[发明专利]一种基于冷原子的超高/极高真空压力传感器

说明书

技术领域

本发明涉及真空计量及仪器仪表技术领域，具体涉及基于冷原子的超高/极高真空压力传感器。

背景技术

在超高/极高真空(10^-7～10^-12Pa)测量方面，当前主要采用热阴极电离规，然而热阴极电离规存在热阴极出气效应、长期稳定性差、在极高真空下准确度低等问题，而且非初级真空标准，需要校准。在超高/极高真空校准方面，目前国际上尚未有对应的初级真空标准，主要采用动态膨胀法作为真空标准进行超高/极高真空的校准，然而基于动态膨胀法的真空标准装置存在系统体积庞大、造价昂贵、难以维护、不便于携带、而且非初级真空标准，具有不确定度大等问题。

然而，随着基于光学方法和量子物理的真空计量新方法、新概念的进一步发展，诸多计量参数对应的实物标准向量子标准转变，国际计量发展面临着重大的挑战，由此国际计量体系将引发历史性的变革。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于冷原子的超高/极高真空压力传感器，该真空压力传感器可有效解决目前在超高/极高真空测量中采用电离规所存在的问题和不足，自身可作为初级真空标准，且无需校准，填补当前国际上尚未有对应的超高/极高真空初级标准的空白。

本发明的具体实施方案如下：

一种基于冷原子的超高/极高真空压力传感器，该真空压力传感器用于测量超高/极高真空环境的压力，真空压力传感器包括原子发生器、原子预冷却腔、冷原子真空压力感应腔以及隔离腔；

所述原子发生器用于原子的产生与分发；所述原子预冷却腔将产生的原子进行预冷却；所述冷原子真空压力感应腔用于将预冷却的冷原子进行深度的冷却与囚禁，并测量囚禁冷原子的碰撞损失率由此得出待测超高/极高真空环境的真空压力；所述隔离腔用于将待测超高/极高真空环境与冷原子真空压力感应腔隔离；

原子发生器与原子预冷却腔连通，原子发生器设置在原子预冷却腔上方，原子预冷却腔与冷原子真空压力感应腔连通并形成级联结构，冷原子真空压力感应腔通过隔离腔与待测超高/极高真空环境连通，隔离腔设置在冷原子真空压力感应腔上方。

进一步地，所述原子预冷却腔内用于预冷却原子的功能模块采用微小型化设计；冷原子真空压力感应腔内用于进一步冷却囚禁及测量冷原子的功能模块采用微小型化设计。

进一步地，所述囚禁冷原子的碰撞损失率采用吸收法测量，即通过冷原子探测光的吸收，利用吸收信号测量囚禁冷原子的碰撞损失率。

进一步地，所述原子发生器采用MEMS体硅工艺制备腔室，同时在腔壁上沉积均匀的石蜡层以延长原子寿命，原子发生器内设置微型激光器，通过局部加热释放出原子。

进一步地，所述原子发生器、原子预冷却腔、冷原子真空压力感应腔以及隔离腔均选用不锈钢材料设计加工。

有益效果：

1、本发明可有效解决目前在超高/极高真空测量中采用热阴极电离规所存在的问题和不足，同时利用该方法测得的真空压力可溯源到Boltzmann常数k_B、Planck常数介电常数ε₀、电子质量m_e等物理常数上，因此，自身可作为初级真空标准，且无需校准，填补了当前国际上尚未有对应的超高/极高真空初级标准的空白，具有测量范围宽、不确定度低的优点。

2、本发明原子预冷却腔和冷原子真空压力感应腔采用级联结构，先进行预冷却，能够获得大通量冷原子数目并缩短冷原子的制备时间。

3、本发明原子预冷却腔内用于预冷却原子的功能模块采用微小型化设计，冷原子真空压力感应腔内用于进一步冷却囚禁及测量冷原子的功能模块同样采用微小型化设计，使真空压力传感器实现小型化、便携式。

4、本发明采用吸收法测量囚禁冷原子的碰撞损失率，与通常的荧光收集法相比，在原理上与静止双能级原子同共振单模光场作用的模型更加接近，同时大大减小了测量中的误差累积，进而可提高测量精度。

附图说明

图1是本发明整体结构示意图。

其中，1-原子发生器，2-原子预冷却腔，3-冷原子束过渡管道，4-冷原子真空压力感应腔，5-隔离腔。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。