一种碱金属原子气室制备方法与流程

1.本发明涉及原子钟技术领域，尤其是一种碱金属原子气室制备方法。


背景技术：

2.随着量子技术和原子物理的快速发展，而碱金属原子气室是制造磁力仪、原子钟、原子陀螺仪的关键核心部件，目前，原子气室的制备工艺有玻壳熔接、玻璃烧结、刻蚀、键合技术等制造，通常采用刻蚀原子气室、或单个气室进行六个面的加工组装，其工序较多、制造效率低、加工精度低、质量不稳定、制造成本高，制造工艺不适用工业化生产。


技术实现要素：

3.为了克服背景技术中的技术问题，本发明提供了一种碱金属原子气室制备方法。
4.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种碱金属原子气室制备方法，采用玻璃加热软化后压制工艺制备碱金属原子气室，具体步骤如下：a、模具制造：根据原子气室尺寸，在高温合金材料板上铣削加工出柱形的凸模，所述凸模表面进行磨削、精磨、抛光，制成合金模具板；凸模表面达到较高的光洁度，可大大提高原子气室内腔压制加工的精度、容易脱模，同时，成型的玻璃腔室表面光洁度高，容易快速二次抛光、光学窗口透光性好；b、玻璃软化压制：采用耐热玻璃板，加热至玻璃软化温度后，将步骤a制成的合金模具板缓慢平行压向耐热玻璃板，将所述合金模具板上的凸模压入软化的耐热玻璃板中，在耐热玻璃板上压制形成凹腔；所述加热软化温度可根据不同玻璃材质进行调整；c、脱模：合金模具板的凸模在耐热玻璃板的凹腔内保持，使得软化的耐热玻璃板上压制成型的凹腔与凸模表面完全贴合、并消除玻璃材料的弹性变形；然后将合金模具板与耐热玻璃板缓慢平行脱开，所述耐热玻璃板上压制成型的凹腔形成一端未封闭的原子气室内腔；d、退火去应力：成型好耐热玻璃板进行退火处理，消除压制成型凹腔时形成的玻璃材料热应力，然后冷却至室温；退火去应力后可保持压制成型原子气室内腔不变形；e、玻璃切割：沿一端未封闭的原子气室内腔的周边切割耐热玻璃板，切割成方形的、有一端内腔未封闭单个的原子气室；f、表面处理：对切割后的原子气室表面和原子气室内腔表面进行精磨抛光处理，达到光学窗口90％以上的透光率；g、封闭气室：采用具备光胶表面精度的玻璃片，预先开设加注孔后，再与原子气室未封闭的端面光胶吸附，封闭原子气室，在玻璃片的加注孔上连接安装加注管，完成碱金属原子气室的制备。
5.进一步优选的，所述步骤a中，合金模具板上柱形的凸模横截面为正方形或长方形，所述凸模表面进行磨削、精磨、抛光至表面粗糙度ra小于0.004μm。压制成型为方形的原
子气室内腔，可制成双向光学窗口，凸模表面达到较高的光洁度，可大大提高原子气室内腔压制的精度、且不粘模、容易脱模，同时，成型的玻璃腔室表面光洁度高，容易进行二次抛光，光学窗口透光性好。
6.优选的，所述合金模具板上的凸模横截面为2
×
2mm的正方形，可压制成型2
×2×
2mm正方体型原子气室内腔，可制成结构紧凑的正方体体形原子气室，实现原子气室的微型化，并构成双向的光学窗口。
7.优选的，所述步骤a中，在合金模具板上加工出的凸模为多个，相邻的凸模之间的最小间距为9mm。可避免压制相邻的原子气室内腔产生玻璃材料形变影响，同时可依靠耐热玻璃板的自身重量脱模，进一步减少玻璃材料形变影响腔室成型精度。
8.优选的，所述步骤b中，所述耐热玻璃板加热至620～760℃软化温度，耐热玻璃板的软化度适中、自身形变小、不产生冷纹、且不易粘模，可实现最佳压制成型效果。
9.优选的，所述步骤b中，所述耐热玻璃板的厚度为凸模高度的1.8倍以上。保持耐热玻璃板有足够的压制空间，减小压制后耐热玻璃板整体的变形量，同时加大厚度的耐热玻璃板有足够重量，依靠自身重量脱模，无需用夹具固定软化的耐热玻璃板，避免产生变形。
10.优选的，所述步骤c中，合金模具板的凸模在耐热玻璃板的凹腔内保持时间为5～18秒钟，消除玻璃材料压制的弹性变形。
11.优选的，所述步骤d中，成型好耐热玻璃板进行退火处理，在510～525℃温度下保温7～20小时退火，然后冷却至室温。退火处理消除热应力后，可保持压制成型原子气室内腔不变形。
12.优选的，所述步骤e中切割成型的方形的原子气室外形的长、宽、高为3
×3×
2.5mm、所述原子气室内腔的长、宽、高为2
×2×
2mm，原子气室的壁厚均为0.5 mm。可制成的结构紧凑、微型化和轻量化的正方形原子气室。
13.优选的，所述步骤f中，所述原子气室表面和原子气室内腔表面进行精磨抛光处理，使其表面粗糙度ra值达到0.004μm以下、每个表面的平面度误差小于0.005mm，相对平面的平行度误差小于0.005 mm，可实现原子气室的光学窗口极高的透光率。
14.优选的，所述步骤g中，所述玻璃片的厚度为0.2～0.6mm，其表面粗糙度ra值为0.004μm以下，开设的加注孔直径为0.5～0.8mm。
15.优选的，所述步骤g中，所述玻璃片与原子气室未封闭的端面尺寸一致，并与原子气室的五个面的壁厚相同，原子气室结构更为紧凑，并实现高透光率。
16.优选的，所述步骤g中，所述加注管通过光胶吸附方式连接玻璃片上的加注孔。
17.优选的，所述步骤b中，所述耐热玻璃板水平放置，所述合金模具板由压力机驱动、水平向下方平移，压制软化后的耐热玻璃板。耐热玻璃板水平放置可避免软化后可能因重力产生形变，合金模具板由压力机驱动垂直向下压制，可精确控制压制的位移和平移速度，并有利于精确脱模，耐热玻璃板依靠自身重量脱模，无需用夹具固定软化的耐热玻璃板，避免产生变形，大大提高原子气室内腔压制成型质量和稳定性。
18.优选的，所述耐热玻璃板和玻璃片为派热克斯玻璃。其透明度高、抗热震性好，软化后压制成型精度高、形变小、软化压制和切割加工性能好、不易产生崩边、成品率高；可大大提高原子气室的加工精度和质量。
19.本发明的有益效果是：本发明采用耐热玻璃加热软化后，压制工艺制备碱金属原
子气室，合金模具板铣削加工出柱形凸出的凸模，表面处理达到了较高的光洁度，可大大提高原子气室内腔压制加工的精度、且容易脱模，同时，成型的玻璃表面光洁度高，容易二次抛光、光学窗口透光性好；凸模横截面为正方形或长方形；压制成型为方形的原子气室内腔，可制成双向光学窗口。
20.优选尺寸，切割成型的方形原子气室外形的长、宽、高为3
×3×
2.5mm、所述原子气室内腔的长、宽、高为2
×2×
2mm，原子气室的五个面的壁厚均为0.5 mm。方形原子气室结构紧凑，实现微型化和轻量化；制成双向高透光率的光学窗口，大大降低碱金属原子气室的功耗，进一步有利于磁力仪、原子钟、原子陀螺仪部件的小型化、轻量化和低功耗。
21.耐热玻璃板压制时水平放置，合金模具板由压力机驱动、水平向下方平移，压制软化后的耐热玻璃板；耐热玻璃板水平放置可避免软化后可能因重力产生形变，合金模具板由压力机驱动垂直向下压制，可精确控制压制的位移和平移速度，并有利于精确脱模，大大提高原子气室内腔压制成型质量精度和稳定性。
22.凸模数量为多个，相邻的凸模 之间的最小间距为9mm，可避免压制相邻的原子气室内腔产生玻璃材料形变影响，同时可依靠耐热玻璃板自身重量脱模，进一步减少玻璃材料形变影响成型精度，合金模具板的加工多个凸模，大大提高制造效率，适于工业化生产。
23.耐热玻璃板和玻璃片采用派热克斯玻璃。其透明度高、抗热震性好，软化后压制成型精度高、形变小、软化压制和切割加工性能好、不易产生崩边、成品率高；可大大提高原子气室的加工精度和产品质量。
24.本发明采用耐热玻璃板软化后压制工艺制备碱金属原子气室，一次成型原子气室五个平面，脱模后用玻璃片光胶封闭一个端面，大大提高了原子气室制造效率，提高原子气室成型精度、产品质量的稳定性和一致性，并可大幅度降低制造成本，适合进行工业化规模化生产，实现磁力仪、原子钟、原子陀螺仪部件的低功耗、小型化和轻量化。
附图说明
25.图1是本发明的实施例1合金模具板结构示意图；图2是图1的局部放大图；图3是本发明的实施例1耐热玻璃板压制后示意图；图4是本发明的实施例1未封闭原子气室结构示意图；图5是本发明的实施例1封闭原子气室示意图；图6是本发明的实施例1安装加注管后原子气室结构示意图；图7是本发明的实施例2合金模具板结构示意图；图8是图7的局部放大图；图9是本发明的实施例2耐热玻璃板压制后示意图；图10是本发明的实施例2未封闭原子气室结构示意图；图11是本发明的实施例2封闭原子气室示意图；图12是本发明的实施例2安装加注管后原子气室结构示意图。
26.图中零部件及编号：1-合金模具板；2-凸模；3-耐热玻璃板；4-原子气室内腔； 6-玻璃片；7-加注孔；8-加注管；10-原子气室。
具体实施方式
27.以下实施例用于说明本发明的一种碱金属原子气室制备方法，但不用来限制本发明的保护范围。
28.实施例1一种碱金属原子气室制备方法，采用玻璃加热软化后压制工艺制备碱金属原子气室，具体步骤如下：a、模具制造：如图1～2所示，根据原子气室10尺寸，在高温合金材料板上铣削加工出柱形的凸模2，所述凸模2表面进行磨削、精磨、抛光至表面粗糙度ra小于0.004μm，制成合金模具板1；凸模2表面达到了镜面以上的光洁度，可大大提高原子气室内腔4压制加工的精度、容易脱模，同时，成型的玻璃腔室表面光洁度高，容易快速二次抛光、光学窗口透光性好；b、玻璃软化压制：如图3所示，采用材料为派热克斯玻璃的耐热玻璃板3，加热至630～725℃软化温度后，将步骤a制成的合金模具板1缓慢平行压向耐热玻璃板3，将所述合金模具板1上的凸模2压入软化的耐热玻璃板3中，在耐热玻璃板3上压制形成凹腔；c、脱模：合金模具板1的凸模2在耐热玻璃板3的凹腔内保持5～18秒钟，使得软化的耐热玻璃板3上压制成型的凹腔与凸模2表面完全贴合、并消除玻璃材料的弹性变形；然后将合金模具板1与耐热玻璃板3缓慢平行脱开，耐热玻璃板3上压制成型的凹腔形成一端未封闭的原子气室内腔4；d、退火去应力：压制成型后耐热玻璃板3在510～525℃温度下保温7～20小时退火，消除压制成型原子气室内腔4时形成的玻璃内应力，然后冷却至室温；退火去应力后可保持成型原子气室内腔4不变形；e、玻璃切割：如图4所示，沿一端未封闭的原子气室内腔4的周边切割耐热玻璃板3，切割成方形的、并有一端内腔未封闭单个原子气室10；f、表面处理：对切割后的原子气室10表面和原子气室内腔4表面进行精磨抛光处理，使其表面粗糙度ra值达到0.004μm以下、每个表面的平面度误差低于0.005mm，相对平面的平行度误差小于0.005 mm；可保持光学窗口极高的透光率；g、封闭气室：如图5～6所示，采用表面粗糙度ra值0.004μm以下具备光胶表面精度的玻璃片6，在其预先开设直径为0.5～0.8mm加注孔7后，与原子气室10未封闭的端面进行光胶吸附，封闭原子气室10；在玻璃片6的加注孔7上连接安装加注管8，完成碱金属原子气室的制备。
29.其中，如图1所示，所述步骤a中合金模具板1上加工的凸模2横截面为2
×
2mm的正方形，高度为2.2mm。压制成型为正方形的原子气室内腔4，可制成双向光学窗口。
30.所述步骤a中，如图1所示，本实施例合金模具板1上加工出的凸模2数量为16个，相邻的凸模2之间的最小间距为9mm。
31.所述步骤b中，所述耐热玻璃板3的厚度为4.0 mm以上，为凸模2高度的1.8倍以上。保持耐热玻璃板3有足够的压制空间，减小压制后耐热玻璃板3整体的变形量。
32.所述步骤e中，切割成型的方形原子气室10外形的长、宽、高为3
×3×
2.5mm、所述原子气室内腔4的长、宽、高为2
×2×
2mm，原子气室10的壁厚均为0.5 mm。实现微型化和轻量化的原子气室10。
33.所述步骤g中，采用材料为派热克斯玻璃的玻璃片6的厚度为0.5 mm。与原子气室10的壁厚保持一致，封闭后的原子气室10为结构紧凑的正方体，实现高透光性的稳定。优选的，加注管8可通过光胶吸附方式连接玻璃片6上的加注孔7。
34.所述步骤b中，所述耐热玻璃板3水平放置，所述合金模具板1由压力机驱动、水平向下方平移，压制软化后的耐热玻璃板3。耐热玻璃板3水平放置可避免软化后可能因重力产生形变，合金模具板1由压力机驱动垂直向下压制，可精确控制压制的位移和平移速度，并有利于精确脱模，大大提高原子气室10内腔4压制成型质量和稳定性。
35.实施例2一种碱金属原子气室制备方法，采用玻璃软化压制工艺制备碱金属原子气室，具体步骤如下：a、模具制造：如图7～8所示，根据原子气室10尺寸，在高温合金材料板上铣削加工出柱状的凸模2，所述凸模2表面进行磨削、精磨、抛光至表面粗糙度ra小于0.004μm，制成合金模具板1；制成合金模具板1；凸模2表面达到了镜面以上的光洁度，可大大提高原子气室内腔4压制加工的精度、不粘模、易脱模，同时，成型的玻璃表面光洁度高，容易进行二次抛光、光学窗口透光性好；b、玻璃软化压制：如图9所示，采用材料为派热克斯玻璃的耐热玻璃板3，加热至620～760℃软化温度后，将步骤a制成的合金模具板1缓慢平行压向耐热玻璃板3，将所述合金模具板1上的凸出的凸模2压入软化的耐热玻璃板3中，在耐热玻璃板3上压制形成凹腔；c、脱模：合金模具板1的凸出的凸模2在耐热玻璃板3的凹腔内保持5～18秒钟，使得软化的耐热玻璃板3上压制成型的凹腔与凸模2表面完全贴合、并消除玻璃材料的弹性变形；然后将合金模具板1与耐热玻璃板3缓慢平行脱开，所述耐热玻璃板3上压制成型的凹腔形成一端未封闭的原子气室内腔4；d、退火去应力：压制成型后耐热玻璃板3在510～525℃温度下保温7～20小时退火，消除压制成型原子气室内腔4时形成的玻璃内应力，然后冷却至室温；退火去应力后可保持成型原子气室内腔4不变形；e、玻璃切割：如图10所示，沿一端未封闭的原子气室内腔4的周边切割耐热玻璃板3，切割成长方形的、并有一端内腔未封闭单个原子气室10；f、表面处理：对切割后的原子气室10表面和原子气室内腔4表面进行精磨抛光处理，使其表面粗糙度ra值达到0.004μm以下、每个表面的平面度误差低于0.005mm、相对平面的平行度误差小于0.005 mm；保证光学窗口具有极高的透光率；g、封闭气室：如图11～12所示，采用厚度0.2～0.6mm、表面粗糙度ra值0.004μm以下的玻璃片6，在其预先开设直径为0.5～0.8mm加注孔7后，与原子气室10未封闭的端面进行光胶吸附，封闭原子气室10；在玻璃片6的加注孔7上连接安装加注管8，完成碱金属原子气室的制备。
36.其中，所述步骤a中合金模具板1上加工的凸模2横截面为4
×
3mm长方形、高度为2.5mm。压制成型为长方体形的原子气室内腔4，制成双向光学窗口。
37.如图7所示，所述步骤a中，本实施例加工出的凸模2数量为8个，相邻的凸模2之间的最小间距为9mm。
38.所述步骤b中，采用材料为派热克斯玻璃的耐热玻璃板3的厚度为4.0mm以上，为凸
模2高度的1.8倍以上。保持耐热玻璃板3有足够的压制厚度空间，减小压制后耐热玻璃板3整体的变形量，同时，较厚的热玻璃板3可依靠自身重量进行脱模。
39.所述步骤e中切割成型的方形的原子气室10外形的长、宽、高为4
×3×
2.5mm、所述原子气室内腔4的长、宽、高为2.5
×2×
2mm，原子气室10的的壁厚均为0.5 mm。
40.所述步骤g中，所述派热克斯玻璃材料的玻璃片6的厚度优选为0.5 mm。与原子气室10的的壁厚保持一致，实现稳定的高透光率。其中，玻璃片6与原子气室10未封闭的端面尺寸一致，优选的，所述加注管8通过光胶吸附连接玻璃片6上的加注孔7。
41.所述步骤b中，所述耐热玻璃板3水平放置，所述合金模具板1由压力机驱动、水平向下方平移，压制软化后的耐热玻璃板3。耐热玻璃板3水平放置可避免软化后可能因重力产生形变，合金模具板1由压力机驱动垂直向下压制，可精确控制压制的位移和平移速度，并有利于精确脱模，耐热玻璃板3依靠自身重量脱模，无需用夹具固定软化的耐热玻璃板3，避免软化的耐热玻璃板3产生变形，大大提高原子气室内腔4压制成型精度和压制的稳定性。
42.在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例做了描述，但是，很显然仍可以做出各种修改而不背离本发明的范围。因此，说明书应被认为是说明性的而非限制性的。