Атомная газовая ячейка: устройство, физика работы и где применяется
Содержание
- 1. Атомная газовая ячейка: короткий ответ
- 2. Где применяется атомная газовая ячейка: от газовой ячейки атомных часов до магнитометра
- 3. Устройство атомной газовой ячейки: корпус, окна, отросток и наполнение
- 4. Физика работы: оптическая накачка, буферный газ и сдвиги частоты
- 4.1. Принцип работы атомных часов: оптическая накачка и сверхтонкий переход
- 4.2. Буферный газ в атомной ячейке: зачем он нужен и как подбирают давление
- 4.3. Антирелаксационное покрытие вместо буферного газа
- 4.4. Сдвиги частоты и температура ячейки
- 4.5. Деградация: проницаемость гелия, окисление и перераспределение металла
- 5. Ячейка с парами рубидия или цезия: сравнение рабочих веществ
- 6. Кварцевая газовая ячейка или боросиликатная: из какого стекла делают корпус
- 7. Исполнения и типоразмеры: от микро-ячейки до цилиндра и трубки
- 8. Нормативная база: ГОСТ 8.417-2024 и ГОСТ 15130-86
- 9. Как делают атомную газовую ячейку: стеклодувная технология и MEMS
- 10. Ячейки с электродами: спаи металл–стекло и герметичность
- 11. Что указать в ТЗ на атомную газовую ячейку: чек-лист
- 12. Частые вопросы
- 12.1. Что такое атомная газовая ячейка и зачем она нужна?
- 12.2. Из какого стекла делают газовые ячейки для атомных часов?
- 12.3. Зачем в ячейку добавляют буферный газ?
- 12.4. Чем ячейка с рубидием отличается от ячейки с цезием?
- 12.5. Почему ячейку нужно нагревать и до какой температуры?
- 12.6. Что такое микро-ячейка и чем MEMS-исполнение отличается от стеклодувного?
- 12.7. Что указать в ТЗ на изготовление атомной газовой ячейки?
Атомная газовая ячейка — узел квантового прибора, который после отпайки штенгеля уже не настраивается. Состав наполнения и давление буферного газа фиксируются при герметизации, скорректировать их потом нельзя, а от них зависят сдвиги частоты и ресурс. Разбор адресован разработчикам квантовых приборов, инженерам-оптикам, научным сотрудникам и снабжению КБ.
Атомная газовая ячейка: короткий ответ
Атомная газовая ячейка (vapor cell) — запаянный стеклянный баллон, внутри которого удерживаются пары рубидия или цезия, обычно с дозированной порцией буферного газа. Ячейка задаёт среду, в которой лазерное или СВЧ-поле взаимодействует с атомами, а её спектральный отклик работает опорой: по нему держат частоту генератора, считывают магнитное поле и угловую скорость.
Ячейка собрана из рабочего объёма со светопрозрачными окнами, капилляра, отростка (штенгеля) с каплей щелочного металла и места отпайки. В исполнениях с электродами добавляются спаи металл–стекло. Атомные газовые ячейки делают цилиндрическими, кубическими и трубчатыми; микро-исполнения в каталоге начинаются от 2×2×2 мм.
Работа ячейки раскладывается на три такта. Оптическая накачка переводит атомы в выделенное сверхтонкое состояние; буферный газ не даёт им долетать до стенок и терять спиновую поляризацию; остаточные сдвиги частоты от давления газа, света и температуры задают метрологический класс прибора.
В сверхтонкой структуре основного состояния лежат рабочие реперы. У ¹³³Cs частота перехода равна 9 192 631 770 Гц, и через неё СИ определяет секунду (ГОСТ 8.417-2024). У ⁸⁷Rb она составляет 6,834 682 610 904 ГГц, в приборной практике округляют до 6,83 ГГц.
Материал корпуса выбирают по физике, а не по удобству: боросиликатное стекло проще формуется, кварцевое стекло берут, когда нужны прозрачность в УФ и повышенная рабочая температура, алюмосиликатное снижает проницаемость по гелию. Предельную точность ячейка не даёт: оптические часы на одиночных ионах и нейтральных атомах в решётке уходят ниже 10⁻¹⁷, а ячейка выигрывает компактностью и низким потреблением.
Где применяется атомная газовая ячейка: от газовой ячейки атомных часов до магнитометра
Серийный компактный квантовый стандарт частоты на газовой ячейке занимает порядка 0,1 л при 10 Вт потребления, даёт кратковременную нестабильность 10⁻¹¹ при 1 с и дрейф 10⁻¹¹ в месяц (Kitching, 2018). Сети мобильной связи требуют расхождения не более 10 мкс за сутки, и приборы такого класса делали именно под это требование.
Суточная нестабильность традиционных квантовых стандартов частоты (КСЧ) на рубидиевой газовой ячейке держится в области 10⁻¹³-10⁻¹⁴. Импульсный режим накачки теоретически выводит на 1×10⁻¹⁵, а в макете получена нестабильность σy(τ) ≤ 6×10⁻¹³ τ^(−1/2) на интервале 500-2000 с (Труды Института прикладной астрономии РАН, вып. 49, 2019). У лучших экземпляров серийных чип-масштабных часов старение не хуже 2×10⁻¹²/сутки (Kitching, 2018).
Газовая ячейка атомных часов, магнитометра и датчика вращения различается наполнением и геометрией при одном принципе работы:
| Прибор | Что даёт ячейка | Рабочее вещество и наполнение | Подтверждённые параметры |
|---|---|---|---|
| Квантовый стандарт частоты (рубидиевые часы) | Репер на сверхтонком переходе | ⁸⁷Rb, ячейка поглощения плюс ячейка-фильтр на ⁸⁵Rb | 0,1 л, 10 Вт, 10⁻¹¹ при 1 с; суточная 10⁻¹³–10⁻¹⁴ |
| Стандарт с импульсной лазерной накачкой | Узкая линия как дискриминатор | ⁸⁷Rb, Ø20 мм × 20 мм | Линия 150 Гц, 50–52 °C, σy(τ) ≤ 6×10⁻¹³ τ^(−1/2) (500–2000 с) |
| Магнитометр с оптической накачкой | Ларморовская частота → магнитное поле | ¹³³Cs или ⁸⁷Rb | Объём 50 мм³: не хуже 10 фТл/√Гц в режиме light-shift dispersed Mz (по данным обзора в ЖЭТФ, 2022, т. 161, вып. 5) |
| Квантовый датчик вращения (ядерный магнитный гироскоп) | Ядерная спиновая прецессия → угловая скорость | ¹³³Cs, смесь ксенона и азота | Кубический корпус, капля цезия порядка 5 мг, антирелаксационного покрытия нет |
| Чип-масштабные атомные часы | Тот же репер в габаритах микросхемы | ⁸⁷Rb или ¹³³Cs, MEMS-ячейка (микроэлектромеханическая технология) размером порядка 1 мм | Технология выросла из работ начала 2000-х, серийный продукт выпущен в 2011 году |
| Спектроскопия и реперы длины волны | Реперные линии D1 и D2 | ⁸⁷Rb, ¹³³Cs | ⁸⁷Rb 780,241 и 794,979 нм; ¹³³Cs 852,347 и 894,593 нм |
Ячейка квантового магнитометра работает в режимах Mx и Mz по ларморовской частоте, а наилучшую чувствительность даёт режим SERF (без релаксации на спиновом обмене) при повышенной температуре. По данным обзора в ЖЭТФ, 2022, т. 161, вып. 5, с. 658, миниатюрная ячейка 4×4×4 мм³ с парами ⁸⁷Rb дала 20, 25 и 30 фТл/√Гц по осям x, y, z.
Для магнитоэнцефалографии требования жёстче: единицы-десятки фТл в полосе 1 Гц при быстродействии 200-600 Гц (патент РФ RU 2789203 C1). Ячейка с парами цезия работает в ядерном магнитном гироскопе (ЯМГ), где угловую скорость считают по прецессии ядерных спинов ксенона.
Устройство атомной газовой ячейки: корпус, окна, отросток и наполнение
Внутри вакуумированного стеклянного корпуса два объёма: рабочий, через который идёт свет, и маленький отросток с небольшим количеством щелочного металла, соединённый с рабочим через капилляр (так устройство парощелочной кюветы описано в «Квантовой электронике», 43, № 12, 2013).
- Рабочий объём: герметичный стеклянный корпус сферической, цилиндрической или кубической формы; через него проходит луч накачки.
- Светопрозрачные окна приварены к торцам цилиндра или к стенкам шара; их качество задаёт пропускание и уровень полезного сигнала.
- Капилляр и отросток (штенгель): резервуар с каплей щелочного металла, давление паров над которой регулируют температурой; у квантового датчика вращения капля цезия имеет массу порядка 5 мг (Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 2019).
- Место отпайки: след от откачного штенгеля, через который ячейку наполняли буферным газом и щелочным металлом, а затем герметизировали.
- Наполнение: пары ⁸⁷Rb, ⁸⁵Rb или ¹³³Cs с буферным газом (N₂, неон, аргон, гелий или смесь) либо вакуум с антирелаксационным покрытием стенок.
- Электроды через спаи металл–стекло ставят только в исполнениях с вводами внутрь объёма.
Среди приборов из кварцевого стекла ячейку выделяют требования к герметичности. Корпус не пускает внутрь кислород и воду и одновременно не даёт нереактивным примесям (гелию, азоту) входить и выходить, сдвигая частоты атомных переходов. Открытый образец щелочного металла окисляется за время от нескольких часов до нескольких суток, поэтому вскрытая ячейка не восстанавливается.
Нагреватель и теплоизоляция внешние по отношению к стеклянному корпусу, но в техническом задании (ТЗ) рабочую температуру закрепляют именно на ячейку: от температуры зависят давление паров над каплей и сдвиг частоты рабочего перехода.

Схема устройства ячейки в продольном разрезе; номера соответствуют списку элементов в тексте. Электроды (исполнение со спаями металл–стекло) не показаны.
Физика работы: оптическая накачка, буферный газ и сдвиги частоты
Добротность сверхтонкого резонанса в ячейке без буферного газа составляет порядка 10⁴ при пролётной ширине линии 1 МГц.
Принцип работы атомных часов: оптическая накачка и сверхтонкий переход
Рабочие линии ⁸⁷Rb: D1 794,979 нм и D2 780,241 нм; у ¹³³Cs D1 894,593 нм и D2 852,347 нм (Steck, rev. 2.3.4, 2025). Сверхтонкое расщепление основного состояния составляет 6,834 682 610 904 ГГц у ⁸⁷Rb и 9,19 ГГц у ¹³³Cs. Оптическая накачка светом, настроенным на одну из линий, переводит атомы в выделенное сверхтонкое состояние. Появляется спиновая поляризация, и ячейка поглощения меняет пропускание.
В классической рубидиевой схеме накачку даёт высокочастотная ⁸⁷Rb-лампа. Ячейка с ⁸⁵Rb между лампой и реперной перекрывает одну из двух её линий, неравновесный спектр накачивает ⁸⁷Rb в состояние F = 2, и пропускание растёт.
Лампу вытесняет лазерная накачка. У лазера с вертикальным резонатором (VCSEL) мощностью 5 мВт КПД «wall-plug» порядка 20 %, остальная мощность уходит в тепло и задаёт тепловой режим ячейки. В схеме когерентного пленения населённостей (КПН, CPT) сверхтонкий переход возбуждают двумя оптическими полями, а в спектре появляется узкий «тёмный» резонанс.
Буферный газ в атомной ячейке: зачем он нужен и как подбирают давление

Две схемы одной ячейки размером 1 см: без буферного газа атом долетает до стенки за ~1 мкс, при 10 Торр движение становится диффузионным, и время до столкновения со стенкой вырастает до ~10 мс (по обзору J. Kitching, Applied Physics Reviews, 2018). Масштаб условный.
Без газа атомы летят через ячейку баллистически со скоростями в сотни м/с, и любое столкновение с необработанной стеклянной стенкой полностью разрушает их спиновую поляризацию (Applied Physics Reviews, 5, 031302, 2018). Неон, азот, аргон и гелий со спином взаимодействуют слабо: до деполяризации атом переживает сотни тысяч столкновений с газом.
| Режим | Средний свободный пробег | Время до разрушающего столкновения со стенкой (ячейка 1 см) | Что ограничивает добротность |
|---|---|---|---|
| Без буферного газа | Сравним с размером ячейки, полёт баллистический | Порядка 1 мкс | Пролётная ширина 1 МГц, Q 10⁴; доплеровский предел 10⁶ |
| Буферный газ 10 Торр | Порядка 1 мкм, движение диффузионное | Порядка 10 мс | Сужение Дике снимает доплеровское уширение, остаётся релаксация на газе |
Сопоставление двух цифр обзора даёт выигрыш по времени порядка 10⁴ раз; само сужение описал Дике в 1953 году (Physical Review, 89, 472-473).
Давление подбирают под размер: десятки Торр для сантиметровых ячеек и 200-600 Торр в опубликованных MEMS-ячейках объёмом 1 мм³. У цилиндра L = Ø = 1 мм с азотом и ⁸⁵Rb при 85 °C минимум ширины линии приходится на 300 Торр. Плата за газ — уширение оптических переходов 20 МГц/Торр: при 500 Торр это 10 ГГц, и сверхтонкая структура не разрешается.
У азота есть вторая роль: большое сечение гашения снимает атомы с возбуждённых уровней безызлучательно, и запирание излучения уходит. Состав и давление смеси в ячейках с буферным газом задают по ТЗ.
Антирелаксационное покрытие вместо буферного газа
Второй способ ослабить удары о стенку — углеводородный слой на внутренней поверхности; первые опыты с оптической накачкой щелочных паров в таких ячейках поставила группа Демельта в 1958 году («Квантовая электроника», 43, № 12, 2013).
На алкановых составах (фракция полиэтиленового воска) время релаксации растёт пропорционально размеру и даёт порядка 1 с на сантиметр. Алкеновые покрытия подняли его до 1 мин в шаре диаметром 3 см с парами рубидия, что отвечает 5×10⁵ столкновениям без потери поляризации.
Средний набег фазы сверхтонкого перехода ⁸⁷Rb на парафиновом покрытии равен 0,08 рад. Покрытию нужен период «созревания» при 70-80 °C, а выше критической температуры материала время продольной релаксации падает. В том числе из-за этой нестабильности в стандартах частоты покрытия обычно не применяют, а восковые составы вдобавок трудно встроить в MEMS-маршрут из-за низкой температуры плавления.
Сдвиги частоты и температура ячейки
Сдвиг от буферного газа описывают выражением Δν_bg = P₀[β₀ + γ₀(T − T₀) + δ₀(T − T₀)²], где β₀ и γ₀ по порядку величины равны 10⁻⁷/Торр и 10⁻¹¹/Торр/K. Лёгкие и тяжёлые газы дают температурные коэффициенты противоположного знака, поэтому смесью обнуляют первую производную сдвига по температуре в выбранной рабочей точке.
Зачем ячейку греют? При 25 °C давление насыщенных паров рубидия равно 3,92×10⁻⁷ Торр, цезия — 1,488×10⁻⁶ Торр, атомов в объёме слишком мало. Термостатирование атомной газовой ячейки выводит рубидиевые исполнения в область +70…+120 °C.
В макете рубидиевого стандарта с импульсной накачкой оптимальным оказался диапазон 50-52 °C, но по температурному коэффициенту он не оптимален, и авторы указали на необходимость другой буферной смеси (Труды Института прикладной астрономии РАН, вып. 49, 2019). Третий источник ухода частоты — световой сдвиг, он же эффект Штарка.
Деградация: проницаемость гелия, окисление и перераспределение металла
Гелий проходит сквозь стеклянную стенку и сдвигает частоту на 10⁻⁷/Торр у рубидия и цезия: при атмосферной концентрации (5 ppm) внутри корпуса сдвиг составил бы 4×10⁻¹⁰. Для микро-ячейки 1 мм³ с боросиликатными окнами 0,3 мм постоянная времени изменения давления гелия равна нескольким месяцам, отсюда возможный дрейф 3×10⁻¹²/сутки. Второй механизм: потеря герметичности, когда проникший кислород или вода окисляют щелочной металл.
После выключения прибора пары осаждаются на самых холодных стенках, и перераспределение металла снижает прозрачность окон, отношение сигнал/шум и фактор качества резонансной линии. Уширение резонанса от осевшего цезия при этом остаётся на уровне погрешности измерений (Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 2019, т. 19, № 4).
Ячейка с парами рубидия или цезия: сравнение рабочих веществ
¹³³Cs присутствует в природной смеси как единственный изотоп, а доля ⁸⁷Rb в природном рубидии составляет 27,83 % (Steck, «Rubidium 87 D Line Data» и «Cesium D Line Data», rev. 2.3.4, 2025). Отсюда разная доступность изотопных исполнений и три варианта рубидия в заказах: natural, ⁸⁵Rb и ⁸⁷Rb.
| Параметр | ⁸⁷Rb | ¹³³Cs |
|---|---|---|
| Доля в природной смеси | 27,83 % | 100 % |
| Спин ядра I | 3/2 | 7/2 |
| Сверхтонкий переход основного состояния | 6,834 682 610 904 ГГц (в приборной практике 6,83 ГГц) | 9,19 ГГц (через этот переход определена секунда СИ, ГОСТ 8.417-2024) |
| D1 (вакуум) | 794,978 851 нм | 894,592 960 нм |
| D2 (вакуум) | 780,241 210 нм | 852,347 276 нм |
| Температура плавления | 39,30 °C | 28,5 °C |
| Температура кипения | 688 °C | 671 °C |
| Плотность при 25 °C | 1,53 г/см³ | 1,93 г/см³ |
| Давление насыщенных паров при 25 °C | 3,92×10⁻⁷ Торр | 1,488×10⁻⁶ Торр |
Цезий работает на более высокой частоте перехода, 9,19 против 6,83 ГГц. Плавится он при 28,5 °C, поэтому на рабочих температурах прибора металл находится в жидкой фазе. Ячейке с парами рубидия в классической ламповой схеме нужны два изотопных исполнения сразу: ячейка поглощения на ⁸⁷Rb и ячейка-фильтр на ⁸⁵Rb.
По каталогу поставляем ячейки с рубидием в трёх вариантах наполнения (natural, изотопные ⁸⁵Rb и ⁸⁷Rb по запросу) и ячейки с цезием.
Кварцевая газовая ячейка или боросиликатная: из какого стекла делают корпус

Сравнение трёх материалов корпуса и окон. Оценка дрейфа от гелия — по обзору J. Kitching, Applied Physics Reviews, 2018; марки кварцевого стекла — по ГОСТ 15130-86.
Корпуса ячеек для атомных часов чаще делают из боросиликатного стекла: у него низкая температура размягчения, поэтому колбу с приваренными окнами формуют и отпаивают стеклодувно. Кварцевое стекло берут там, где нужна повышенная прозрачность в ультрафиолете (Kitching, Applied Physics Reviews, 5, 031302, 2018).
| Стекло корпуса | Почему выбирают | Чем ограничено |
|---|---|---|
| Боросиликатное | Низкая температура размягчения, стеклодувное формование и отпайка | Проницаемость по гелию: у микро-ячейки 1 мм³ с окнами 0,3 мм возможен дрейф до 3×10⁻¹²/сутки |
| Кварцевое стекло, марки по ГОСТ 15130-86 | Прозрачность в УФ у КУ-1, КУ-2 и КУВИ (КВ работает в видимой области, КИ в видимой и ИК) и более высокая рабочая температура: размягчение однокомпонентного SiO₂ 1660–1720 °C; оптическое качество окон | Сложнее стеклодувная обработка; ТКЛР (температурный коэффициент линейного расширения) 5,0×10⁻⁷ K⁻¹ (ГОСТ 15130-86, прил. 3, табл. 4, интервал −60…+100 °C): согласованного по расширению металла для спая нет |
| Алюмосиликатное | Проницаемость по гелию существенно меньше боросиликатной, уход частоты в гелиевой среде заметно ниже | Применяется прежде всего как материал окон микро-ячеек |
Проницаемость стенки по гелию входит в бюджет долговременного дрейфа атомной газовой ячейки наравне с температурной точкой. Марки оптического кварцевого стекла нормирует ГОСТ 15130-86: КУ-1, КУ-2, КВ, КИ и КУВИ различаются спектральным диапазоном и категориями качества, поэтому в ТЗ на кварцевую газовую ячейку марку указывают наравне с геометрией и апертурой окон (виды кварцевого стекла, кварцевые оптические стёкла).
Исполнения и типоразмеры: от микро-ячейки до цилиндра и трубки

Иллюстрация: три исполнения ячейки — микро-ячейка, цилиндрическая и трубчатая; масштаб условный. Типоразмеры микро-ячеек в каталоге — от 2×2×2 до 10×10×10 мм.
Стеклодувная технология даёт объёмы до 10 мм³, а ниже нескольких мм³ выдуть и удержать корпус становится всё труднее (Applied Physics Reviews, 5, 031302, 2018). Ниже этой границы работает травление полости в кремниевой пластине, то есть MEMS-маршрут, из которого выросли чип-масштабные приборы. Исполнение атомной газовой ячейки выбирают по оптической схеме прибора, рабочей температуре и способу наполнения.
- Цилиндрические ячейки с окнами, приваренными по торцам: в макете рубидиевого стандарта с импульсной накачкой работала ячейка Ø20 мм × 20 мм (Труды Института прикладной астрономии РАН, вып. 49, 2019).
- Прямоугольные и кубические: кубическую форму имеет ячейка квантового датчика вращения (Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 2019, т. 19, № 4).
- Трубчатые: длинный путь луча при малом поперечном размере.
- Микро-ячейки (chip-scale) типоразмеров от 2×2×2 до 10×10×10 мм под компактные стандарты частоты и датчики поля.
- С электродами: вводы идут через спаи металл–стекло.
- Пустые корпуса ячеек без наполнения.
- Изготовление по чертежу и ТЗ заказчика.
У MEMS-исполнения есть проектное ограничение: свет входит внутрь только с двух противоположных сторон, и оптическую схему компонуют под эту геометрию заранее.
Пустые корпуса поставляются под наполнение на стороне заказчика: обезгаживание, дистилляцию щелочного металла и отпайку штенгеля лаборатория выполняет на своём вакуумном посту, а от нас получает корпус нужной геометрии и качества окон.
Нормативная база: ГОСТ 8.417-2024 и ГОСТ 15130-86
Секунду в СИ определяет фиксированное числовое значение частоты перехода сверхтонкого расщепления невозмущённого основного состояния атома цезия-133, равное 9 192 631 770 при выражении в герцах (ГОСТ 8.417-2024 «ГСИ. Единицы величин», действует с 30.09.2024 взамен ГОСТ 8.417-2002). Ячейка с цезием воспроизводит тот же переход, поэтому требования к её сдвигам частоты формулируют в относительных единицах: у серийных компактных стандартов на газовой ячейке кратковременная нестабильность держится порядка 10⁻¹¹ при 1 с (Applied Physics Reviews, 5, 031302, 2018).
Материал корпуса нормирует ГОСТ 15130-86 «Стекло кварцевое оптическое. Общие технические условия» (введён 01.01.1988 взамен ГОСТ 15130-79): марки, категории и показатели качества, методы контроля, спектральное пропускание. Полная сводка документов по материалу собрана в обзоре ГОСТ, ТУ и ОСТ на кварцевое стекло.
Профильного ГОСТ или ТУ именно на атомные газовые ячейки в действующей нормативной базе нет: эти требования закрывает чертёж заказчика.
Как делают атомную газовую ячейку: стеклодувная технология и MEMS

Разрез микро-ячейки: полость протравлена сквозь кремниевую пластину, стеклянные окна приварены сверху и снизу, свет входит только с двух противоположных сторон. Схема не в масштабе.
Наполнение ведут в высоком вакууме, а последней операцией маршрута становится отпайка штенгеля: после неё корпус не открыть, не разрушив ячейку. Стеклодувный маршрут укладывается в шесть операций:
- Заготовка: выдутая стеклянная сфера или полый цилиндр с приваренными с торцов окнами; боросиликат формуется легче, а обработка кварцевого стекла требует более высоких температур (как делают кварцевое стекло).
- Откачной штенгель соединяет внутренний объём с вакуумным постом и с запаянной вспомогательной ампулой, где лежит высокочистый щелочной металл.
- Откачка и длительный прогрев для вакуумного обезгаживания стенок, часто с дополнительной чисткой плазменным разрядом.
- Вскрытие ампулы стеклянным break-seal и дистилляция металла в рабочий объём.
- Напуск буферной смеси заданного состава и давления.
- Отпайка: штенгель расплавляют, изделие отделяют от поста, после чего проверяют герметичность.
Микро-ячейку делают иначе. Полированную кремниевую пластину литографически размечают и протравливают сквозные полости нужного размера, влажным химическим травлением либо глубоким реактивным ионным травлением.
Стеклянные пластины приваривают к верхней и нижней поверхностям кремния анодной сваркой: пакет греют почти до 300 °C, когда примесные ионы в стекле становятся подвижными, и подают на внешние поверхности напряжение в несколько сотен вольт.
В ячейке с анодной сваркой из конструкционных материалов остаются только кремний и стекло. Наполнение такой ячейки ограничено технологией: неон способен вызвать пробой в камере сварки.
Ячейки с электродами: спаи металл–стекло и герметичность
Согласованный по расширению спай со стеклом дают ковар 29НК (сплав Fe-Ni-Co), молибден, вольфрам и платинит. У ковара ТКЛР 4,5-6,5×10⁻⁶ K⁻¹, рабочий диапазон спая — от −70 до +420 °C. Ввод должен вывести контакт наружу, не потеряв герметичность корпуса, поэтому металл подбирают по ТКЛР под марку стекла (спай металл-стекло под ковар, молибден и вольфрам).
С кварцевым стеклом так не получается: 5,0×10⁻⁷ K⁻¹ в интервале −60…+100 °C (ГОСТ 15130-86, справочное приложение 3) почти на порядок ниже, чем у ковара. Согласованного по расширению металла для кварцевого стекла не существует. Вводы в кварцевый корпус делают сжатыми спаями с тонкой молибденовой фольгой, которая принимает на себя разницу расширений. Число вводов, металл и тип спая задают в ТЗ вместе с геометрией корпуса.
Вводы остаются самым уязвимым участком корпуса, а гелий и азот, прошедшие сквозь стенку или спай, сдвигают частоты переходов, поэтому каждую партию проверяем перед отгрузкой. Исполнения с вводами идут отдельной позицией каталога: спаи металл–стекло. Хранение по каталожным данным идёт при +5…+35 °C и влажности до 80 % в заводской упаковке.

Слева спай с коваром, где расширение металла и стекла согласовано; справа сжатый спай кварцевого стекла (ТКЛР 5,0×10⁻⁷ K⁻¹, ГОСТ 15130-86, прил. 3) с тонкой молибденовой фольгой.
Что указать в ТЗ на атомную газовую ячейку: чек-лист
Сдвиги частоты и ресурс задаются полями ТЗ и чертежа.
| Поле ТЗ | Что указать | На что влияет, ориентир |
|---|---|---|
| Рабочее вещество | Rb natural, ⁸⁷Rb, ⁸⁵Rb или Cs | Репер: ⁸⁷Rb 6,83 ГГц, ¹³³Cs 9,19 ГГц |
| Схема прибора | Ячейка поглощения, фильтр, магнитометр, датчик вращения | Схеме с лампой нужны обе: ⁸⁷Rb и ⁸⁵Rb |
| Буферный газ | Состав (N₂, Ne, Ar, He), давление | Релаксация на стенках: десятки Торр при 1 см, 200–600 Торр при объёме 1 мм³ |
| Рабочая температура | Точка термостата, допустимый уход | Давление паров: +70…+120 °C у рубидиевых ячеек, 50–52 °C в импульсном стандарте |
| Материал корпуса и окон | Боросиликатное стекло, кварцевое (ГОСТ 15130-86), алюмосиликатные окна | Кварцевое стекло: прозрачность в УФ и повышенная рабочая температура; алюмосиликат против гелиевого дрейфа |
| Геометрия и габариты | Цилиндр, куб, трубка, микро-ячейка | Микро-ячейки 2×2×2…10×10×10 мм, цилиндры Ø20 мм × 20 мм |
| Окна | Апертура, качество поверхности, плоскопараллельность, просветление | Пропускание и сигнал; в MEMS свет входит с двух сторон |
| Отросток (штенгель) | Расположение, объём под каплю, место отпайки | Резервуар паров: капля цезия массой порядка 5 мг |
| Электроды и спаи | Число вводов, металл (ковар 29НК, молибден, вольфрам, платинит) | Низкий ТКЛР кварцевого стекла требует сжатого спая с молибденовой фольгой |
| Контроль и документы | Герметичность, паспорт партии, маркировка, хранение | Кислород и вода окисляют металл; хранение +5…+35 °C, влажность до 80 % |
Состав и давление буферной смеси, материал корпуса, геометрию и наличие электродов закрепляют в ТЗ или чертеже (ячейки по чертежу).
Частые вопросы
Что такое атомная газовая ячейка и зачем она нужна?
Атомная газовая ячейка — герметичный стеклянный элемент с парами рубидия или цезия и, как правило, с буферным газом. Газовая ячейка атомных часов удерживает частоту генератора на сверхтонком переходе: у ¹³³Cs это 9 192 631 770 Гц (через него ГОСТ 8.417-2024 определяет секунду), у ⁸⁷Rb 6,83 ГГц. В магнитометре и датчике вращения по той же среде измеряют магнитное поле и угловую скорость.
Из какого стекла делают газовые ячейки для атомных часов?
Боросиликатное стекло берут из-за низкой температуры размягчения: корпус и окна формуют и отпаивают стеклодувно. Кварцевая газовая ячейка нужна под прозрачность в УФ и повышенную рабочую температуру, а марки кварцевого стекла нормирует ГОСТ 15130-86. Алюмосиликатные окна ставят под требования к дрейфу: для микро-ячейки объёмом 1 мм³ с боросиликатными окнами 0,3 мм возможен уход частоты 3×10⁻¹²/сутки.
Зачем в ячейку добавляют буферный газ?
Без газа атом в ячейке размером 1 см достигает стенки за время порядка 1 мкс, а столкновение с необработанным стеклом полностью разрушает спиновую поляризацию. Буферный газ в атомной ячейке делает движение диффузионным: при 10 Торр время до разрушающего столкновения вырастает до 10 мс. Оптимум давления составляет десятки Торр для сантиметровых ячеек и 200-600 Торр для объёма 1 мм³.
Чем ячейка с рубидием отличается от ячейки с цезием?
⁸⁷Rb работает на переходе 6,83 ГГц и линиях D1 794,979 нм и D2 780,241 нм, ¹³³Cs — на 9,19 ГГц, D1 894,593 нм и D2 852,347 нм. Цезий плавится при 28,5 °C против 39,30 °C у рубидия. Рубидиевой схеме с лампой нужны две ячейки: поглощения на ⁸⁷Rb и фильтра на ⁸⁵Rb.
Почему ячейку нужно нагревать и до какой температуры?
Давление насыщенных паров рубидия при 25 °C составляет всего 3,92×10⁻⁷ Торр, поэтому ячейку термостатируют. Рабочие температуры рубидиевых ячеек в приборе лежат в области +70…+120 °C, а в макете стандарта с импульсной лазерной накачкой оптимальным оказался диапазон 50-52 °C.
Что такое микро-ячейка и чем MEMS-исполнение отличается от стеклодувного?
Микро-ячейка (chip-scale) — полость, протравленная сквозь кремниевую пластину, со стеклянными окнами, приваренными анодной сваркой при нагреве почти до 300 °C и напряжении в несколько сотен вольт. Микро-ячейки нашего каталога идут типоразмерами от 2×2×2 до 10×10×10 мм, а объёмы опубликованных MEMS-исполнений доходят до 1 мм³. Стеклодувным маршрутом объёмы ниже нескольких мм³ даются с трудом, поэтому MEMS-ячейку получают травлением кремния.
Что указать в ТЗ на изготовление атомной газовой ячейки?
Чек-лист закрывает 10 полей: рабочее вещество и изотоп, схему прибора, буферную смесь и её давление (десятки Торр при размере 1 см, 200-600 Торр при объёме 1 мм³), рабочую температуру, материал корпуса и окон, геометрию, требования к окнам, расположение отростка, электроды и тип спая, контроль и документы. Профильного ГОСТ или ТУ именно на такие ячейки в действующей нормативной базе нет, и эти поля закрывает чертёж заказчика.
Габариты и расположение отростка считают после выбора наполнения и стекла: оптическая схема прибора задаёт апертуру окон и длину пути луча, а рабочая температура — точку термостата.
Подберём материал корпуса, исполнение и схему спаев под вашу оптическую схему, рабочую температуру и состав наполнения. Проще всего начать с габаритного чертежа: прислать чертёж или ТЗ.
Есть вопросы? Свяжитесь с нами!
Балаклавский проспект, 24, к. 1, оф. 1/1 Главный офис