一种用于SERF原子自旋陀螺仪的保温装置的制作方法

一种用于serf原子自旋陀螺仪的保温装置
技术领域
1.本发明属于惯性测量传感器技术领域，涉及高精度、小体积的无自旋交换弛豫(spinexchange relaxation free
–
serf)原子自旋陀螺仪(本文简称serf陀螺仪)，特别涉及一种用于serf原子自旋陀螺仪的保温装置。


背景技术：

2.迄今为止多个国家已研制出多种类型的serf陀螺仪原理验证系统，部分公司研制已处于工程化阶段(不是很确定)。2005年普林斯顿大学利用k-3
he原子源首次实现serf原子自旋惯性测量原理验证，2011年完成第二代serf陀螺实验装置。美国twinleaf公司获得美国国防部大力支持，进行serf陀螺技术研究，表头尺寸小于φ8cm*10cm。国内北京航空航天大学率先于2008年开展serf陀螺仪研究，北京航天控制仪器研究所等研究院所也陆续开展研究，均取得较大进展。
3.serf陀螺仪综合利用了碱金属原子的电子自旋和惰性气体的核自旋，通过操控碱金属原子的电子自旋工作于serf态，提高自旋弛豫时间；操控惰性气体原子的核自旋与碱金属原子的电子自旋强耦合，补偿外界磁场变化隔离磁场影响，提高测量准确性。当载体转动时，原子自旋具有定轴性，探测激光固连在载体上而随载体转动，其与自旋的夹角反应了载体相对惯性空间转动。
4.serf陀螺仪基本组成可以分为三部分：泵浦光路部分、角速度传感器部分和信号检测及处理部分。角速度传感器部分由屏蔽筒部件、三维磁场补偿线圈部件、保温部件、加热部件、原子气室等组成，组成示意图如图1所示。其中加热部件要使原子气室可工作在100℃～150℃温度范围内，保温部件与电路配合使温控精度达
±
0.005℃。
5.由serf陀螺仪工作原理可知，三维磁场补偿线圈部件补偿外界磁场变化隔离磁场影响，这就需要保温部件外表与环境温差尽可能小，以减小外部三维磁场补偿线圈部件随温度变化引起的磁场变化，提高测量准确性，进而影响对原子的综合操控。


技术实现要素：

6.本发明的目的是在于克服现有技术的不足之处，提供一种可满足serf陀螺仪原子气室保温控制需求、具有较高的光投射率，拆装方便从而可便于内部原子气室调式的用于serf原子自旋陀螺仪的保温装置。
7.本发明的上述目的通过如下技术方案来实现：
8.一种用于serf原子自旋陀螺仪的保温装置，其特征在于：包括方形保温杯式真空玻璃盒、窗口片和保温端盖；
9.所述方形保温杯式真空玻璃盒由方形盒体主体部分及设在方形盒体主体部分顶端开口外围的方环形凸缘构成，方形保温杯式真空玻璃盒内部形成用于安装原子气室和加热部件的空腔；方形盒体主体部分和方环形凸缘均采用双层玻璃结构，两者的双层玻璃之间形成相连通的夹腔，在形盒体主体部分的一侧外层玻璃上加工有抽气孔，并在抽气孔内
安装有抽气嘴，通过抽气嘴抽气，使方形保温杯式真空玻璃盒夹腔内形成真空状态；
10.在方形保温杯式真空玻璃盒的底部及前后侧面上相对的位置均加工有透光孔，在每个透光孔内通过粘接的方式密封固定有窗口片，窗口片采用高透射率光学玻璃；安装在底部的窗口片用于通过泵浦激光，安装在前后侧面的透光片用于通过探测激光；
11.所述保温端盖扣盖在方形凸缘的外部，采用粘接的方式与方形盒体主体部分的顶面固定连接。
12.进一步的：所述窗口片采用紫外熔石英k9光学玻璃，表面镀增透膜，透射率大于99.75％；
13.进一步的：所述保温端盖材料选用聚酰亚胺泡沫，导热系数0.04w/(m
·
℃)。
14.本发明具有的优点和积极效果：
15.1、本发明保温装置由方形保温杯式真空玻璃盒、窗口片、保温端盖组成，可满足serf 陀螺仪原子气室保温控制需求，减小三维磁场补偿线圈部件随温度变化引起的磁场变化，同时满足可调式原子气室的需求；
16.2、本发明设计的保温装置，主体为方形保温杯式真空玻璃盒，便于安装定位，也有利于透射十字正交光；通光面开孔，粘接窗口片，材料选用高透射率光学玻璃；玻璃盒开口处采用凸缘设计，延长透气路径，提高了保温效果；玻璃盒开口处粘接保温棉端盖封口，与玻璃盒紧密接触，保温效果好；同时拆装简单，便于调试内部原子气室。
17.3、本发明所设计的保温装置结构紧凑，设计简单，布局合理，工艺实施方便，调制稳定性好，适用于serf陀螺仪等系统。
附图说明
18.图1是serf陀螺仪角速度传感器部分组成示意图；
19.图2是基于本发明的serf陀螺仪原子气室加热保温组件组成三维效果图(包括内置的加热部件、原子气室)；
20.图3是本发明保温装置的三维效果图；
21.图4是本发明方形保温杯式真空玻璃盒三维效果图；
22.图5是本发明的透气路径对比示意图(a常规平口、b凸缘口)。
具体实施方式
23.以下结合附图并通过实施例对本发明的结构作进一步说明。需要说明的是本实施例是叙述性的，而不是限定性的。
24.serf陀螺仪基本组成可以分为三部分：泵浦光路部分、角速度传感器部分和信号检测及处理部分。其中，角速度传感器部分由屏蔽筒部件5、三维磁场补偿线圈部件4、保温部件3、加热部件2、原子气室1等组成，见图1。
25.本发明的创新点为：对保温部件进行结构优化，具体优化结构为：
26.保温装置主要由方形保温杯式真空玻璃盒3.1、窗口片3.3、保温端盖3.2组成，组成三维效果图如图3所示。
27.方形保温杯式真空玻璃盒由方形盒体主体部分3.1.1及设在方形盒体主体部分顶端的方环形凸缘3.1.4构成，整体采用玻璃板粘接结构，其内部形成供原子气室和加热部件
装入的空腔。其中，方形盒体主体部分及方环形凸缘均采用双层玻璃结构，两者的双层玻璃之间形成连通的夹腔。方形盒体主体部分的一侧外层玻璃上加工有抽气孔，并在抽气孔内安装有抽气嘴3.1.3，通过抽气嘴处可实现方形保温杯式真空玻璃盒内夹腔的抽真空操作，使真空度优于10pa。
28.本发明设计的方形保温杯式真空玻璃盒，功能主要是起隔热保温作用，热源(加热部件) 在内部。考虑热传导的三种方式：传导、对流、辐射，隔热优先考虑抽真空方式。为避免金属材料带来的磁性干扰，屏蔽筒部件内部避免选用铁磁性材料，选用非金属材料。同时考虑作为结构件需要一定强度，而且还需抽真空，因而选用玻璃材料作为保温盒主体。
29.考虑整个方形保温杯式真空玻璃盒在十字正交方向需通两束激光(泵浦激光、探测激光)，为减小散射，保温盒结构形式设计成方形，这样，其底面可用于通泵浦激光，而前后侧面可用于通探测激光。同时，保温盒采用方形结构，内部便于安装定位原子气室加热部件，然后整体安装定位在三维磁场补偿线圈部件中。
30.为尽可能减小玻璃盒对激光损耗，增强激光对气室中原子的作用，在方形保温杯式真空玻璃盒的底部及前后侧面上相对的位置均加工有透光孔3.1.2，在每个透光孔内通过粘接的方式密封固定有窗口片，窗口片采用高透射率光学玻璃，其中位于方形保温杯式真空玻璃盒底部的窗口片用于通过输入泵浦激光，该光的输入方向与置于方形保温杯式真空玻璃盒内腔中的原子气室中心对正。而位于方形保温杯式真空玻璃前侧面上的窗口片用于通过输入探测激光，该光的输入方向与置于方形保温杯式真空玻璃盒内腔中的原子气室中心对正，该输入光最后通过方形保温杯式真空玻璃后侧面上的窗口片输出。方形保温杯式真空玻璃盒结构三维效果图如图4所示。
31.上述窗口片优选但不限于采用紫外熔石英k9光学玻璃，表面镀增透膜，透射率大于 99.75％。
32.为提高保温效果，除上述方形盒体主体部分的设计结构外，改变玻璃盒开口处一般采用的简单平端设计，采用方环形凸缘设计，延长透气路径，提高保温效果。透气路径对比示意图见图5所示，a图为常规平口，b图为本发明所采用凸缘口，可看出凸缘口玻璃盒外表温度 t2明显小于常规平口玻璃盒外表温度t1。
33.保温端盖采用保温棉，材料选用聚酰亚胺泡沫，导热系数0.04w/(m
·
℃)；保温棉端盖材质柔软便于与玻璃盒紧密接触，保温端盖扣盖在方形凸缘的外部，采用粘接的方式与方形盒体主体部分的顶面固定连接，具有便于拆装的优点，有利于调试玻璃盒内部原子气室。
34.采用以上设计(结构示意图如图3所示)，整体保温效果满足要求，外表面最高温度约为35℃，减小三维磁场补偿线圈部件随温度变化引起的磁场变化，同时满足可调式原子气室的需求。
35.尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神范围内，各种替换、变化和修改都是可以的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。