一种原子干涉仪的玻璃真空腔体装置的制作方法

本发明涉及了原子光学仪器技术领域，尤其涉及了一种原子干涉仪的玻璃真空腔体装置，可为原子干涉仪中的干涉操作提供环境保障。

背景技术：

近30年来，量子调控技术发展迅猛，其中，原子干涉仪因其超高的理论精度潜力，获得了全世界广泛的重视及研究。基于冷原子干涉仪制成的传感器，可被广泛应用于物理参数精密测量、时间测量及频标、地质勘测、惯性导航等领域，具有重要的应用前景及战略意义。在冷原子干涉仪中，往往需要采用超高真空腔体来保证原子的相干性；同时还要求真空腔体具有很好的光学介入性，以保障激光对原子的相干操控。这些要求通常选用玻璃真空腔体进行实现。目前玻璃真空腔体的结构为玻璃金属封接的结构，即将玻璃真空腔体与一个金属法兰管进行封接，在利用金属法兰的刀口结构将其封接到主腔体上。此种结构的存在以下问题：玻璃和金属合金材料的热膨胀系数要基本一致或比较接近，或相差较大时要求金属具有良好的延展性和可塑性，才能进行封接，热膨胀系数差别较大会引起接口处漏气或爆裂。这就限制了玻璃以及金属材料的选择。在原子干涉仪中，往往采用无磁的钛合金或316l不锈钢材料作为金属法兰的材料，采用石英、pyrex玻璃作为玻璃腔体的材料，金属法兰和玻璃腔体封接起来非常困难。为解决这一问题，实际应用中也可首先对热膨胀系数接近的金属和玻璃材料进行封接，再利用不同热膨胀系数的玻璃材料烧制过渡玻璃管，使得热膨胀系数从烧好的封接材料逐步过渡到预先制备好的玻璃真空腔体，以实现封接的目的。然而采用这种方法会导致系统体积变大；另外，在烧制时火焰温度较高，将会损伤玻璃真空腔体的表面镀膜，烧制过程中玻璃腔体表面极易被污染，这将大大降低腔体的光学介入质量。鉴于上述原因，现有的玻璃真空腔体的结构存在烧制工艺复杂、体积庞大、易碎裂等缺点。

现有授权公告号205371616u专利中，采用高低温真空环境下玻璃与金属直接密封结构。但没有提到真空腔体的问题。

技术实现要素：

本发明解决的问题是，克服现有技术的不足，提供了一种可靠性高、制作简易、光学介入质量高的玻璃真空腔体装置。

本发明的解决方案为：一种原子干涉仪的玻璃真空腔体装置，包括：方形腔体、过渡圆管、玻璃圆环、压片和转接法兰；方形腔体与过渡圆管通过光胶技术封接，组成玻璃真空腔体结构；过渡圆管与玻璃圆环之间采用光胶技术进行封接，压片将玻璃圆环均匀紧密的压在转接法兰一侧的经过抛光的凹槽内，压片与玻璃圆环之间垫有特氟龙垫圈，玻璃圆环与转接法兰之间采用铟丝进行密封；转接法兰的另一侧为通用的刀口结构，方便与金属真空腔体进行封接。

所述方形腔体、过渡圆管与玻璃圆环采用同一种材料制成。

所述材料为石英、肖特33号或pyrex玻璃中的一种。

所述压片和转接法兰采用304不锈钢、316l不锈钢、钛合金的任意一种制成。

所述方形腔体、过渡圆管、玻璃圆环与转接法兰在轴向上是同轴的。

上述方案的原理是：方形腔体由镀膜窗片通过光胶技术拼接而成，并在其中一面开有与过渡圆管内径相同大小的通孔，与过渡圆管的一端通过光胶技术相连；过渡圆管的另一端同样采用光胶技术，与玻璃圆环相连接，组成一个整体，光胶技术可保证该整体(方形腔体、过渡圆管以及玻璃圆环组成的整体)的漏率优于10^-11pa·m³/s。两片半圆形的压片可将该整体的底座(玻璃圆环)紧密、均匀的压在转接法兰的槽内，玻璃圆环与转接法兰之间垫入一圈铟丝，用于填满两者之间的缝隙，对接后的金属玻璃封接装置进行抽真空后，大气压力会将玻璃圆环紧密的压在转换法兰的表面，该种封接方式可保证此处产生的漏率优于10^-11pa·m³/s。转接法兰的另一侧为通用的刀口型结构，可通过无氧铜片与真空系统进行封接。这种结构不仅避免了金属与玻璃之间的高温封接，使得真空系统的装配更加简单；同时保证了系统的真空度以及光学介入质量。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明具有可靠性高、制作简易、光学介入质量高的优点

本发明中的玻璃圆环与转接法兰之间采用铟丝进行密封，避免了金属玻璃热封接工艺中由于金属与玻璃膨胀系数不匹配导致漏气的缺点，提高系统的可靠性，封接漏率优于10^-11pa·m³/s；

方形腔体与过渡圆管通过光胶技术封接，组成传统的玻璃真空腔体结构；过渡圆管与玻璃圆环之间采用光胶技术进行封接，压片将玻璃圆环均匀紧密的压在转接法兰一侧的经过抛光的凹槽内，压片与玻璃圆环之间垫有特氟龙垫圈，玻璃圆环与转接法兰之间采用铟丝进行密封，使得装置的光学介入面非常平整，其平整程度受限于材料本身，光胶技术基本对其无影响，而且不会受到金属玻璃热封接过程中析出的粉末、玻璃融化畸变的影响，因此光学介入质量高，且制作简易。

(2)本发明在传统的玻璃真空腔体底端加入玻璃圆环结构，并采用铟丝封接的方法，将真空腔体与金属转接法兰进行封接，从而避免了金属与玻璃高温封接所带来的工艺复杂、体积庞大、易碎裂等缺点，使得真空系统的装配更加简单，同时还保证了系统的真空度以及光学介入质量。

附图说明

图1是本发明结构爆炸视图；

图2是本发明的剖视图。

具体实施方式

如图1所示，为本发明的结构爆炸视图，由方形腔体1、过渡圆管2、玻璃圆环3、压片4、转接法兰5组成。其中，方形腔体1与过渡圆管2之间采用光胶技术封接，此种封接技术的名称就是光胶技术，其具体为将两零件需要胶合的两面打磨光滑并保持清洁和面型一致，在高温(高温根据所使用的材料而定，对于石英材料来说，约在1300～1500度)。作用下，将需要胶合的两面对准后使其充分接触直至两接触面直接键合在一起，此时需要胶合的两面之间的作用力为两接触面之间的分子力。

在以往的工艺、装置中，都有此种类型的玻璃真空腔体结构，此结构将直接与金属进行封接，称为传统的玻璃真空腔体。在本发明中，此结构与玻璃圆盘封接成传统的玻璃真空腔体结构。方形腔体1由镀膜窗片通过光胶技术拼接而成，并在其中一面开有与过渡圆管2内径相同大小的通孔，该通孔与过渡圆管2是同轴的，且过渡圆管2的外径小于方形腔体1接触面最短的边长，保证过渡圆管2与方形腔体1接触面面积即为过渡圆管2的横截面积。过渡圆管2的另一端与玻璃圆环3之间采用光胶技术进行封接，此种封接技术就是光胶技术，其具体的描述见上。玻璃圆环3的内径与过渡圆管2的内径相同，且两者同轴，玻璃圆环3的外径要大于过渡圆管2的外径约2～5mm。两片半圆型的压片4，两片半圆形压片4组合后的内径要大于过渡圆管2的外径为1～2mm。压片4的横截面呈台阶型，台阶型的内侧部分通过特氟龙垫圈7与玻璃圆环3进行接触，台阶型的外侧部分与转接法兰5对应的螺纹孔利用螺栓进行连接，将玻璃圆环3均匀、紧密的压在转接法兰5一侧的经过抛光的凹槽内。凹槽外径比玻璃圆环外径大1～2mm，内径比玻璃圆环内径小约2～5mm，凹槽深度要浅于玻璃圆环3的厚度约1～2mm。压片4与玻璃圆环3之间垫有特氟龙垫圈7。玻璃圆环3与转接法兰5之间采用铟丝6进行密封，密封具体方法是在玻璃圆环与转接法兰的抛光表面垫入一圈封闭的铟丝圈，铟丝的直径为0.5～2mm。在确保玻璃圆环与转接法兰的相对位置正确后，通过紧固压片外侧台阶的螺栓逐渐加大压片的压力，使得玻璃圆环与转接法兰充分接触，并将中间的铟丝压至变形，充分填满玻璃圆环与转接法兰之间的间隙。转接法兰5的另一侧为通用的刀口结构，可以方便的与不锈钢真空腔体进行封接。

方形腔体1、过渡圆管2与玻璃圆环3采用同一种材料制成，如石英、肖特33号、pyrex玻璃等。压片4与转接法兰5采用304不锈钢、316l不锈钢、钛合金的任意一种制成。