一種氫源裝置及其製造方法、以及氫原子頻標與流程
2023-07-26 15:39:01 2
本發明涉及氫原子頻標領域，具體涉及一種氫源裝置及其製造方法、以及氫原子頻標。
背景技術：
眾所周知，時間或頻率是基本物理量之一。試驗證明，微觀量子態的躍遷有穩定不變的周期性的信號，從而作為一種時間或頻率計量的標準，即以原子微觀運動的量子躍遷作為量子頻率標準。精準的計時支撐著我們的日常生活，許多我們生活中依賴的技術比如手機、網際網路、衛星導航系統都需要依賴於原子頻標精準的計時。
氫原子頻標具有很高的短期和長期頻率穩定度，目前，就幾秒以上的取樣時間的穩定度而言，氫原子頻標是最優越的。氫源儲氫的多少決定了氫原子頻標的長期壽命，傳統氫原子頻標一般採用氫瓶儲存液態氫氣的方式，按照控制流量和使用壽命設計氫氣儲存量。為保證氫源的純度，採用鎳提純器的方式對氫氣進行提純。氫源體積非常大，而且不適用於微電子機械系統(micro-electromechanicalsystem，mems)，而隨著微電子向納電子技術的推進以及微電子機械系統超精細加工技術的發展，氫原子頻標的微型化是必然趨勢。
技術實現要素：
為了解決上述問題，本發明提供了一種氫源裝置及其製造方法、以及氫原子頻標。本發明提供的一種氫源裝置及其製造方法、以及氫原子頻標，使氫源微型化，同時，在氫原子頻標中使氫氣循環利用，實現了氫源的閉環微系統，解決傳統開放式原子製備系統效率不高的缺點，促使氫原子頻標實現晶片級體積。
本發明採用的技術方案如下：
一種氫源裝置，用於向氫原子頻標提供氫源，包括矽基腔以及在中壓狀態下封裝在矽基腔中儲氫材料，所述矽基腔上設有向氫原子頻標輸送氫源的出口，所述儲氫材料為在過飽和氫氣環境中吸附氫後的儲氫材料。所述中壓狀態是指工作壓力在10pa～1000pa的範圍內。所述吸附的氫包括氫分子、氫原子、氫化物等。在所述出口處，氫氣自然釋放。
上述的一種氫源裝置，其中，所述矽基腔上還設有從氫原子頻標回收氫的入口。所述回收的氫包括氫分子、氫原子、氫化物等。
上述的一種氫源裝置，其中，所述矽基腔的入口處設有壓差改變裝置，在所述矽基腔入口處，所述壓差改變裝置使矽基腔內部的壓強小於矽基腔外部的壓強。
上述的一種氫源裝置，其中，所述儲氫材料包括非晶合金儲氫材料和/或晶體合金儲氫材料。
上述的一種氫源裝置，其中，所述非晶合金儲氫材料為非晶合金ti-zr-ni-cr-v體系儲氫材料。
上述的一種氫源裝置，其中，所述過飽和氫氣環境為氫氣濃度大於或者等於99.99％的氫氣環境。
上述的一種氫源裝置，其中，所述在過飽和氫氣環境中吸附氫後的儲氫材料包括所述非晶合金ti-zr-ni-cr-v體系儲氫材料經過活化後在室溫環境下置於過飽和氫氣環境中吸附氫至飽和吸氫狀態的非晶合金ti-zr-ni-cr-v體系儲氫材料。
上述的一種氫源裝置，其中，所述經過活化後在室溫環境下置於過飽和氫氣環境中吸附氫至飽和吸氫狀態的非晶合金ti-zr-ni-cr-v體系儲氫材料呈薄膜狀。
一種氫源裝置的製造方法，包括如下步驟：
將儲氫材料在中壓狀態下生長在矽基腔中；
向矽基腔中注入過飽和氫氣；
將矽基腔封裝；
在所述矽基腔上設置向氫原子頻標輸送氫源的出口。
上述的一種氫源裝置的製造方法，其中，還包括在所述矽基腔上設置從氫原子頻標回收氫的入口。
上述的一種氫源裝置的製造方法，其中，所述儲氫材料包括非晶合金儲氫材料和/或晶體合金儲氫材料。
上述的一種氫源裝置的製造方法，其中，所述非晶合金儲氫材料為非晶合金ti-zr-ni-cr-v體系儲氫材料。
上述的一種氫源裝置的製造方法，其中，所述過飽和氫氣為氫氣濃度大於或者等於99.99％的氫氣。
上述的一種氫源裝置的製造方法，其中，所述將儲氫材料在中壓狀態下生長在矽基腔中包括：將所述非晶合金ti-zr-ni-cr-v體系儲氫材料經過活化後在中壓狀態下生長在矽基腔中。
上述的一種氫源裝置的製造方法，其中，包括：
所述非晶合金ti-zr-ni-cr-v體系儲氫材料，通過mpcvd技術，低溫外延生長呈ti-zr-ni-cr-v體系儲氫材料薄膜狀態；
向矽基腔中注入過飽和氫氣至呈薄膜狀態的所述非晶合金ti-zr-ni-cr-v體系儲氫材料達到飽和吸氫狀態；
將飽和吸氫狀態的所述非晶合金ti-zr-ni-cr-v體系儲氫材料薄膜在中壓狀態下封裝在矽基腔中。
上述的一種氫源裝置的製造方法，其中，還包括在所述矽基腔的入口處設置壓差改變裝置，在所述矽基腔入口處，所述壓差改變裝置使矽基腔內部的壓強小於矽基腔外部的壓強。
一種氫原子頻標，其中，包括上述的氫源裝置。
本發明提供的一種氫源裝置及其製造方法、以及氫原子頻標，氫源採用固態循環式氫源系統，將源源不斷的氫氣提供給氫原子頻標，再從氫原子頻標的信號流程對應的裝置中回收，以達到循環利用。儲氫材料優選非晶合金ti-zr-ni-cr-v體系儲氫材料，該材料在室溫下即具有一定的儲氫能力，通過改變環境壓力或溫度，具有吸氫/釋氫流量可進行控制的特性，力學特性優異，能夠實現氫源的閉環微系統。
附圖說明
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
圖1是本發明一種氫源裝置的一實施例的結構示意框圖；
圖2是本發明一種氫源裝置的另一實施例的結構示意圖。
具體實施方式
下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
實施例
如圖1所示，一種氫源裝置，用於向氫原子頻標提供氫源，包括矽基腔10以及在中壓狀態下封裝在矽基腔10中儲氫材料20，所述矽基腔10上設有向氫原子頻標輸送氫源的出口11，所述儲氫材料20為在過飽和氫氣環境中吸附氫後的儲氫材料。所述中壓狀態是指工作壓力在10pa～1000pa的範圍內。所述吸附的氫包括氫分子、氫原子、氫化物等。在所述出口11處，氫氣自然釋放。
在一實施例中，所述矽基腔10上還設有從氫原子頻標回收氫的入口12。所述回收的氫包括氫分子、氫原子、氫化物等。
在一實施例中，所述矽基腔10的入口12處設有壓差改變裝置40，在所述矽基腔入口12處，所述壓差改變裝置40使矽基腔內部的壓強p1小於矽基腔外部的壓強p2。
在一實施例中，所述儲氫材料包括非晶合金儲氫材料和/或晶體合金儲氫材料。
在一實施例中，所述非晶合金儲氫材料為非晶合金ti-zr-ni-cr-v體系儲氫材料。
在一實施例中，所述過飽和氫氣環境為氫氣濃度大於或者等於99.99％的氫氣環境。
在一實施例中，所述在過飽和氫氣環境中吸附氫後的儲氫材料包括所述非晶合金ti-zr-ni-cr-v體系儲氫材料經過活化後在室溫環境下置於過飽和氫氣環境中吸附氫至飽和吸氫狀態的非晶合金ti-zr-ni-cr-v體系儲氫材料。
在一實施例中，所述經過活化後在室溫環境下置於過飽和氫氣環境中吸附氫至飽和吸氫狀態的非晶合金ti-zr-ni-cr-v體系儲氫材料呈薄膜狀。
如圖2所示，在一實施例中，一種氫源裝置，用於向氫原子頻標提供氫源，圖中空心箭頭示出本發明提供的一種氫源裝置用於氫原子頻標時氫的循環過程。本實施例中，所述氫源裝置與氫原子頻標的其他裝置均封裝在總矽基腔30中，所述氫源裝置包括包括矽基腔10以及在中壓狀態下封裝在矽基腔10中儲氫材料20，所述矽基腔10上設有向氫原子頻標輸送氫源的出口11，所述矽基腔10上還設有從氫原子頻標回收氫的入口12。所述矽基腔10的入口12處設有壓差改變裝置40，在所述矽基腔入口12處，所述壓差改變裝置40使矽基腔內部的壓強小於矽基腔外部的壓強。
在所述出口11處，氫氣自然釋放。被氫原子頻標的其他裝置處理使用後，氫並未被消耗，由於是封裝在總矽基腔30中，因此，氫處於游離狀態，在壓差改變裝置40的作用下，在所述矽基腔10入口12處，所述矽基腔10內部的壓強小於矽基腔10外部的壓強，使矽基腔10外部的氫通過其入口12進入矽基腔10內，從而實現氫的循環利用。上述循環過程中的氫包括氫分子、氫原子、氫化物等。
一種氫源裝置的製造方法，包括如下步驟：
將儲氫材料在中壓狀態下生長在矽基腔中；
向矽基腔中注入過飽和氫氣；
將矽基腔封裝；
在所述矽基腔上設置向氫原子頻標輸送氫源的出口。
在一實施例中，上述的一種氫源裝置的製造方法，還包括在所述矽基腔上設置從氫原子頻標回收氫的入口。
在一實施例中，上述的一種氫源裝置的製造方法，所述儲氫材料包括非晶合金儲氫材料和/或晶體合金儲氫材料。
在一實施例中，上述的一種氫源裝置的製造方法，所述非晶合金儲氫材料為非晶合金ti-zr-ni-cr-v體系儲氫材料。
在一實施例中，上述的一種氫源裝置的製造方法，所述過飽和氫氣為氫氣濃度大於或者等於99.99％的氫氣。
在一實施例中，上述的一種氫源裝置的製造方法，所述將儲氫材料在中壓狀態下生長在矽基腔中包括：將所述非晶合金ti-zr-ni-cr-v體系儲氫材料經過活化後在中壓狀態下生長在矽基腔中。
所述活化即對合金材料添加了ni、cr、v元素，採用熔體快淬技術，製備出力學性能優良的ti-zr-ni-cr-v非晶吸氫合金。在ti-zr-ni-cr-v非晶合金進行吸氫氣實驗中，非晶合金的激活溫度為473k。經活化後，ti-zr-ni-cr-v非晶合金在室溫下具有一定的吸氫能力，吸氫量為23.6ml/g，而且起始(0～1ks)吸氫速率很快，室溫擁氫量為10.2ml/g，擁氫能力強，有利於室溫工況的應用。
在一實施例中，上述的一種氫源裝置的製造方法，包括：
所述非晶合金ti-zr-ni-cr-v體系儲氫材料，通過mpcvd技術，低溫外延生長呈ti-zr-ni-cr-v體系儲氫材料薄膜狀態；
向矽基腔中注入過飽和氫氣至呈薄膜狀態的所述非晶合金ti-zr-ni-cr-v體系儲氫材料達到飽和吸氫狀態；
將飽和吸氫狀態的所述非晶合金ti-zr-ni-cr-v體系儲氫材料薄膜在中壓狀態下封裝在矽基腔中。
在一實施例中，上述的一種氫源裝置的製造方法，還包括在所述矽基腔的入口處設置壓差改變裝置，在所述矽基腔入口處，所述壓差改變裝置使矽基腔內部的壓強小於矽基腔外部的壓強。
一種氫原子頻標，其中，包括上述的氫源裝置。
對於本領域技術人員而言，顯然本申請不限於上述示範性實施例的細節，而且在不背離本申請的精神或基本特徵的情況下，能夠以其他的具體形式實現本申請。因此，無論從哪一點來看，均應將實施例看作是示範性的，而且是非限制性的，本申請的範圍由所附權利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權利要求的等同要件的含義和範圍內的所有變化涵括在本申請內。不應將權利要求中的任何附圖標記視為限制所涉及的權利要求。此外，顯然「包括」一詞不排除其他單元或步驟，單數不排除複數。裝置權利要求中陳述的多個單元或裝置也可以由一個單元或裝置通過軟體或者硬體來實現。第一，第二等詞語用來表示名稱，而並不表示任何特定的順序。
當然，對於本領域技術人員而言，顯然本申請不限於上述示範性實施例的細節，而且在不背離本申請的精神或基本特徵的情況下，能夠以其他的具體形式實現本申請。因此，無論從哪一點來看，均應將實施例看作是示範性的，而且是非限制性的，本申請的範圍由所附權利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權利要求的等同要件的含義和範圍內的所有變化涵括在本申請內。不應將權利要求中的任何附圖標記視為限制所涉及的權利要求。
以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。