каталог

Атомная газовая ячейка: устройство, физика работы и где применяется

28.10.2026
8

Содержание

Что вы узнаете

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:

ПриборЧто даёт ячейкаРабочее вещество и наполнениеПодтверждённые параметры
Квантовый стандарт частоты (рубидиевые часы)Репер на сверхтонком переходе⁸⁷Rb, ячейка поглощения плюс ячейка-фильтр на ⁸⁵Rb0,1 л, 10 Вт, 10⁻¹¹ при 1 с; суточная 10⁻¹³–10⁻¹⁴
Стандарт с импульсной лазерной накачкойУзкая линия как дискриминатор⁸⁷Rb, Ø20 мм × 20 ммЛиния 150 Гц, 50–52 °C, σy(τ) ≤ 6×10⁻¹³ τ^(−1/2) (500–2000 с)
Магнитометр с оптической накачкойЛарморовская частота → магнитное поле¹³³Cs или ⁸⁷RbОбъём 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 скорость¹³³Cs, смесь ксенона и азотаКубический корпус, капля цезия порядка 5 мг, антирелаксационного покрытия нет
Чип-масштабные атомные часыТот же репер в габаритах микросхемы⁸⁷Rb или ¹³³Cs, MEMS-ячейка (микроэлектромеханическая технология) размером порядка 1 ммТехнология выросла из работ начала 2000-х, серийный продукт выпущен в 2011 году
Спектроскопия и реперы длины волныРеперные линии D1 и D2⁸⁷Rb, ¹³³Cs⁸⁷Rb 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).

  1. Рабочий объём: герметичный стеклянный корпус сферической, цилиндрической или кубической формы; через него проходит луч накачки.
  2. Светопрозрачные окна приварены к торцам цилиндра или к стенкам шара; их качество задаёт пропускание и уровень полезного сигнала.
  3. 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).
  4. Место отпайки: след от откачного штенгеля, через который ячейку наполняли буферным газом и щелочным металлом, а затем герметизировали.
  5. Наполнение: пары ⁸⁷Rb, ⁸⁵Rb или ¹³³Cs с буферным газом (N₂, неон, аргон, гелий или смесь) либо вакуум с антирелаксационным покрытием стенок.
  6. 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 атомной газовой ячейки: рабочий объём, окна, капилляр, отросток с каплей металла и место отпайки

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

Буферный газ в атомной ячейке: баллистический режим без газа и диффузионный режим при 10 Торр, схема траекторий

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.

РежимСредний свободный пробегВремя до разрушающего столкновения со стенкой (ячейка 1 см)Что ограничивает добротность
Без буферного газаСравним с размером ячейки, полёт баллистическийПорядка 1 мксПролётная ширина 1 МГц, Q 10⁴; доплеровский предел 10⁶
Буферный газ 10 ТоррПорядка 1 мкм, движение диффузионноеПорядка 10 мсСужение 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.

Параметр⁸⁷Rb¹³³Cs
Доля в природной смеси27,83 %100 %
Спин ядра I3/27/2
Сверхтонкий переход основного состояния6,834 682 610 904 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 нм894,592 960 нм
D2 (вакуум)780,241 210 нм852,347 276 нм
Температура плавления39,30 °C28,5 °C
Температура кипения688 °C671 °C
Плотность при 25 °C1,53 г/см³1,93 г/см³
Давление насыщенных паров при 25 °C3,92×10⁻⁷ Торр1,488×10⁻⁶ 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

Стекло корпуса газовой ячейки: боросиликатное, кварцевое и алюмосиликатное, причины выбора и ограничения

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 корпусаПочему выбираютЧем ограничено
БоросиликатноеНизкая температура размягчения, стеклодувное формование и отпайкаПроницаемость по гелию: у микро-ячейки 1 мм³ с окнами 0,3 мм возможен дрейф до 3×10⁻¹²/сутки
Кварцевое стекло, марки по ГОСТ 15130-86Прозрачность 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 оконСложнее 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
АлюмосиликатноеПроницаемость по гелию существенно меньше боросиликатной, уход частоты в гелиевой среде заметно нижеПрименяется 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

Типоразмеры атомных газовых ячеек: микро-ячейка, цилиндрическая и трубчатая ячейка, иллюстрация

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

Микро-ячейка MEMS в разрезе: кремниевая пластина с полостью между стеклянными окнами, анодная сварка

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:

  1. 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).
  2. Откачной штенгель соединяет внутренний объём с вакуумным постом и с запаянной вспомогательной ампулой, где лежит высокочистый щелочной металл.
  3. Откачка и длительный прогрев для вакуумного обезгаживания стенок, часто с дополнительной чисткой плазменным разрядом.
  4. Вскрытие ампулы стеклянным break-seal и дистилляция металла в рабочий объём.
  5. Напуск буферной смеси заданного состава и давления.
  6. 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.

Спай металл–стекло в ячейке с электродами: согласованный спай с коваром и сжатый спай кварца с молибденовой фольгой

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 ТЗЧто указатьНа что влияет, ориентир
Рабочее веществоRb natural, ⁸⁷Rb, ⁸⁵Rb или CsРепер: ⁸⁷Rb 6,83 ГГц, ¹³³Cs 9,19 ГГц
Схема прибораЯчейка поглощения, фильтр, магнитометр, датчик вращенияСхеме с лампой нужны обе: ⁸⁷Rb и ⁸⁵Rb
Буферный газСостав (N₂, Ne, Ar, He), давлениеРелаксация на стенках: десятки Торр при 1 см, 200–600 Торр при объёме 1 мм³
Рабочая температураТочка термостата, допустимый уходДавление паров: +70…+120 °C у рубидиевых ячеек, 50–52 °C в импульсном стандарте
Материал корпуса и оконБоросиликатное стекло, кварцевое (ГОСТ 15130-86), алюмосиликатные окнаКварцевое стекло: прозрачность в УФ и повышенная рабочая температура; алюмосиликат против гелиевого дрейфа
Геометрия и габаритыЦилиндр, куб, трубка, микро-ячейкаМикро-ячейки 2×2×2…10×10×10 мм, цилиндры Ø20 мм × 20 мм
ОкнаАпертура, качество поверхности, плоскопараллельность, просветлениеПропускание и сигнал; в MEMS свет входит с двух сторон
Отросток (штенгель)Расположение, объём под каплю, место отпайкиРезервуар паров: капля цезия массой порядка 5 мг
Электроды и спаиЧисло вводов, металл (ковар 29НК, молибден, вольфрам, платинит)Низкий ТКЛР кварцевого стекла требует сжатого спая с молибденовой фольгой
Контроль и документыГерметичность, паспорт партии, маркировка, хранениеКислород 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!

Производство посуды для лабораторных исследований из кварца, кордиеритовой керамики, технического фарфора и корунда
Москва,
Балаклавский проспект, 24, к. 1, оф. 1/1
Главный офис