一種磁屏蔽系統的製作方法

2023-06-01 01:28:16 1

專利名稱：一種磁屏蔽系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種屏蔽系統，具體涉及一種磁屏蔽系統。
背景技術：
目前，國內的磁屏蔽材料可以分為許多牌號。在原子頻標領域，用於屏蔽外磁場所採用的磁屏蔽層的材料是高初始磁導率坡莫合金，牌號是1J79與1J85。根據各類原子頻標的結構尺寸的不同，磁屏蔽系統的具體尺寸也會不同。原子頻標所採用的磁屏蔽系統大多是由多層閉合的圓筒形磁屏蔽層嵌套形成，從而起到對外界磁場的屏蔽作用，由於該在各屏蔽層的兩極端面上的開ロ面積較小，所以基本認為每層磁屏蔽還是閉合的。圖IA中的20示出了這類結構。個別較考究的設計中可能還會採用圓筒的上下兩級端面為凸錐面的結構，如圖IB中的30所示。具體結構參數根據實際情況會有 所不同。現有的原子頻標採用的磁屏蔽系統的層數一般為4層。根據加工エ藝、系統本身抗震性、重量和性能等綜合考慮各屏蔽層的厚度的要求由內到外依次為0. 6mm、0. 6mm、O. 6mm、lmm。由於加工エ藝的偏差,各層的厚度允許有±O. Imm的偏差。目前採用的エ藝方法是用牌號為1J85(部分採用1J79)的磁屏蔽材料按結構尺寸要求加工成型。利用氫保護高溫爐進行磁屏蔽的熱處理，冷卻後取出，並在原子頻標上集成，最終採用相應的方法進行退磁。各熱處理廠家的處理工藝基本相同，高溫峰值在1100-1150°C。嚴格意義上磁屏蔽係數定義為磁屏蔽系統外界磁場與內部空間磁場的比值，磁屏蔽係數越大，磁屏蔽效果則越好；係數越小，則屏蔽效果越差。Gn = HrtH^h
H #BP.
H內 ,其中Gn代表η層磁屏蔽系統的磁屏蔽係數；H*代表η層磁屏蔽系統外部空間附近的磁場強度(Gs)；代表η層磁屏蔽系統內部空間的磁場強度(Gs)；由原子頻標原理可知，在工作的過程中，其對客戶給出的頻率輸出穩定度是會受到環境磁場的影響的。通常可以用磁敏感係數S ν/ν來說明環境磁場的影響程度，δν/V——指的是因為外界環境磁場的變化而引起的原子頻標的輸出頻率的相對變化。相應根據公式Gn=Hタ卜/Hrt，可知因環境磁場相應變化引起的磁屏蔽系統內的磁場變化ΛΗ，原子鐘的磁敏感係數 S v/v=3. 9 X IO-6H2 ( Δ Η/Η)然而，現有技術中的磁屏蔽系統並不能滿足上海天文臺被動型氫原子頻標的體積和重量限制這ー要求，而且現有的磁屏蔽系統的熱處理工藝也不能滿足性能上的需求，同時氫原子頻標對空間環境磁場強度要求較為苛刻，因此，有必要研究出一種能夠解決這些問題的磁屏蔽系統
實用新型內容
[0012]本實用新型解決的技術問題就是提供一種磁屏蔽系統，解決現有技術中的磁屏蔽系統體積大、重量重的問題，同時保證良好的磁屏蔽性能，並且降低氫原子頻標對空間環境磁場要求的苛刻程度。為實現上述目的，本實用新型採用下述技術方案本實用新型提供一種磁屏蔽系統，包括原子儲存泡；容置所述原子儲存泡的由微波腔上蓋、微波腔筒和微波腔下蓋首尾相連圍成的微波腔；圍繞所述微波腔的外壁設置的工作磁場線圈；該磁屏蔽系統還包括由內向外以嵌套式結構彼此間隔開設置的經過真空高溫熱處理的第一磁屏蔽層、第二磁屏蔽層和第三磁屏蔽層；其中，所述第一磁屏蔽層位於所述工作磁場線圈和所述第二磁屏蔽層之間。該磁屏蔽系統還包括設置在所述第二磁屏蔽層和第三磁屏蔽層之間的真空鐘罩，所述微波腔通過連接支撐件固定在所述真空鐘罩的鐘罩底板上。該磁屏蔽系統還包括設置在所述鐘罩底板下方的真空泵。·優選地，所述第一磁屏蔽層的圓柱形側壁的壁厚為1mm，所述第二磁屏蔽層和第三磁屏蔽層的圓柱形側壁的壁厚分別為O. 6mm。各所述磁屏蔽層的頂部和底部端面呈平面或凸錐面。優選地，各所述磁屏蔽層的頂部與底部端面的壁厚分別各加厚一倍。所述磁屏蔽層為坡莫合金磁屏蔽層。本實用新型所帯來的有益效果在於將磁屏蔽層相對現有技術減少ー層，實現了體積和重量的減小，由於磁屏蔽層進行過真空高溫熱處理，使得在本實用新型滿足上海天文臺被動型氫原子頻標的體積與重量的限制性要求的同時，磁屏蔽性能達標。

參考隨後的作為本實用新型的典型實施例示出的附圖，該說明將更容易理解，但不應理解為對本實用新型範圍的限制。圖IA和圖IB示出了現有技術的磁屏蔽系統的結構示意圖；圖2示出了本實用新型的原子頻標結構示意圖；圖3示出了本實用新型磁屏蔽系統的結構示意圖；圖4示出了本實用新型磁屏蔽系統真空熱處理時的狀態示意圖。其中，主要附圖標記的含義I、微波腔上蓋2、工作磁場線圈3、原子儲存泡4、微波腔筒5、微波腔下蓋6、第三磁屏蔽層7、第二磁屏蔽層8、第一磁屏蔽層9、真空鐘罩10、連接支撐件11、鐘罩底板12、真空泵13、陶瓷片
具體實施方式
為使進一歩深入了解本實用新型的技術手段與特徵，謹配合附圖再予舉例進ー步具體說明於後如圖2所示，示出了根據本實用新型一個優選實施例的用於原子頻標的磁屏蔽系統，該系統包括由內向外依次設置的原子儲存泡3 ;容置所述原子儲存泡3的微波腔，該微波腔由微波腔上蓋I、微波腔筒4和微波腔下蓋5首尾相連圍成；圍繞所述微波腔的外壁設置的工作磁場線圈2 ;第一磁屏蔽層8 ;第二磁屏蔽層7 ;真空鐘罩9 ;第三磁屏蔽層6。其中，所述第一磁屏蔽層8和第二磁屏蔽層7相鄰設置，微波腔通過連接支撐件10固定在所述真空鐘罩9的鐘罩底板11上。該系統還包括位於鐘罩底板11下方的真空泵12。根據本實用新型的ー個優選實施例，第一磁屏蔽層8的壁厚為1mm，所述第二磁屏蔽層7和第三磁屏蔽層6的壁厚為O. 6mm,由於加工エ藝的偏差，各層的壁厚要求在±0. Imm 之內。根據本實用新型的ー個優選實施例，所述磁屏蔽層的頂部和底部端面和現有技術一祥，也可以是選自平面和凸錐面中的ー種。由於原子鐘磁場屏蔽系統主要是屏蔽軸線方向的磁場，因此只要加厚磁屏蔽各層的頂部與底部的厚度就可帶來相應的效果。根據本實用新型的ー個優選實施例，所述各層的磁屏蔽層的頂部與底部的壁厚各加厚一倍，即外兩層的磁屏蔽層的頂部與底部的壁厚加厚至I. 2mm,最內層的磁屏蔽層的頂部與底部的壁厚加厚至2mm。根據本實用新型的ー個優選實施例，所述磁屏蔽層的材料採用坡莫合金。·本實用新型還提供一種提高原子頻標磁屏蔽性能的方法，該方法包括提供原子儲存泡；將所述原子儲存泡容置於微波腔中，該微波腔包括微波腔上蓋、微波腔筒和微波腔下蓋；圍繞所述微波腔的外壁設置工作磁場線圈；該方法進ー步包括由內向外以嵌套式結構彼此間隔開地設置經過真空高溫熱處理的第一磁屏蔽層、第二磁屏蔽層和第三磁屏蔽層；其中，所述第一磁屏蔽層位於所述工作磁場線圈和所述第二磁屏蔽層之間。各層磁屏蔽層進行真空高溫熱處理，冷卻取出後，在原子頻標上集成，之後將微波腔作為導體並通過導線與外界電路連接，調控軸向退磁電流，產生頻率為50Hz的幅值可變的交變磁場對各磁屏蔽層退磁，最終提高原子頻標磁屏蔽系統的磁屏蔽係數。在整個真空高溫熱處理的過程中，對高溫爐內的真空度採取了嚴格的控制措施，始終滿足10_3Pa。而現有技術中該エ藝的真空度並不需要嚴格控制，僅是保持爐內的氫氣環境，目的是隔離氧，因此真空度只需滿足彡Iatm即可。其次，根據本實用新型的ー個優選實施例，熱處理時的高溫峰值由現有技術的1100 1150で提高至12000C ο在進行真空高溫熱處理吋，在所述第一磁屏蔽層、第二磁屏蔽層和第三磁屏蔽層底部的疊套部分採用耐高溫陶瓷片13將所述各層隔離，具體實施方法如圖4所示。所述耐高溫陶瓷片的材料為Al2O3，主要目的是將各屏蔽層相互隔開，防止高溫中產生粘聯。在整個高溫處理過程中都採用了耐高溫陶瓷片隔離。根據本實用新型的ー個優選實施例，在到達高溫峰值1200°C時採用保溫操作，保溫時間t ^ 8小時，使整個磁屏蔽エ件都處在理想的溫度氛圍內，並保證充分的作用時間。該實用新型帶來的效果最終在原子頻標的整機工作性能上得以體現，由於原子頻標作為時間頻率標準設備，根據客戶要求，應對外輸出某一路或者多路相對穩定的特徵頻率。由原子頻標原理可知，在工作的過程中，其對客戶給出的頻率輸出穩定度是會受到環境磁場的影響的。通常可以用磁敏感係數S v/v來說明環境磁場的影響程度，δν/ν—指的是因為外界環境磁場的變化而引起的原子頻標的輸出頻率的相對變化。本實用新型提升了磁屏蔽的磁屏蔽性能即磁屏蔽係數G，從而改善了原子鐘的磁敏感係數，減少環境磁場對原子鐘的輸出頻率的影響。其原理是通過在高溫熱處理的過程中，嚴格控制氛圍真空度，達到提升部件磁屏蔽的屏蔽性能的目的。如圖3所示，分別測量出該磁屏蔽系統內部空間的磁場強度Η 和該磁屏蔽系統外部空間附近的磁場強度H#。相應根據公式Gn=H#/H&可知因環境磁場相應變化引起的磁屏蔽系統內的磁場變化ΔΗ，原子鐘的磁敏感係數δν/v=3. 9 X IO-6H2 ( Δ Η/Η)，經實驗證實，對於現在的3層屏蔽結構的原子鐘，磁敏感係數現可以達到2Χ 10_13/Gs。此時，原子頻標的工作環境磁場需滿足H外的幅值範圍O 2Gs。本實用新型所提供的磁屏蔽系統以及提高原子頻標磁屏蔽性能的方法不僅適用於氫原子頻標，還適用於其它原子頻標的磁屏蔽系統。本實用新型所提供的エ藝方法使得被動型氫原子頻標的磁屏蔽系統性能得到了很大提高。在其它條件不變的情況下，使得磁屏蔽系統的磁屏蔽係數提高了 I倍，對於附圖2中給出的結構，磁屏蔽係數達到100000。對於附圖IA中給出的結構，磁屏蔽係數達到200000。本實用新型是基於要減小上海天文臺原有的被動型氫原子頻標的體積與重量這一特殊需求背景的，所以採用的結構比之前少ー層磁屏蔽，即現實用新型中採用的結構。但 是原來的エ藝方法已不能滿足性能上的需求，通過該實用新型使磁屏蔽性能達標。所以該實用新型的最初目標是為了解決怎樣在滿足性能的情形下對被動型氫原子頻標減重。之後我們又將該エ藝方法推廣應用到原先採用的4層屏蔽結構上，使其磁屏蔽係數提高，因此比本實用新型中3層結構的係數高。且整機的磁敏感係數從原來的f2X10_13/Gs提升至10_14/Gs，從而提高了氫原子頻標的抗外界環境磁場幹擾的能力，使得外界環境靜磁場的約束條件可放寬至在(T2Gs的範圍。該方法可適用於其它需要屏蔽外界環境磁場幹擾的氫原子頻標與時間頻標。目前，上海天文臺一共在2臺被動型氫原子頻標上完成了應用實驗，實驗結果是2臺被動型氫原子頻標經測試，磁屏蔽系統的磁屏蔽係數均在100000以上，且在(T2Gs的外界環境磁場的條件下，各項測試指標均能滿足相關技術要求。具體來說，在圖2所示的氫原子頻標中，通過磁屏蔽系統對外界環境的磁的屏蔽，使得微波腔區域內的磁場約10, 10_9nT，即使外界環境磁場產生變化(O 2Gs以內)微波腔區域內的磁場變化也很小(彡2nT)。本實用新型所帯來的有益效果在於將磁屏蔽層相對現有技術減少ー層，實現了體積和重量的減小，同時在該磁屏蔽系統的加工處理時，採用真空高溫熱處理，使得在滿足上海天文臺被動型氫原子頻標的體積與重量的限制性要求的同吋，磁屏蔽性能達標；其次，本實用新型所提供的系統和方法使得外界空間環境磁場在一定大小的範圍內變化時氫原子頻標都能有較好的工作性能，即提高了對環境磁場的適應性，同時降低了氫原子頻標對空間環境磁場要求的苛刻程度。不僅適用於氫原子頻標，同樣還適用於其它原子頻標。以上雖然描述了本實用新型的具體實施方式
，但是本領域的技術人員應當理解，這些僅是舉例說明，本實用新型的保護範圍是由所附權利要求書限定的。本領域的技術人員在不背離本實用新型的原理和實質的前提下，可以對這些實施方式做出多種變更或修改，但這些變更和修改均落入本實用新型的保護範圍。
權利要求1.一種磁屏蔽系統，包括 原子儲存泡； 容置所述原子儲存泡的由微波腔上蓋、微波腔筒和微波腔下蓋首尾相連圍成的微波腔； 圍繞所述微波腔的外壁設置的工作磁場線圈；其特徵在於，該磁屏蔽系統還包括由內向外以嵌套式結構彼此間隔開設置的經過真空高溫熱處理的第一磁屏蔽層、第二磁屏蔽層和第三磁屏蔽層；其中，所述第一磁屏蔽層位於所述工作磁場線圈和所述第二磁屏蔽層之間。
2.如權利要求I所述的磁屏蔽系統，其特徵在於，該磁屏蔽系統還包括設置在所述第ニ磁屏蔽層和第三磁屏蔽層之間的真空鐘罩，所述微波腔通過連接支撐件固定在所述真空鐘罩的鐘罩底板上。
3.如權利要求I所述的磁屏蔽系統，其特徵在於，還包括設置在所述鐘罩底板下方的真空泵。
4.如權利要求I所述的磁屏蔽系統，其特徵在於，所述第一磁屏蔽層的圓柱形側壁的壁厚為Imm,所述第二磁屏蔽層和第三磁屏蔽層的圓柱形側壁的壁厚分別為0. 6_。
5.如權利要求I所述的磁屏蔽系統，其特徵在於，各所述磁屏蔽層的頂部和底部端面呈平面或凸錐面。
6.如權利要求I所述的磁屏蔽系統，其特徵在於，各所述磁屏蔽層的頂部與底部端面的壁厚分別各加厚一倍。
7.如權利要求I所述的磁屏蔽系統，其特徵在於，所述磁屏蔽層為坡莫合金磁屏蔽層。
專利摘要本實用新型提供了一種磁屏蔽系統。該磁屏蔽系統包括，原子儲存泡；容置所述原子儲存泡的由微波腔上蓋、微波腔筒和微波腔下蓋首尾相連圍成的微波腔；圍繞所述微波腔的外壁設置的工作磁場線圈；該磁屏蔽系統還包括由內向外以嵌套式結構彼此間隔開設置的經過真空高溫熱處理的第一磁屏蔽層、第二磁屏蔽層和第三磁屏蔽層；其中，所述第一磁屏蔽層位於所述工作磁場線圈和所述第二磁屏蔽層之間。本實用新型解決了現有技術中的磁屏蔽系統體積大、重量重的問題，同時保證良好的磁屏蔽性能，還提高了對環境磁場的適應性，降低原子頻標對空間環境磁場要求的苛刻程度。
文檔編號H05K9/00GK202652821SQ20122022743
公開日2013年1月2日 申請日期2012年5月17日 優先權日2012年5月17日
發明者戴家瑜, 張勇, 裴雨賢, 林傳富 申請人:中國科學院上海天文臺