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一种减缓原子自旋弛豫的原子气室内壁镀膜方法

阅读：175发布：2021-02-26

IPRDB可以提供一种减缓原子自旋弛豫的原子气室内壁镀膜方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提供一种减缓原子自旋弛豫的原子气室内壁镀膜方法，该方法首先采用将铷原子蒸汽充入原子气室内，再通过氢化物固态释气剂(如氢化钛、氢化钙等)向原子气室内释放压强为10Torr～100Torr的氢气，并在温度50℃～150℃下保持数十～数百小时，原子气室内壁会附着一层氢化铷薄膜，最后将气室内残存的氢气抽空，结束镀膜过程，本发明在上述镀膜过程中采用固态释气剂产生氢气，与传统采用高压氢气瓶作为氢源相比，提高了在原子气室内壁进行氢化铷镀膜的工艺安全性，并且氢化铷镀膜后将气室内残余氢气抽空，与将氢气直接密封在气室内相比，有利于提升原子气室性能的稳定性。，下面是一种减缓原子自旋弛豫的原子气室内壁镀膜方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种减缓原子自旋弛豫的原子气室内壁镀膜方法，其特征在于：具体包括如下步骤：(1)、将N个原子气室(3)通过第一管路(5)连接在主管(1)上，并通过主管(1)相互连通，其中N为正整数；

(2)、将盛放铷源的第一容器(2)通过第二管路(6)连接在主管(1)上，并与主管(1)连通；

(3)、将盛放氢化物固态释气剂的第二容器(4)通过第三管路(7)连接在主管(1)上，并与主管(1)连通；

(4)、将主管(1)连接到真空系统上，利用真空泵对整个管路抽真空，至压强小于-4

5×10 Pa；

(5)、加热盛放铷源的第一容器(2)，使铷源以蒸汽的形式扩散到各个原子气室(3)内；

(6)、对盛放氢化物固态释气剂的第二容器(4)进行加热，所述加热温度为650℃～

720℃，使所述氢化物缓慢分解，产生的氢气通过主管(1)充入各个原子气室(3)内，当气室内氢气压力达到气压P时，封闭第三管路(7)，使氢气不再进入主管(1)，所述气压P为

10Torr～100Torr；

(7)、将原子气室(3)在温度T下保持时间t；所述温度T为50℃～150℃，时间t为

60h～300h；

(8)、利用真空泵将原子气室(3)内残余的氢气抽空，完成原子气室(3)内壁镀膜。

2.根据权利要求1所述的一种减缓原子自旋弛豫的原子气室内壁镀膜方法，其特征在于：所述步骤(6)中原子气室(3)内氢气气压P为40Torr～80Torr。

3.根据权利要求1所述的一种减缓原子自旋弛豫的原子气室内壁镀膜方法，其特征在于：所述步骤(6)中氢化物由缓慢分解至分解停滞的时间为5min～10min。

4.根据权利要求1所述的一种减缓原子自旋弛豫的原子气室内壁镀膜方法，其特征在于：所述步骤(7)中温度T为80℃～100℃，时间t为120h～180h。

5.根据权利要求1所述的一种减缓原子自旋弛豫的原子气室内壁镀膜方法，其特征在于：所述第一管路(5)的管径为2mm～4mm；第二管路(6)的管径为6mm～10mm；第三管路(7)的管径为6mm～10mm。

6.根据权利要求1所述的一种减缓原子自旋弛豫的原子气室内壁镀膜方法，其特征在于：所述主管(1)、第一管路(5)、第二管路(6)、第三管路(7)、第一容器(2)和第二容器(4)均为玻璃材质，优选采用同一类型的玻璃材质。

7.根据权利要求1所述的一种减缓原子自旋弛豫的原子气室内壁镀膜方法，其特征在于：所述步骤(5)中的加热温度为200℃～220℃。

8.根据权利要求1所述的一种减缓原子自旋弛豫的原子气室内壁镀膜方法，其特征在于：所述步骤(8)中原子气室(3)内壁镀膜的厚度为100nm～300nm。

说明书全文

一种减缓原子自旋弛豫的原子气室内壁镀膜方法

技术领域

[0001] 本发明涉及原子气室制备技术领域，特别涉及一种减缓原子自旋弛豫的原子气室内壁镀膜方法。

背景技术

[0002] 原子传感气室是原子惯性仪表、原子钟、原子磁力仪等原子传感仪表的核心物理组件，其性能参数直接影响这类传感仪表的性能。典型的原子气室采用光学玻璃将铷、铯等碱金属原子封装在真空或惰性气体氛围中，并充入一定压力的惰性气体作为工作气体和缓冲气体。

[0003] 在原子气室内，原子获得自旋极化的同时，也存在原子跟气室内壁碰撞而导致的宏观自旋丢失过程。原子自旋从极化到丢失的这段时间，称为宏观原子自旋驰豫时间，是表征原子气室性能的关键参数之一，直接影响原子传感仪表的性能。

[0004] 在原子气室内壁进行反驰豫镀膜是增加宏观原子自旋驰豫时间的一种有效手段，其中氢化铷和氘化铷等反驰豫膜能够将原子的驰豫时间提升10倍以上。1981年，T.M.Kwon等人在铷原子气室内充入三种惰性气体(Xe、N2和He)和压强为10Torr的H2，并将该气室在80℃下烘烤两周，在气室内壁镀上了一层均匀的RbH薄膜。测试表明，相比未镀RbH薄膜的原子气室，该气室具有更高的原子极化率和自旋弛豫时间。1984年，A.T.Nicol对原子气室进行了RbH镀膜，使得原子自旋驰豫时间由32s提升至403s。2012年，Scott Rohrbaugh等人在原子气室内充入H2和D2，在气室内壁形成了均匀的RbH和RbD薄膜，有效增加了原子自旋驰豫时间。

[0005] 在上述公开报道中，RbH反驰豫镀膜均采用如下过程实现：首先采用高压氢气瓶作为氢源在原子气室内充入一定压强的H2，然后将原子气室密封，在80℃下烘烤约两周，即可在气室内壁镀上一层均匀的RbH薄膜。在上述过程中主要存在以下问题，一是RbH镀膜是在原子气室密封后形成的，由于这个过程原子气室处于密封状态，随着RbH薄膜的生成，原子气室内自由铷原子的量减少，同时气室内H2气体压强发生改变，因此随着烘烤时间的推移，原子气室性能会发生变化，增大了原子气室制备中的不可控风险；另外，由于镀膜过程中采用高压氢气作为氢源，因此上述镀膜工艺存在较大的危险性。

发明内容

[0006] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种减缓原子自旋弛豫的原子气室内壁镀膜方法，该方法提高了在原子气室内壁进行氢化铷镀膜的工艺安全性，有利于提升原子气室性能的稳定性，同时提高了原子气室内壁镀膜的膜层质量。

[0007] 本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：

[0008] 一种减缓原子自旋弛豫的原子气室内壁镀膜方法，具体包括如下步骤：

[0009] (1)、将N个原子气室通过第一管路连接在主管上，并通过主管相互连通，其中N为正整数；

[0010] (2)、将盛放铷源的第一容器通过第二管路连接在主管上，并与主管连通；

[0011] (3)、将盛放氢化物固态释气剂的第二容器通过第三管路连接在主管上，并与主管连通；

[0012] (4)、将主管连接到真空系统上，利用真空泵对整个管路抽真空，至压强小于-45×10 Pa；

[0013] (5)、加热盛放铷源的第一容器，使铷源以蒸汽的形式扩散到各个原子气室内；

[0014] (6)、对盛放氢化物固态释气剂的第二容器进行加热，所述加热温度为650℃～720℃，使所述氢化物缓慢分解，产生的氢气通过主管充入各个原子气室内，当气室内氢气压力达到气压P时，封闭第三管路，使氢气不再进入主管，所述气压P为10Torr～100Torr；

[0015] (7)、将原子气室在温度T下保持时间t；所述温度T为50℃～150℃，时间t为60h～300h；

[0016] (8)、利用真空泵将原子气室内残余的氢气抽空，完成原子气室内壁镀膜。

[0017] 在上述减缓原子自旋弛豫的原子气室内壁镀膜方法中，步骤(6)中原子气室内氢气气压P为40Torr～80Torr。

[0018] 在上述减缓原子自旋弛豫的原子气室内壁镀膜方法中，步骤(6)中氢化物由缓慢分解至分解停滞的时间为5min～10min。

[0019] 在上述减缓原子自旋弛豫的原子气室内壁镀膜方法中，步骤(7)中温度T为80℃～100℃，时间t为120h～180h。

[0020] 在上述减缓原子自旋弛豫的原子气室内壁镀膜方法中，第一管路的管径为2mm～4mm；第二管路的管径为6mm～10mm；第三管路的管径为6mm～10mm；

[0021] 在上述减缓原子自旋弛豫的原子气室内壁镀膜方法中，主管、第一管路、第二管路、第三管路、第一容器和第二容器均为玻璃材质，优选采用同一类型的玻璃材质。

[0022] 在上述减缓原子自旋弛豫的原子气室内壁镀膜方法中，步骤(5)中的加热温度为200℃～220℃。

[0023] 在上述减缓原子自旋弛豫的原子气室内壁镀膜方法中，步骤(8)中原子气室内壁镀膜的厚度为100nm～300nm。

[0024] 本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

[0025] (1)、本发明采用固态释气剂产生氢气在原子气室内壁实现氢化铷镀膜，与传统采用高压氢气瓶作为氢源相比，提高了在原子气室内壁进行氢化铷镀膜的工艺安全性；

[0026] (2)、本发明采用的氢化铷镀膜装置在镀膜时不需要将原子气室全部密封后，单独拿去进行烘烤，仅需在气压达到一定要求时，将连通盛放氢化物固态释气剂的第二容器的第三管路密封即可，连通原子气室的管路不需要密封，氢化铷镀膜后将气室内残余氢气抽空，与现有方法中直接将氢气密封在气室内相比，不会出现由于RbH的生成导致原子气室内自由铷原子的量减少及气室内气体压强发生改变，有利于提升原子气室性能的稳定性；

[0027] (3)、本发明通过大量试验给出了对盛放氢化物固态释气剂的第二容器进行加热的最佳温度范围，以及最佳的氢化物分解速度，同时给出了封闭第三管路时气室内氢气达到的最佳气压范围，保证了RbH镀层的均匀性和镀层厚度；

[0028] (4)、本发明通过对原子气室内壁镀膜装置的连接管路尺寸及镀膜工艺条件进行优化，进一步提升了原子气室性能的稳定性，提高了原子气室内壁镀膜的膜层质量，增加了宏观原子自旋驰豫时间。

附图说明

[0029] 图1为本发明用于在原子气室内壁实现氢化铷镀膜的装置的组成示意图。

具体实施方式

[0030] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

[0031] 如图1所示为本发明用于在原子气室内壁实现氢化铷镀膜的装置的组成示意图，本发明用于在原子气室内壁实现氢化铷镀膜的装置，包括N个原子气室3、主管1、第一容器2、第二容器4、第一管路5、第二管路6、第三管路7，其中主管1、N个原子气室3、第一管路
5、第二管路6、第三管路7、第一容器2和第二容器4均为玻璃材质。玻璃主管为一根空心玻璃圆管，N个原子气室分支3、盛放碱金属铷源的玻璃容器2和盛放固体释气剂的玻璃容器4采用与玻璃主管1相同类型的玻璃材料，均通过玻璃细管与玻璃主管熔接和连通；玻璃主管1与外部真空系统连接，可以利用真空泵对玻璃主管1进行抽真空。

[0032] 本发明减缓原子自旋弛豫的原子气室内壁镀膜方法，具体包括如下步骤：

[0033] (1)、清洗N个原子气室3玻壳并烘干，然后通过第一管路5(玻璃细管)熔接在玻璃主管1上，并通过玻璃主管1相互连通；N为正整数。

[0034] (2)、将铷源盛放到第二容器2(玻璃容器)内，通过第二管路6(玻璃细管)熔接在玻璃主管1上，并与玻璃主管1连通；

[0035] (3)、将氢化物固态释气剂盛放到第二容器4(玻璃容器)内，通过第三管路7(玻璃细管)熔接在玻璃主管1上，并与玻璃主管1连通；其中氢化物固态释气剂可以为氢化钛、氢化钙等。

[0036] (4)、将玻璃主管1连接到真空系统上，利用真空泵对整个管路抽真空，至压强小-4于5×10 Pa；

[0037] (5)、利用蒸馏的方法加热盛放铷源的第一容器2，使铷源以蒸汽的形式扩散到各个原子气室3内，加热温度为200℃～220℃。

[0038] (6)、对盛放氢化物固态释气剂的第二容器4进行加热，加热温度为650℃～720℃；使所述氢化物缓慢分解，分解过程持续5min～10min，产生的氢气通过主管1充入各个原子气室3内，当气室内氢气压力达到气压P时，封闭第三管路7，使氢气不再进入主管
1，气压P为10Torr～100Torr，优选气压P为40Torr～80Torr。

[0039] (7)、将原子气室3在一定温度T下保持一定时间t；温度T为50℃～150℃，时间t为60h～300h；优选温度T为80℃～100℃，时间t为120h～180h。

[0040] (8)、利用真空泵将原子气室3内残余的氢气抽空，完成原子气室3内壁镀膜，原子气室(3)内壁镀膜的厚度为100nm～300nm。

[0041] 上述第一管路5的管径为2mm～4mm；第二管路6的直径管径为6mm～10mm；第三管路7的管径为6mm～10mm。

[0042] 实施例1

[0043] 首先清洗6个原子气室3玻壳并烘干，然后通过6个玻璃细管5熔接在玻璃主管1上，玻璃细管5的管径为2.5mm，玻璃主管1的管径为20mm。将10mg铷源盛放到玻璃容器2内，通过玻璃细管6熔接在玻璃主管1上，玻璃细管6的管径为8mm。将500mg氢化钛盛放到玻璃容器4内，通过玻璃细管7熔接在玻璃主管1上，玻璃细管7的管径为8mm。

[0044] 将玻璃主管1连接到真空系统上，利用真空泵对整个管路抽真空，至压强-43×10 Pa；利用蒸馏的方法加热盛放铷源的玻璃容器2，使铷源以蒸汽的形式扩散到各个原子气室3内；加热温度为220℃。

[0045] 对盛放氢化物固态释气剂的玻璃容器4进行加热，加热温度为680℃；使氢化物缓慢分解，分解过程持续6min，产生的氢气通过主管1充入各个原子气室3内，当气室内氢气压力达到气压P时，封闭第三管路7，使氢气不再进入主管1，气压P为75Torr，将原子气室3在温度90℃下保持150h。

[0046] 利用真空泵将原子气室3内残余的氢气抽空，完成原子气室3内壁镀膜，原子气室3内壁镀膜的厚度为150nm。

[0047] 利用本实施例所述方法在5mm×5mm×5mm方形原子气室内壁进行反驰豫镀膜后，129
原子气室内 Xe惰性气体原子的宏观原子自旋驰豫时间，比未镀膜原子气室提高了一个数量级。

[0048] 以上所述，仅为本发明一个具体实施方式，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技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

[0049] 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。

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