рабочее вещество для источников атомов в квантовых стандартах частоты

Формула изобретения

Рабочее вещество для источников атома в квантовых стандартах частоты на ионах ртути, отличающееся тем, что оно представляет собой ртутную амальгаму на основе золота, или меди, или олова с содержанием ртути 0,7 2,5%

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области квантовых стандартов частоты (КСЧ) на ионных ловушках и может быть использовано в масс-спектрометрии в целях калибровки.

В последнее время для целей стабилизации частоты в частотно-измерительной технике начали применять ионные ловушки в качестве частотных дискриминаторов. Основная особенность этого типа приборов существенно меньшее число дестабилизирующих факторов, действующих на рабочее вещество (ионы) по сравнению с их числом в традиционных квантовых дискриминаторах на парах рубидия, атомных пучках или в водородном мазере. Наиболее значительным из оставшихся дестабилизирующих факторов является взаимодействие рабочего вещества с остаточным газом вакуумной системы. Пары рабочего вещества в вакуумном объеме тоже рассматриваются как остаточный газ. Причем дестабилизирующее воздействие тем сильнее, чем больше масса молекул остаточного газа из-за уменьшения времени жизни ионного облака при взаимодействии [1]

В дискриминаторе на ионной ловушке в качестве эталонной используется частота перехода между подуровнями сверхтонкой структуры (СТС) водородоподобного иона. Уменьшение влияния внешних физико-технических факторов на частоту перехода между уровнями СТС достигается за счет того, что облако ионов локализуется в центре гиперболических электродов (ловушка Паули), на котоpые подаются постоянное и переменное напряжения поля удержания. В силу этого все частотные сдвиги, связанные с направленным движением частиц, равны нулю. Избыточная населенность рабочего уровня СТС создается за счет оптической накачки.

Особенностью дискриминатора на ионной ловушке является цикличность его работы.

Последовательно производятся следующие операции: ионизация рабочего вещества, создание ионного облака, оптическая накачка рабочего уровня, сравнение умноженной частоты кварцевого генератора с частотой перехода между уровнями СТС иона.

Поскольку основной частотный сдвиг, обусловленный эффектом Доплера 2-го порядка, зависит от числа ионов в облаке [2]

,

где _t частота аксиальных колебаний иона;

N число ионов в облаке;

q, m заряд и масса иона;

c скорость света;

_o диэлектрическая постоянная вакуума,

необходимо обеспечить большое время жизни ионного облака, при котором происходило бы незначительное изменение числа ионов в нем за время рабочего цикла. Достигается это поддержанием высокого вакуума в объеме ловушки. Но с другой стороны, низкое давление рабочего вещества затрудняет процесс генерации ионов. В ловушке они, как правило, образуются электронным ударом атомов рабочего вещества, которое находится в виде пара или подается атомарным пучком в ловушку. Для случая ионной ловушки на ртути компромисс был достигнут при давлении паров ртути на уровне 10 мм рт. ст. [2] (или эквивалентного потока в область ионизации).

На фиг. 1 представлена структурная схема ионной ловушки. Ионы, полученные при ионизации ртути, накапливаются в ловушке 1. Ионизация ртути производится электронным ударом атомов нейтральной ртути, поступающей из источника 3. Пучок атомов ртути 2 на фиг. 1 показан условно.

В качестве источника нейтральной ртути может служить источник с металлической ртутью и дросселирующим коллиматором [3] Давление свободной ртути при комнатной температуре составляет (0,5-1)10^-4 мм рт. ст. что намного превышает требуемое для нормальной работы ловушки давление. Поэтому для ограничения потока ртути в объем источник охлаждается.

При отключении ловушки и, следовательно, отключении холодильника источника будет происходить насыщение объема ловушки парами ртути, причем давление будет стремиться к равновесному для комнатной температуры давлению паров ртути. Поэтому при новом включении ловушки необходимо будет поглотить избыточное количество ртути, накопленное в ее объеме. Выполнить это возможно только с использованием охлаждаемых жидким азотом криопанелей. Поэтому источники рабочего вещества с использованием металлической ртути применимы только в исследовательских лабораторных установках.

С целью устранения этого недостатка в [4] был предложен источник, в котором атомы ртути получались термическим разложением оксида ртути HgO. Вариацией температуры и времени включения нагрева можно обеспечить требуемое для нормальной работы ловушки давление паров ртути.

Однако при термическом разложении оксида ртути выделяется кислород, что затрудняет получение в объеме ловушки сверхвысокого вакуума (10^-9-10^-10 мм рт. ст.). Кроме того, источник невозможно использовать в приборном варианте, где применяются отпаянные ионные ловушки. В процессе получения сверхвысокого вакуума в отпаянной системе она прогревается в течение нескольких часов при температуре 400-500^oC. При такой температуре происходит интенсивное разложение оксида ртути. Реакция разложения оксида ртути необратима при охлаждении. Поэтому такое решение не приемлемо для отпаянных систем.

Предлагаемое рабочее вещество позволяет создать источник атомов ртути для ионной ловушки квантового стандарта частоты (КСЧ), который обеспечивал бы необходимую плотность пара ртути в ловушке (в том числе и при повышенных температурах работы прибора) и выдерживал бы без изменения своих характеристик высокотемпературный технологический прогрев. Расширяется и область применения таких источников, которые могут быть использованы и в лабораторных установках.

Сущность изобретения заключается в том, что предлагаемое рабочее вещество для источника атомов ртути для квантовых стандартов частоты представляет собой ртутные амальгамы, например, на основе золота, меди, олова или других металлов с содержанием ртути не более 4% (0,7-4%). При термическом разложении ртутных амальгам получаются пары ртути.

На фиг. 2, 3, 4 представлены экспериментальные зависимости парциальных давлений паров ртути над амальгамами в зависимости от концентрации ртути в них при различных температурах амальгам: на фиг. 4 ртутно-золотой амальгамы, на фиг. 3 ртутно-медной амальгамы, на фиг. 2 ртутно-оловянной амальгамы. На всех фигурах кривая 1 соответствует температуре 60^oC, кривая 2 - температуре 80^oC. На фиг. 5 приведена одна из возможных конструкций источника атомов КСЧ, где обозначено (нумерация фиг. 1 и фиг. 5 сквозная): 4 - корпус; 5 коллиматор; 6 ампула; 7 контакт; 8 нагреватель.

Как известно [5] ртуть образует с многими металлами амальгамы. Причем смешивание ртути с другими металлами может происходить в любом соотношении. При этом в зависимости от состава смеси образуется раствор, химическое или интерметаллическое соединение. Выбором основного металла и определенной концентрацией ртути можно получить источник паров ртути с широким диапазоном парциальных давлений. Разложение и образование амальгам обратимы, если только ртуть не выводится из зоны реакции.

Согласно закону Рауля давление паров над раствором линейно связано с концентрацией растворенного вещества, но в случае амальгам наблюдается заметное отклонение от закона Рауля [6] Давление ртути над амальгамой имеет сложную зависимость от концентрации и приближенно описывается соотношением [7]

,

где P_o(T) давление паров металлической ртути при данной температуре;

n₁, n₂ количество молей ртути и основного металла в амальгаме;

K(n₁T) показатель степени, зависящий от рода основного металла, концентрации ртути и температуры амальгамы.

Один из возможных вариантов конструкций источника приведен на фиг. 5. Источник ртути состоит из корпуса 4, на котором расположен нагреватель 8. Источник снабжен коллиматором 5, формирующим атомарный поток ртути. Пары ртути образуются при нагреве амальгамы, помещенной в ампуле 6, вскрытие которой производится после технологического отжига прожиганием донышка ампулы электрическим разрядом через контакт 7.

Работа источника происходит следующим образом. Ртутная амальгама помещается в ампулу 6. После откачки производится отпайка ампулы от вакуумной системы. Таким образом, амальгама заключается в герметичный объем. Источник с установленной ампулой монтируется в ионную ловушку. В процессе технологического обезгаживания ловушки ртутная амальгама находится в замкнутом объеме, что обеспечивает обратимость реакции при охлаждении ловушки. После охлаждения ловушки производится вскрытие ампулы прожиганием в ее донышке или прокалыванием донышка иглой через сильфонный узел (на рисунке не показано).

Для получения пучка атомов ртути источник нагревается до рабочей температуры. Пучок атомов ртути 2 (фиг. 1) из источника 3 попадает в ловушку 1, где происходит его ионизация электронным пучком.

При формировании атомного пучка коллиматором (фиг. 5) происходит дросселирование потока, поэтому давление в камере источника должно быть на уровне 10^-6-10^-7 мм рт. ст. Рабочая температура источника в зависимости от условий эксплуатации прибора лежит в интервале 60-80^oC. Для обеспечения требуемого давления паров ртути в камере источника концентрация ртути в амальгамах выбирается в зависимости от рода основного металла и условий эксплуатации прибора: для ртутно-золотой амальгамы 0,7-4% ртутно-медной 0,7-3% ртутно-оловянной 0,5-2,5% Такие данные были получены в результате испытаний, которые проводились с целью проверки зависимости давления паров ртути над золотой, медной и оловянной амальгамами от температуры амальгам при различных концентрациях ртути в амальгаме.

Метод получения амальгам: на никелевую пластину методом гальванопластики наносилось покрытие из основного металла толщиной 5 мкм, затем пластина помещалась в сосуд с парами ртути, где выдерживалась определенное время при температуре 200^oC, контроль концентрации ртути в амальгаме проводился химико-аналитическими методами.

Измерение давление паров ртути над амальгамами производилось с помощью омегатронного измерителя парциальных давлений ИПДО-3. Образец с амальгамой запаивался в ампулу, из которой предварительно откачивался воздух. Отпаянная ампула помещалась в объем, соединенный с датчиком омегатрона. После обезгаживания датчика и отпайки его от вакуумной системы производилось вскрытие ампулы с амальгамой. Давление в датчике при этом не превышало 510^-7 мм рт. ст. что позволяло уверенно регистрировать парциальное давление ртути в объеме датчика. Датчик с образцом помещался в термостат, где поддерживалась требуемая температура с точностью до 0,1^oС.

Результаты испытаний образцов приведены в таблице, где представлена зависимость давления паров ртути над амальгамами от температуры при различных концентрациях ртути.