一種原子氣室尾管熔斷裝置及原子氣室尾管熔斷方法與流程

2023-05-16 02:19:06 3

本發明涉及原子氣室製備技術領域，具體涉及一種原子氣室尾管熔斷裝置，以及原子氣室尾管熔斷方法，處理後的氣室可應用於基於光與原子相互作用的超高靈敏測量裝置。

背景技術：

原子氣室是原子鐘、原子磁強計、原子陀螺儀等基於光與原子相互作用的超高靈敏測量裝置的物理表頭，是最核心的敏感元件。其中，核磁共振陀螺儀是以原子磁矩在磁場中的拉摩爾進動作為參考，實現對慣性載體的角速度進行測量的一種原子陀螺儀。高精度和小型化是核磁共振陀螺儀目前的發展趨勢。而原子氣室的尺寸，嚴重限制了核磁共振陀螺儀的小型化程度。原子氣室製作的傳統工藝中，通常使用氫氧焰將原子氣室從真空管路中取下，截斷位置不能離氣室過近，否則會造成鹼金屬逃逸或者氣室高溫變形。所以，傳統工藝製作的原子氣室的尾管較長，且難以再進一步縮短。因此，為了滿足氣室小型化的要求，亟需找到一種氣室後處理的方法，在傳統工藝製作的氣室的基礎上，對氣室的尾管做進一步處理，從而達到氣室小型化的要求。

技術實現要素：

本發明的目的在於降低核磁共振陀螺儀所使用的原子氣室的尾管尺寸，使原子氣室符合核磁共振陀螺儀小型化的要求。另外，氣室尾管的縮短，同時可以提升原子氣室中惰性氣體核子的弛豫時間，降低原子氣室的惰性氣體原子核的電四極分裂，從而提升了核磁共振陀螺儀的性能指標。

為了實現上述目的，本發明採用的技術方案如下：

一種原子氣室尾管熔斷裝置，包括包括二氧化碳雷射器(1)、步進電機系統(3)，原子氣室工裝夾具(4)和三軸位移臺(5)，其中，二氧化碳雷射器(1)位於頂部，自上而下發出波長10.6μm的紅外雷射用於熔斷氣室尾管(14)，原子氣室工裝夾具(4)將原子氣室固定在步進電機軸上，並將步進電機固定在三軸位移臺(5)上。

在上述的原子氣室尾管熔斷裝置中，二氧化碳雷射器(1)的發出的光的波長為10.6μm，玻璃材料對該波長的光的吸收率高，非常適合加熱玻璃材料。二氧化碳雷射器(1)的最小光斑直徑為0.02mm，可以精確控制熔斷位置。二氧化碳雷射器(1)的出光功率為55w，足夠將石英玻璃管加熱到2000℃左右。

在上述的原子氣室尾管熔斷裝置中，步進電機系統(3)由控制器、驅動器和步進電機三部分構成，可以精確控制電機的轉速。步進電機固定在原子氣室工裝夾具(4)的底座上，驅動器的輸出端與步進電機連接，輸入端與控制器連接。

在上述的原子氣室尾管熔斷裝置中，原子氣室工裝夾具(4)包括：電機座(12)、工裝底座(15)、滑塊(16)、電機軸穩定架(17)、卡頭(18)。工裝底座(15)固定在三軸位移臺(5)上，電機座(12)、電機軸穩定架(17)固定在工裝底座(15)上面，步進電機固定在電機座(12)上，電機軸與電機軸穩定架(17)的孔同心。左側第一個卡頭(18)固定在電機軸上。滑塊(16)插入工裝底座(15)右側滑槽中，右側第二個卡頭(18)固定在滑塊(16)的上部。滑塊(16)由滑塊座、滑塊臂和卡頭三部分構成，滑塊座與滑塊臂相互垂直，通過三個螺釘固緊。卡頭通過法蘭連接垂直固定在滑塊臂上。

在上述的原子氣室尾管熔斷裝置中，三軸位移臺(5)可精確控制氣室尾管的位置，通過調節三個方向相應的三個螺紋杆，可將氣室尾管所在的空間位置移動到雷射焦點附近。

一種原子氣室尾管熔斷方法，包括如下步驟：

(1)、將初步製作完成的尾管較長的原子氣室(14)安裝到電機軸上的卡頭中，尾管方向向外。

(2)、讓滑塊(16)靠近原子氣室(14)，用滑塊(16)上的卡頭卡住原子氣室(14)尾管的末端。

(3)、調節三軸位移臺(5)，將氣室尾管移動到雷射焦點位置附近。

(4)、啟動步進電機系統(3)，電機開始帶動氣室轉動。

(5)、調節二氧化碳雷射器(1)的光斑大小和出光功率。

(6)、打開雷射器，開始對熔斷位置加熱。

(7)、持續加熱5s，熔斷位置融化，將滑塊(16)緩慢拉開，熔斷位置自動擰結。

(8)關閉雷射器，停止加熱。關閉電機。待原子氣室(14)冷卻後取出。

本發明與現有技術相比，具有如下有益效果：

(1)、本發明的原子氣室尾管熔斷方法，在傳統原子氣室製作工藝的基礎上，對原子氣室的尾管做後處理，使處理後的氣室滿足尺寸大幅度降低。傳統火焰熔斷的方法，熔斷位置如果太過靠近氣室，將導致氣室內部鹼金屬原子逃逸，甚至導致氣室受熱變形，降低氣室性能。

(2)、本發明的原子氣室尾管熔斷方法，將原子氣室尾管多餘的部分去掉，增加了氣室的中心對稱性，從而降低了氣室內惰性氣體核子的電四極馳豫，提升了原子氣室的性能。

附圖說明

圖1為本發明的用於原子氣室尾管熔斷的裝置示意圖。

圖2為本發明的的工裝夾具示意圖及氣室安裝圖。

圖3為本發明的工裝夾具中的滑塊(16)斜視圖。

圖4為步進電機系統的示意圖。

圖5為尾管熔斷前後的氣室尺寸比較。

圖6原子氣室尾管熔斷過程流程圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作進一步詳細介紹：

如圖1和圖2所示，本發明的原子氣室尾管熔斷裝置包括二氧化碳雷射器(1)、步進電機系統(3)，原子氣室工裝夾具(4)和三軸位移臺(5)。其中，二氧化碳雷射器(1)位於頂部，自上而下發出波長10.6μm的紅外雷射用於熔斷氣室尾管(14)，雷射最大功率為55w，光斑最小直徑為0.02mm。原子氣室工裝夾具(4)將原子氣室固定在步進電機軸上，並將步進電機固定在三軸位移臺(5)上，保證了整個熔斷過程中熔斷點位置的穩定性。通過調節三軸位移臺(5)，可以將尾管熔斷點移動到光束的焦點位置附近，保證了雷射能量的有效利用以及熔斷點可以加熱到足夠高的溫度。

所述步進電機系統(3)由控制器、驅動器和步進電機(11)三部分構成，如圖2所示，可以精確控制電機的轉速。步進電機固定在原子氣室工裝夾具(4)的底座上，驅動器的輸出端與步進電機連接，輸入端與控制器連接。步進電機型號為86byg二相四線步進電機，步進電機控制器的型號為dkc-s100，步進電機驅動器型號為ma860h，其輸入電壓為直流24～110v，輸入電流小於8a，輸出電流2.0～7.8a。控制器的功能是產生周期一定的脈衝信號，產生方向信號以及使能信號。驅動器收到控制器傳輸來的周期脈衝信號後，對脈衝信號進行分配和功率放大。放大後的脈衝信號，直接作用在步進電機各相的線圈上，驅動兩相步進電機轉動(a+、a-為第一相的正負極，b+、b-為第二相的正負極)，如圖4所示。

所述原子氣室工裝夾具(4)包括：電機座(12)、工裝底座(15)、滑塊(16)、電機軸穩定架(17)、卡頭(18)。工裝底座(15)固定在三軸位移臺(5)上，電機座(12)、電機軸穩定架(17)固定在工裝底座(15)上面，步進電機固定在電機座(12)上，電機軸與電機軸穩定架(17)的孔同軸心。左側第一個卡頭(18)固定在電機軸上。滑塊(16)插入工裝底座(15)右側滑槽中，右側第二個卡頭(18)固定在滑塊(16)的上部。滑塊(16)由滑塊座、滑塊臂和卡頭三部分構成，如圖3所示，滑塊座與滑塊臂相互垂直，通過三個螺釘固緊。卡頭通過法蘭連接垂直固定在滑塊臂上。其中，滑塊上的卡頭位置可以調節，從而保證滑塊(16)上的卡頭與電機軸穩定架(17)上的卡頭保持同軸。

在本發明中，由於雷射自上而下發射，只能照射到一個面，因此為了保證熔斷點位置受熱均勻，需要有步進電機帶動原子氣室轉動。

採用本發明所述的原子氣室尾管熔斷裝置，實現原子氣室尾管的熔斷方法，如圖6所示，包括如下步驟：

1)將使用傳統火焰熔斷的方法初步製作完成的尾管較長的原子氣室(14)安裝到步進電機軸上的卡頭中，安裝時需要使原子氣室尾管方向向外。原子氣室尾管要保持水平，軸心與電機轉動軸同軸。

2)將工裝底座(15)上的滑塊(16)靠近原子氣室(14)，用滑塊(16)上的卡頭卡住原子氣室(14)尾管的末端。滑塊(16)上的卡頭需要與對側電機軸穩定架(17)上的卡頭同軸心。

3)通過調節三軸位移臺(5)，將氣室尾管熔斷點移動到雷射焦點位置附近。由於二氧化碳雷射器發出的光為不可見光，因此，可先將原子氣室取下，用這個金屬板確定好雷射焦點位置以後，再將原子氣室裝上。

4)啟動步進電機系統(3)，使電機帶動氣室轉動。步進電機的轉速可以任意調節，不宜過快，最好在1圈/秒左右。

5)根據原子氣室尾管尺寸的不同以及玻璃材料的不同，調節二氧化碳雷射器(1)的出射光斑大小以及出光功率。光斑大小和出光功率的確定，需要多次試驗後，選擇合適的參數。本發明中採用了直徑φ3mm，功率55w的光斑。

6)啟動雷射器，開始對熔斷位置加熱。

7)持續加熱5s左右，待熔斷點融化，將滑塊(16)緩慢拉開，熔斷位置自動擰結。

8)關閉雷射器，停止加熱。停止電機。待原子氣室(14)冷卻後取出。

熔斷前後的氣室的尺寸如圖5所示。圖中氣室的尺寸是4×4×4mm，尾管外經φ3mm。截短前尾管的長度>10mm，截短後尾管的長度≈2mm。

以上所述僅為本發明的一個具體的實施方法，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的相關人員在本發明揭露的技術範圍內，可以輕易想到的變化或者替換，都應該涵蓋在本發明的保護範圍以內。

本發明說明書中未作詳細描述的內容屬於本領域專業技術人員的公知技術。