CN107009032A - 一种原子气室尾管熔断装置及原子气室尾管熔断方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种原子气室尾管熔断装置及原子气室尾管熔断方法，其中本发明原子气室尾管熔断装置，包括二氧化碳激光器、原子气室工装夹具、步进电机转动系统和三轴位移台。二氧化碳激光器作为加热源，波长10.6μm的激光自上而下发射。原子气室工装夹具将原子气室固定在电机轴上并将电机固定在三轴位移台上。采用上述装置对初步制作完成的原子气室进行后续处理，将气室尾管过长的部分去掉，从而使原子气室尺寸降低，满足小型化的要求。尾管熔断后的气室，不仅大幅度降低了尺寸，还在气室整体温度控制和气室内惰性气体核子驰豫速率方面有很大的提升，提升了原子传感器表头的性能。

Description

一种原子气室尾管熔断装置及原子气室尾管熔断方法

技术领域

本发明涉及原子气室制备技术领域，具体涉及一种原子气室尾管熔断装置，以及原子气室尾管熔断方法，处理后的气室可应用于基于光与原子相互作用的超高灵敏测量装置。

背景技术

原子气室是原子钟、原子磁强计、原子陀螺仪等基于光与原子相互作用的超高灵敏测量装置的物理表头，是最核心的敏感元件。其中，核磁共振陀螺仪是以原子磁矩在磁场中的拉摩尔进动作为参考，实现对惯性载体的角速度进行测量的一种原子陀螺仪。高精度和小型化是核磁共振陀螺仪目前的发展趋势。而原子气室的尺寸，严重限制了核磁共振陀螺仪的小型化程度。原子气室制作的传统工艺中，通常使用氢氧焰将原子气室从真空管路中取下，截断位置不能离气室过近，否则会造成碱金属逃逸或者气室高温变形。所以，传统工艺制作的原子气室的尾管较长，且难以再进一步缩短。因此，为了满足气室小型化的要求，亟需找到一种气室后处理的方法，在传统工艺制作的气室的基础上，对气室的尾管做进一步处理，从而达到气室小型化的要求。

发明内容

本发明的目的在于降低核磁共振陀螺仪所使用的原子气室的尾管尺寸，使原子气室符合核磁共振陀螺仪小型化的要求。另外，气室尾管的缩短，同时可以提升原子气室中惰性气体核子的弛豫时间，降低原子气室的惰性气体原子核的电四极分裂，从而提升了核磁共振陀螺仪的性能指标。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种原子气室尾管熔断装置，包括包括二氧化碳激光器(1)、步进电机系统(3)，原子气室工装夹具(4)和三轴位移台(5)，其中，二氧化碳激光器(1)位于顶部，自上而下发出波长10.6μm的红外激光用于熔断气室尾管(14)，原子气室工装夹具(4)将原子气室固定在步进电机轴上，并将步进电机固定在三轴位移台(5)上。

在上述的原子气室尾管熔断装置中，二氧化碳激光器(1)的发出的光的波长为10.6μm，玻璃材料对该波长的光的吸收率高，非常适合加热玻璃材料。二氧化碳激光器(1)的最小光斑直径为0.02mm，可以精确控制熔断位置。二氧化碳激光器(1)的出光功率为55W，足够将石英玻璃管加热到2000℃左右。

在上述的原子气室尾管熔断装置中，步进电机系统(3)由控制器、驱动器和步进电机三部分构成，可以精确控制电机的转速。步进电机固定在原子气室工装夹具(4)的底座上，驱动器的输出端与步进电机连接，输入端与控制器连接。

在上述的原子气室尾管熔断装置中，原子气室工装夹具(4)包括：电机座(12)、工装底座(15)、滑块(16)、电机轴稳定架(17)、卡头(18)。工装底座(15)固定在三轴位移台(5)上，电机座(12)、电机轴稳定架(17)固定在工装底座(15)上面，步进电机固定在电机座(12)上，电机轴与电机轴稳定架(17)的孔同心。左侧第一个卡头(18)固定在电机轴上。滑块(16)插入工装底座(15)右侧滑槽中，右侧第二个卡头(18)固定在滑块(16)的上部。滑块(16)由滑块座、滑块臂和卡头三部分构成，滑块座与滑块臂相互垂直，通过三个螺钉固紧。卡头通过法兰连接垂直固定在滑块臂上。

在上述的原子气室尾管熔断装置中，三轴位移台(5)可精确控制气室尾管的位置，通过调节三个方向相应的三个螺纹杆，可将气室尾管所在的空间位置移动到激光焦点附近。

一种原子气室尾管熔断方法，包括如下步骤：

(1)、将初步制作完成的尾管较长的原子气室(14)安装到电机轴上的卡头中，尾管方向向外。

(2)、让滑块(16)靠近原子气室(14)，用滑块(16)上的卡头卡住原子气室(14)尾管的末端。

(3)、调节三轴位移台(5)，将气室尾管移动到激光焦点位置附近。

(4)、启动步进电机系统(3)，电机开始带动气室转动。

(5)、调节二氧化碳激光器(1)的光斑大小和出光功率。

(6)、打开激光器，开始对熔断位置加热。

(7)、持续加热5s，熔断位置融化，将滑块(16)缓慢拉开，熔断位置自动拧结。

(8)关闭激光器，停止加热。关闭电机。待原子气室(14)冷却后取出。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

(1)、本发明的原子气室尾管熔断方法，在传统原子气室制作工艺的基础上，对原子气室的尾管做后处理，使处理后的气室满足尺寸大幅度降低。传统火焰熔断的方法，熔断位置如果太过靠近气室，将导致气室内部碱金属原子逃逸，甚至导致气室受热变形，降低气室性能。

(2)、本发明的原子气室尾管熔断方法，将原子气室尾管多余的部分去掉，增加了气室的中心对称性，从而降低了气室内惰性气体核子的电四极驰豫，提升了原子气室的性能。

附图说明

图1为本发明的用于原子气室尾管熔断的装置示意图。

图2为本发明的的工装夹具示意图及气室安装图。

图3为本发明的工装夹具中的滑块(16)斜视图。

图4为步进电机系统的示意图。

图5为尾管熔断前后的气室尺寸比较。

图6原子气室尾管熔断过程流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细介绍：

如图1和图2所示，本发明的原子气室尾管熔断装置包括二氧化碳激光器(1)、步进电机系统(3)，原子气室工装夹具(4)和三轴位移台(5)。其中，二氧化碳激光器(1)位于顶部，自上而下发出波长10.6μm的红外激光用于熔断气室尾管(14)，激光最大功率为55W，光斑最小直径为0.02mm。原子气室工装夹具(4)将原子气室固定在步进电机轴上，并将步进电机固定在三轴位移台(5)上，保证了整个熔断过程中熔断点位置的稳定性。通过调节三轴位移台(5)，可以将尾管熔断点移动到光束的焦点位置附近，保证了激光能量的有效利用以及熔断点可以加热到足够高的温度。

所述步进电机系统(3)由控制器、驱动器和步进电机(11)三部分构成，如图2所示，可以精确控制电机的转速。步进电机固定在原子气室工装夹具(4)的底座上，驱动器的输出端与步进电机连接，输入端与控制器连接。步进电机型号为86BYG二相四线步进电机，步进电机控制器的型号为DKC-S100，步进电机驱动器型号为MA860H，其输入电压为直流24～110V，输入电流小于8A，输出电流2.0～7.8A。控制器的功能是产生周期一定的脉冲信号，产生方向信号以及使能信号。驱动器收到控制器传输来的周期脉冲信号后，对脉冲信号进行分配和功率放大。放大后的脉冲信号，直接作用在步进电机各相的线圈上，驱动两相步进电机转动(A+、A-为第一相的正负极，B+、B-为第二相的正负极)，如图4所示。

所述原子气室工装夹具(4)包括：电机座(12)、工装底座(15)、滑块(16)、电机轴稳定架(17)、卡头(18)。工装底座(15)固定在三轴位移台(5)上，电机座(12)、电机轴稳定架(17)固定在工装底座(15)上面，步进电机固定在电机座(12)上，电机轴与电机轴稳定架(17)的孔同轴心。左侧第一个卡头(18)固定在电机轴上。滑块(16)插入工装底座(15)右侧滑槽中，右侧第二个卡头(18)固定在滑块(16)的上部。滑块(16)由滑块座、滑块臂和卡头三部分构成，如图3所示，滑块座与滑块臂相互垂直，通过三个螺钉固紧。卡头通过法兰连接垂直固定在滑块臂上。其中，滑块上的卡头位置可以调节，从而保证滑块(16)上的卡头与电机轴稳定架(17)上的卡头保持同轴。

在本发明中，由于激光自上而下发射，只能照射到一个面，因此为了保证熔断点位置受热均匀，需要有步进电机带动原子气室转动。

采用本发明所述的原子气室尾管熔断装置，实现原子气室尾管的熔断方法，如图6所示，包括如下步骤：

1)将使用传统火焰熔断的方法初步制作完成的尾管较长的原子气室(14)安装到步进电机轴上的卡头中，安装时需要使原子气室尾管方向向外。原子气室尾管要保持水平，轴心与电机转动轴同轴。

2)将工装底座(15)上的滑块(16)靠近原子气室(14)，用滑块(16)上的卡头卡住原子气室(14)尾管的末端。滑块(16)上的卡头需要与对侧电机轴稳定架(17)上的卡头同轴心。

3)通过调节三轴位移台(5)，将气室尾管熔断点移动到激光焦点位置附近。由于二氧化碳激光器发出的光为不可见光，因此，可先将原子气室取下，用这个金属板确定好激光焦点位置以后，再将原子气室装上。

4)启动步进电机系统(3)，使电机带动气室转动。步进电机的转速可以任意调节，不宜过快，最好在1圈/秒左右。

5)根据原子气室尾管尺寸的不同以及玻璃材料的不同，调节二氧化碳激光器(1)的出射光斑大小以及出光功率。光斑大小和出光功率的确定，需要多次试验后，选择合适的参数。本发明中采用了直径Φ3mm，功率55W的光斑。

6)启动激光器，开始对熔断位置加热。

7)持续加热5s左右，待熔断点融化，将滑块(16)缓慢拉开，熔断位置自动拧结。

8)关闭激光器，停止加热。停止电机。待原子气室(14)冷却后取出。

熔断前后的气室的尺寸如图5所示。图中气室的尺寸是4×4×4mm，尾管外经Φ3mm。截短前尾管的长度>10mm，截短后尾管的长度≈2mm。

以上所述仅为本发明的一个具体的实施方法，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的相关人员在本发明揭露的技术范围内，可以轻易想到的变化或者替换，都应该涵盖在本发明的保护范围以内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种原子气室尾管熔断装置，其特征在于：包括二氧化碳激光器(1)、步进电机系统(3)，原子气室工装夹具(4)和三轴位移台(5)，其中，二氧化碳激光器(1)位于顶部，自上而下发出波长10.6μm的红外激光用于熔断气室尾管(14)，原子气室工装夹具(4)将原子气室固定在步进电机轴上，并将步进电机固定在三轴位移台(5)上。

2.如权利要求1所述的一种原子气室尾管熔断装置，其特征在于：所述二氧化碳激光器(1)的最小光斑直径为0.02mm，可以精确控制熔断位置，二氧化碳激光器(1)的出光功率为55W。

3.如权利要求1所述的一种原子气室尾管熔断装置，其特征在于：所述步进电机系统(3)由控制器、驱动器和步进电机(11)三部分构成，可以精确控制电机(11)的转速，其中步进电机(11)固定在原子气室工装夹具(4)的底座上，驱动器的输出端与步进电机连接，输入端与控制器连接。

4.如权利要求1所述的一种原子气室尾管熔断装置，其特征在于：所述原子气室工装夹具(4)包括：电机座(12)、工装底座(15)、滑块(16)、电机轴稳定架(17)、卡头(18)，其中工装底座(15)固定在三轴位移台(5)上，电机座(12)、电机轴稳定架(17)固定在工装底座(15)上面，步进电机固定在电机座(12)上，电机轴与电机轴稳定架(17)的孔同轴心；左侧第一个卡头(18)固定在电机轴上；滑块(16)插入工装底座(15)右侧滑槽中，右侧第二个卡头(18)固定在滑块(16)的上部；步进电机(11)安装在电机座(12)上；滑块(16)由滑块座、滑块臂和卡头三部分构成，滑块座与滑块臂相互垂直，通过三个螺钉固紧；卡头通过法兰连接垂直固定在滑块臂上，其中，滑块上的卡头位置可以调节，从而保证滑块(16)上的卡头与电机轴稳定架(17)上的卡头保持同轴。

5.如权利要求1所述的一种原子气室尾管熔断装置，其特征在于：所述三轴位移台(5)，通过调节三个方向相应的三个螺纹杆，可精确控制气室尾管所在的空间位置，将其移动到激光焦点附近。

6.一种原子气室尾管熔断方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)将初步制作完成的尾管较长的原子气室(14)安装到电机轴上的卡头中，尾管方向向外；

2)让滑块(16)靠近原子气室(14)，用滑块(16)上的卡头卡住原子气室(14)尾管的末端；

3)调节三轴位移台(5)，将气室尾管移动到激光焦点位置附近；

4)启动步进电机系统(3)，电机开始带动气室转动；

5)调节二氧化碳激光器(1)的光斑大小和出光功率；

6)启动激光器，开始对熔断位置加热；

7)持续加热5s，熔断位置融化，将滑块(16)缓慢拉开，熔断位置自动拧结；

8)关闭激光器，停止加热，关闭电机，待原子气室(14)冷却后取出。