放入加热体固定，使碱金属富集面与冷头紧密接触；

(2)控制器设定加热温度th及时间t1，加热体开始升温；

(3)控制器设定制冷温度tc及时间t2，制冷机开始降温；

(4)加热体和制冷机到温后，原子气室碱金属富集面形成温度过渡区；

(5)经过设定时间间隔t1后，关闭加热，制冷机继续工作；

(6)经过设定时间间隔t2后，关闭制冷，制冷机停止工作；

(7)原子气室自然回温，期间实时监测温度传感器读数；

(8)将恢复至常温后的原子气室取出，对碱金属输运富集效果进行检查，对其表面进行清洁。

其中th设定为260°，时间t1设定为20小时，所述tc设定为10°，时间t2设定为24小时。

以上所述，仅为本发明一个具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种基于低温制冷机的原子气室内壁碱金属迁移装置，其特征在于：包括加热体(3)、保温材料(4)、低温制冷机(7)、冷桥(6)、冷头(5)、温度传感器、温度巡检仪(8)和控制器(9)；

加热体(3)通过导热与辐射形式对原子气室进行加热；

保温材料(4)包覆在加热体(3)外侧，减少加热体向环境的漏热，降低加热功耗；

低温制冷机(7)与冷桥(6)通过机械方式紧密配合；

通过冷桥(6)将低温制冷机(7)的冷量输送至冷头(5)，冷头(5)则直接与原子气室碱金属富集面直接接触，通过导热形式进行制冷；

温度传感器分别测量冷头(5)的制冷温度和加热体(3)的加热温度，并通过温度巡检仪(8)进行读数，温度数据实时传输至控制器(9)；

控制器(9)利用pid控制，根据设定温度和时间分别对低温制冷机(7)和加热体(3)进行实时控制。

2.根据权利要求1所述的一种基于低温制冷机的原子气室内壁碱金属迁移装置，其特征在于，所述的加热体(3)为电阻式加热，加热温度最高300℃。

3.根据权利要求1所述的一种基于低温制冷机的原子气室内壁碱金属迁移装置，其特征在于，所述的保温材料(4)为保温棉，保温棉厚度为5mm，缠绕层数3层以上。

4.根据权利要求1所述的一种基于低温制冷机的原子气室内壁碱金属迁移装置，其特征在于，所述的低温制冷机(7)为液氮温区脉冲管制冷机，制冷机最低制冷温度为-200℃。

5.根据权利要求1所述的一种基于低温制冷机的原子气室内壁碱金属迁移装置，其特征在于，所述的冷桥(6)和冷头(5)均为无氧铜材质。

6.一种基于低温制冷机的原子气室内壁碱金属迁移方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将原子气室放入加热体固定，使碱金属富集面与冷头紧密接触；

(2)控制器设定加热温度th及时间t1，加热体开始升温；

(3)控制器设定制冷温度tc及时间t2，制冷机开始降温；

(4)加热体和制冷机到达设定温后，原子气室碱金属富集面形成温度过渡区；

(5)经过设定时间间隔t1后，关闭加热，制冷机继续工作；

(6)经过设定时间间隔t2后，关闭制冷，制冷机停止工作；

(7)原子气室自然回温，期间实时监测温度传感器读数；

(8)将恢复至常温后的原子气室取出，对碱金属输运富集效果进行检查，对其表面进行清洁。

7.根据权利要求6所述的一种基于低温制冷机的原子气室内壁碱金属迁移方法，其特征在于，所述th为260°，时间t1为20小时。

8.根据权利要求7所述的一种基于低温制冷机的原子气室内壁碱金属迁移方法，其特征在于，所述tc为10°，时间t2为24小时。

技术总结
本发明提供了一种基于低温制冷机的原子气室内壁碱金属迁移装置及方法，应用于原子气室制备及评估领域。本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种实现原子气室内壁碱金属迁移的高效装置和方法。本发明通过整体加热和局部制冷的方式，利用制冷机实现气室内碱金属富集位置的精准热控制，实现原子气室内壁碱金属的精准输运，其中，不同于现有火焰加热等方式进行气室内碱金属的驱赶迁移，本发明具有更高的碱金属富集率，更小的碱金属集中区域，操作简易，具有良好的可重复性。利用本发明能够实现原子气室内壁碱金属的高效输运，对于原子气室内壁碱金属的分布控制与原子气室内碱金属量的精确评估具有重要意义。

技术研发人员：郑建朋;蔡玉珍;李新坤;何娇;王风娇;赵雄;刘院省;王学锋
受保护的技术使用者：北京航天控制仪器研究所
技术研发日：2020.11.03
技术公布日：2021.04.06