用于原子自旋器件的碱金属气室研制

admin · 发表于 2023-10-11 11:04:40

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原子自旋器件是近年快速发展起来的一类新型器件，利用原子自旋进动进行物理参数的测量，其中的原子自旋陀螺仪代表了未来高精度小型化陀螺仪的发展方向、原子磁强计成为了超高精度磁测领域超导量子干涉磁强计的唯一竞争者。作为敏感介质的原子被至于碱金属气室中，使得碱金属气室成为原子自旋器件的表头，并从根本上决定了原子自旋器件性能的高低。目前的原子自旋器件虽然已经验证了其高精度特性，但远没有达到其理论性能，碱金属气室已经成为了目前制约原子自旋器件性能提高的瓶颈之一。本论文围绕原子自旋陀螺仪、原子磁强计对碱金属气室的需要，系统的开展了碱金属气室的研制工作：（1）设计与搭建了碱金属气室研制的硬件平台。将硬件平台总体设计分解为真空系统、玻璃系统、供气系统三个部分，并设计了各系统之间的接口形式：针对真空系统，设计了抽气、混气子系统，根据流导抽速等需要，优化设计了真空系统的参数并完成了系统的器件选型，最后经过组装、检漏、烘烤等流程实现了优于5×10-5Pa的真空系统；针对玻璃系统，在综合考虑玻璃材质选取的基础上，重点设计了碱金属充入玻璃管路、碱金属分配玻璃管路、玻璃冷凝装置，为碱金属的操作与控制提供条件；针对供气系统，设计了基于流量控制器与VCR连接方式的供气管路，具备单独供气和混合供气能力，并经系统组装、测试与气体流量标定，实现了高纯、可控的供气目标。（2）设计与实现了碱金属气室的制作方法。针对碱金属不能在有氧环境下操作的特点，分析与设计了碱金属的充入方法；设计了碱金属气室研制系统的清洗、烘烤、装配集成等完整流程，在此基础上结合碱金属的冲入、抽真空、供气等设计了完整的碱金属气室制作流程，并最终实现了碱金属气室的研制。（3）碱金属气室的测试。基于原子光谱手段对碱金属气室进行测试，采用去多普勒饱和吸收光谱，验证真空系统、玻璃系统、碱金属充入、制作流程等的有效性；采用基于气压谱线展宽和频移的原子光谱，验证了供气系统的有效性，在几十托量级及以上的压力情况下，制作的碱金属气室内压力准确度优于2％。综上，本论文实现了高真空度、碱金属充入可控和缓冲气体充入可控的碱金属气室的研制，并通过原子光谱手段检验了碱金属气室的性能，验证了碱金属气室研制的有效性，为后续碱金属气室性能的提高提供基础。

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