本發(fā)明屬于堿金屬氣室制作技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種采用棒管式光纖拉絲技術(shù)制造一體化成型立方體或圓柱體堿金屬氣室的裝置及方法。

背景技術(shù)：

原子堿金屬氣室是多種基于光與原子相互作用的精密測量儀器，如原子磁強(qiáng)計、原子鐘等的敏感元件，其性能優(yōu)劣直接決定了儀器的靈敏度、穩(wěn)定性和可靠性。原子堿金屬氣室主體通常為立方體或圓柱體玻璃泡，其內(nèi)部充有緩沖氣體(如氦氣)、淬滅氣體(如氮氣)以及容易被激光或磁場極化的堿金屬原子(如鉀、銫)。一方面，出于對技術(shù)難度和三維空間對稱性的綜合考慮，廣泛使用圓柱體氣室作為表頭。另一方面，為降低入射激光和出射激光光路所受影響，使光路調(diào)節(jié)相對簡單，通常使用立方體氣室作為原子磁強(qiáng)計的表頭。然而，現(xiàn)有技術(shù)中普遍采用粘合或焊接玻璃面的方法制造立方體氣室，這使氣室所能承受的氣壓有限，并且面與面之間的對接受人為因素影響較大。在使用堿金屬氣室的超高靈敏物理量測量裝置中，由于堿金屬氣室的不穩(wěn)定性和幾何形狀缺陷而導(dǎo)致的測量誤差，漸漸成為制約物理量測量精度的不可忽視的誤差源。為此，本發(fā)明提出一種基于光纖拉絲技術(shù)制作堿金屬氣室的方法，以制造出一體化成型、耐高壓、尺寸可精確控制、均勻性和可重復(fù)性更好的立方體或圓柱體堿金屬氣室。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：提出一種基于光纖拉絲技術(shù)制作堿金屬氣室的裝置及方法，通過拉伸預(yù)制棒和激光切割技術(shù)，制作出的堿金屬氣室體積小、壁厚均勻且薄、一體化成型、氣壓耐受能力強(qiáng)。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：將棒管式光纖拉絲技術(shù)和激光切割技術(shù)應(yīng)用于立方體或圓柱體原子堿金屬氣室的制造。該技術(shù)方案使用的制作設(shè)備包括了光纖拉絲塔、激光切割裝置和氣室制作系統(tǒng)共三個部分。其中，光纖拉絲塔由加熱部分、饋給部分、拉伸部分和監(jiān)控部分構(gòu)成，包括饋給電機(jī)、拉絲塔基座、高溫加熱爐、測徑儀、控制電路和拉伸電機(jī)，用于拉伸空心預(yù)制棒。氣室制作系統(tǒng)由抽真空系統(tǒng)、充氣系統(tǒng)和原子蒸汽充入系統(tǒng)構(gòu)成，包括多組通氣管道和閘門、薄膜規(guī)、分子泵機(jī)組、高真空規(guī)、U形管——其設(shè)計目的是防止堿金屬通過管道進(jìn)入左側(cè)的金屬系統(tǒng)對前面的系統(tǒng)造成污染、用于連接充氣系統(tǒng)和堿金屬蒸汽充入系統(tǒng)的金屬-玻璃轉(zhuǎn)接頭、充氣裝置-預(yù)制棒接口。激光切割裝置包括激光器和聚焦物鏡，可以將激光束聚焦于堿金屬氣室玻璃泡的上下端面，用于截取并密封堿金屬氣室主體。

使用光纖拉絲技術(shù)，可將直徑幾十/百毫米的預(yù)制棒拉制成十幾毫米至十幾微米的細(xì)管。由此可見，本發(fā)明可以滿足超高靈敏物理量測量對各種不同尺寸氣室的需求，尤其在原子堿金屬氣室小型化方面具有顯著優(yōu)勢。

該制作方法具體步驟如下：

步驟1)、爐內(nèi)溫場預(yù)先設(shè)計成縱向梯度分布，爐溫由內(nèi)置溫度傳感器監(jiān)視并反饋至內(nèi)置溫度閉環(huán)控制裝置實現(xiàn)恒溫，以便產(chǎn)生所需的空心預(yù)制棒變頸形狀。

步驟2)、根據(jù)預(yù)設(shè)的堿金屬氣室的壁厚、空心預(yù)制棒的外徑和預(yù)設(shè)的氣室外徑選擇相應(yīng)外徑和壁厚的空心預(yù)制棒。將已選擇好的空心預(yù)制棒安放在拉絲塔上部的預(yù)制棒饋給電機(jī)的卡盤上。

步驟3)、將U型管通過金屬-玻璃轉(zhuǎn)接頭與通氣管道和閘門連接，將空心預(yù)制棒上端面通過充氣裝置-預(yù)制棒接口(5)和U型管(6)連接。

步驟4)、在控制電路的控制下，饋給電機(jī)緩慢地將空心預(yù)制棒送入高溫加熱爐內(nèi)。在氬氣保護(hù)下，高溫加熱爐將預(yù)制棒尖端加熱至不低于2000攝氏度，在此溫度下，足以使空心預(yù)制棒軟化，軟化的熔融態(tài)玻璃粘度減小，在其表面張力作用下迅速收縮變細(xì)，并由收絲輪向下拉成堿金屬氣室的主體。

步驟5)、通過測徑儀監(jiān)控玻璃管的外徑并反饋至控制系統(tǒng)，及時調(diào)節(jié)上面預(yù)制棒的饋給速度和下面的拉伸速度，將制成的堿金屬氣室的外徑精確控制至預(yù)設(shè)尺寸。

步驟6)、令激光切割機(jī)的出射激光聚焦于拉伸空心預(yù)制棒所得玻璃管的下收口，利用激光束切割玻璃管并密封，形成堿金屬氣室下端面。

步驟7)、開啟分子泵機(jī)組進(jìn)行抽真空并充入堿金屬蒸汽、緩沖氣體和淬滅氣體。

步驟8)、令激光切割機(jī)的出射激光聚焦于玻璃管的上收口，令激光束截斷玻璃管并密封，獲得堿金屬氣室。

本發(fā)明技術(shù)方案的原理是：使空心預(yù)制棒在高溫下軟化，軟化的熔融態(tài)玻璃從加熱爐底部的噴嘴處受重力作用下垂，控制拉伸速度，使橫截面均勻變細(xì)直至達(dá)到預(yù)設(shè)氣室外徑。在堿金屬氣室氣室充好氣體之后，使用激光切割技術(shù)快速、精確地截斷并密封玻璃管，保證堿金屬氣室上下端面變形有限，對垂直于軸向的兩個方向即驅(qū)動光路和檢測光路影響很小。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于：

1.棒管式光纖拉絲技術(shù)成熟，設(shè)備通常具有監(jiān)測和反饋裝置，便于通過對空心預(yù)制棒饋給速度和溫度的控制實現(xiàn)對堿金屬氣室的尺寸和形狀的精確控制。

2.光纖拉絲技術(shù)可以將直徑幾十/百毫米的空心預(yù)制棒拉伸成包括十幾毫米至十幾微米的任意直徑的細(xì)絲，尤其適用于制造微小尺寸的原子堿金屬氣室，便于超高靈敏物理量測量裝置的小型化和集成化。

3.使用激光切割技術(shù)，避免了現(xiàn)有技術(shù)中手工切割密封可能造成的漏氣問題，且不留泡柄，有利于減小堿金屬氣室所占空間。

4.通過拉伸空心預(yù)制棒制成的堿金屬氣室的壁厚更均勻。通過拉伸預(yù)先計算并選擇的不同壁厚的空心預(yù)制棒，可以滿足超高靈敏物理量測量裝置對各種壁厚的堿金屬氣室的需求。特別地，本發(fā)明可以拉制成泡壁更薄的堿金屬氣室所用玻璃泡，有利于提升堿金屬氣室通光性能。

5.特別地，在制造立方體堿金屬氣室時實現(xiàn)了一體化成型，而非現(xiàn)有的玻璃平面焊接或粘合技術(shù)，使立方體堿金屬氣室能夠承受的氣壓更大，幾何形狀更勻稱。

6.不同于現(xiàn)有技術(shù)中吹制堿金屬氣室玻璃泡和充入氣體分別進(jìn)行，本發(fā)明同時實現(xiàn)了制作玻璃泡和充入氣體，可以通過一套系統(tǒng)獲得完整的堿金屬氣室。

7.本發(fā)明在提高堿金屬氣室的抗壓能力和堿金屬氣室的小型化等方面有重大的意義和潛力，對于多種基于光與原子相互作用的精密測量儀器具有顯著的實用價值。

附圖說明

圖1為本發(fā)明堿金屬氣室氣室制作系統(tǒng)示意圖；

圖2為本發(fā)明光纖拉絲塔示意圖；

圖3為本發(fā)明激光切割裝置示意圖；

圖4為本發(fā)明整體示意圖。

附圖標(biāo)記列示如下：1-通氣管道和閘門，2-薄膜規(guī)，3-金屬-玻璃轉(zhuǎn)接頭，4-堿金屬蒸汽，5-充氣裝置-預(yù)制棒接口，6-U形管，7-緩沖氣體，8-淬滅氣體，9-分子泵機(jī)組，10-高真空規(guī)，11-空心預(yù)制棒，12-高溫加熱爐，13-測徑儀，14-堿金屬氣室玻璃泡主體，15-拉伸電機(jī)，16-控制電路，17-光纖拉絲塔基座，18-饋給電機(jī)，19-激光束，20-激光器，21-聚焦物鏡。

具體實施方式

下面通過附圖以及具體實施步驟進(jìn)一步說明本發(fā)明。

本發(fā)明是一種基于光纖拉絲技術(shù)制作堿金屬氣室的方法，該方法使用的制作設(shè)備包括光纖拉絲塔、激光切割機(jī)及其配套裝置和氣室制作系統(tǒng)共三個部分。其中，光纖拉絲塔由加熱部分、饋給部分、拉伸部分和監(jiān)控部分構(gòu)成，包括饋給電機(jī)18、拉絲塔基座17、高溫加熱爐12、測徑儀13、控制電路16和拉伸電機(jī)15，用于拉伸空心預(yù)制棒11。氣室制作系統(tǒng)由抽真空系統(tǒng)、充氣系統(tǒng)和原子蒸汽充入系統(tǒng)構(gòu)成，包括多組通氣管道和閘門1、薄膜規(guī)2、分子泵機(jī)組9、高真空規(guī)10、U形管6——其設(shè)計目的是防止堿金屬通過管道進(jìn)入左側(cè)的金屬系統(tǒng)對前面的系統(tǒng)造成污染、用于連接充氣系統(tǒng)和堿金屬蒸汽充入系統(tǒng)的金屬-玻璃轉(zhuǎn)接頭3、充氣裝置-預(yù)制棒接口5。激光切割裝置包括激光器20和聚焦物鏡21，可以將激光束19聚焦于堿金屬氣室玻璃泡的上下端面，用于截取并密封堿金屬氣室玻璃泡主體14。

具體步驟如下：

步驟1)、高溫加熱爐12內(nèi)溫度場預(yù)先設(shè)計成縱向梯度分布，爐溫由內(nèi)置溫度傳感器監(jiān)視并反饋至內(nèi)置溫度閉環(huán)控制裝置實現(xiàn)恒溫，以便產(chǎn)生所需的空心預(yù)制棒11變頸形狀。

步驟2)、空心預(yù)制棒的外徑和壁厚經(jīng)過拉伸，成比例縮小為堿金屬氣室外徑和壁厚。結(jié)合預(yù)設(shè)的堿金屬氣室壁厚、空心預(yù)制棒的外徑和預(yù)設(shè)的堿金屬氣室的外徑計算并選擇相應(yīng)外徑和壁厚的空心預(yù)制棒，將已選擇好的空心預(yù)制棒11安放在拉絲塔上部的預(yù)制棒饋給電機(jī)18的卡盤上。

步驟3)、將U型管6通過金屬-玻璃轉(zhuǎn)接頭3與通氣管道和閘門1連接，將空心預(yù)制棒11上端面通過充氣裝置-預(yù)制棒接口5和U型管6連接。

步驟4)、在控制電路的控制下，饋給電機(jī)18緩慢地將空心預(yù)制棒11送入高溫加熱爐12內(nèi)。在氬氣保護(hù)下，高溫加熱爐將預(yù)制棒尖端加熱至不低于2000攝氏度，在此溫度下，足以使空心預(yù)制棒11軟化，軟化的熔融態(tài)玻璃粘度減小，在其表面張力作用下迅速收縮變細(xì)，并由拉伸電機(jī)15向下拉制成堿金屬氣室玻璃泡主體14。

步驟5)、通過測徑儀13監(jiān)控玻璃管的外徑并反饋至控制電路16，及時調(diào)節(jié)上面空心預(yù)制棒11的饋給速度和下面的拉伸速度，將制成的堿金屬氣室的外徑精確控制至預(yù)設(shè)尺寸。

步驟6)、令激光切割機(jī)的出射激光聚焦于拉伸空心預(yù)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，形成堿金屬氣室下端面。

步驟7)、開啟分子泵機(jī)組9進(jìn)行抽真空并充入堿金屬蒸汽4、緩沖氣體7和淬滅氣體8。

步驟8)、令激光切割機(jī)的出射激光聚焦于玻璃管的上收口，利用激光束19截斷玻璃管并密封，獲得堿金屬氣室。

本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。