李新坤， 蔡玉珍， 鄭建朋， 王風(fēng)嬌， 劉院省

（1.中國航天科技集團(tuán)有限公司量子工程研究中心，北京100094；2.北京航天控制儀器研究所，北京100039）

0 引言

原子陀螺、原子磁力儀和原子鐘等新型量子儀表［1-3］不僅具有超高精度，而且兼有小體積和低功耗等優(yōu)點(diǎn)，如核磁共振陀螺有望在10cm3體積下實(shí)現(xiàn)10-4（°）／h量級的精度，將進(jìn)一步提升精確打擊武器的作戰(zhàn)效能，推動微納衛(wèi)星、無人機(jī)群等新型武器裝備和作戰(zhàn)模式的發(fā)展。作為上述量子儀表的 “心臟”，高性能微小型原子氣室是現(xiàn)階段量子儀表研制中急需重點(diǎn)突破的共性關(guān)鍵技術(shù)之一。

國內(nèi)外多家單位都在開展高性能原子氣室的研究工作。美國Northrop Grumman公司通過開展深入的理論和實(shí)驗(yàn)研究，制備出了內(nèi)腔尺寸為2mm×2mm×2mm的高性能原子氣室，原子核自旋弛豫時間達(dá)到了26s，以此為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)了表頭體積為5cm3、零偏穩(wěn)定性為 0.01（°）／h的微小型核磁共振陀螺［4］。國內(nèi)在高性能原子氣室相關(guān)機(jī)理及制造技術(shù)方面與國外仍有較大差距，在原子氣室抗弛豫機(jī)理、氣室精確充制、耐高溫抗弛豫鍍膜、微小型氣室精密加工等方面仍存在諸多難題。本文從理論基礎(chǔ)、制造工藝和材料等方面綜述了量子儀表用原子氣室的研究進(jìn)展，并在此基礎(chǔ)上對高性能原子氣室研制中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析討論。

1 研究進(jìn)展

原子氣室通常為采用玻璃精密熔接或微加工工藝制造的密閉透明的腔室，內(nèi)部密封了堿金屬原子和特定配比的氣體分子。原子氣室應(yīng)用于慣性測量和超靈敏磁場測量時，通常采用光泵浦技術(shù)使氣室內(nèi)的原子實(shí)現(xiàn)極化，同時原子的熱運(yùn)動與各種碰撞會破壞原子極化態(tài)，使得原子發(fā)生退極化重新恢復(fù)到Boltzmann分布狀態(tài)。這一過程所需的時間通常稱為自旋弛豫時間，這是衡量原子氣室性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一。原子氣室的玻殼材料、面形精度、氣室內(nèi)壁狀態(tài)和氣體填充比例等也是影響氣室性能的重要因素。

針對高精度微小型量子儀表的應(yīng)用需求，國內(nèi)外多家單位都在開展高性能微小型原子氣室的研制工作。在理論基礎(chǔ)方面，通過深入研究微小型原子氣室的自旋極化弛豫機(jī)理，指導(dǎo)實(shí)現(xiàn)更高性能的原子氣室；在制造技術(shù)方面，通過創(chuàng)新工藝和方法，提升原子氣室充制精度，以及改進(jìn)氣室潔凈度、平整度和光學(xué)透明度，實(shí)現(xiàn)氣室內(nèi)原子高效極化率，并結(jié)合抗弛豫鍍膜技術(shù)延長原子自旋弛豫時間，獲得更穩(wěn)定的宏觀自旋磁矩；另外，采用微加工手段，實(shí)現(xiàn)更高性能和更小體積的原子氣室。

1.1 理論基礎(chǔ)研究進(jìn)展

原子氣室中的工作介質(zhì)包含堿金屬原子和工作氣體等多種原子，原子極化、自旋交換和自旋弛豫等物理過程均在原子氣室工作狀態(tài)下發(fā)生。通過深入研究超極化原子系綜的機(jī)理，分析特定的光場和磁場作用下堿金屬原子、工作氣體和緩沖氣體間的多體相互作用，揭示原子氣室內(nèi)填充介質(zhì)、內(nèi)腔結(jié)構(gòu)、內(nèi)壁表面狀態(tài)等與原子自旋極化弛豫的作用機(jī)理，為高性能原子氣室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和氣體組氛比例優(yōu)化等提供指導(dǎo)。

1965年， Herman［5］研究了堿金屬原子與惰性氣體原子核之間的自旋交換機(jī)理，計(jì)算了Rb原子與各種惰性氣體原子核之間的自旋交換截面，這一研究為進(jìn)行理想條件下的數(shù)值計(jì)算提供了參考。但是，對同時含有兩種以上惰性氣體的較復(fù)雜系統(tǒng)，不同原子核之間的交叉影響使得定量計(jì)算更為復(fù)雜。1977年，Happer等［6］針對高溫堿金屬原子蒸汽中的自旋交互弛豫與堿金屬原子磁共振線寬成反比的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，運(yùn)用微擾理論、數(shù)值分析理論、統(tǒng)計(jì)分析理論解釋了自旋交換弛豫對堿金屬原子磁共振線寬的影響，提出了在高壓、高密、弱磁條件下原子氣室內(nèi)的無自旋交換弛豫狀態(tài)（SERF態(tài)），為實(shí)現(xiàn)超靈敏慣性測量、磁場測量提供了一種新的技術(shù)途徑。1978年，Grover［7］在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了極化21Ne、83Kr、129Xe和131Xe等惰性氣體。1982年，Bhaskar等［8］通過光抽運(yùn)的方法測量了Rb原子和129Xe系綜的自旋交換效率，并測量了兩者的自旋交換碰撞截面。1985年，Zeng等［9］分析了在密封了堿金屬原子、129Xe氣體和氮?dú)獾脑託馐覂?nèi)，堿金屬原子與129Xe之間在氮?dú)獾慕槿胂峦ㄟ^van der Waals引力形成三體分子的時間常數(shù)，并對三體分子的自旋交換和弛豫進(jìn)行了分析。

對于核磁共振陀螺和SERF陀螺等典型應(yīng)用，原子自旋弛豫時間是高性能原子氣室追求的關(guān)鍵指標(biāo)之一，深入研究在特定條件下原子氣室中自旋弛豫機(jī)制，并開展抗弛豫方案研究是非常有意義的，國外在這方面已開展了較長時間的研究。1983 年， Bhaskar等［10］密封了 0.5Torr Xe 氣體、 微量堿金屬Rb和一定壓強(qiáng)N2的原子氣室，研究了100g外磁場環(huán)境下超極化129Xe氣體的核自旋弛豫過程。1988年，Cates等［11］從理論上研究了不均勻外磁場對超極化惰性氣體原子系綜弛豫的影響，定量分析了磁場不均勻性對核自旋弛豫的貢獻(xiàn)。1995年， Driehuys等［12］研究了原子與氣室內(nèi)壁碰撞造成的超極化129Xe氣體的核自旋弛豫，表明極化原子與玻璃內(nèi)壁的碰撞過程是導(dǎo)致快速自旋弛豫的主要因素之一。2008年，Anger等［13］系統(tǒng)研究了極化129Xe氣體的核自旋弛豫機(jī)制，在分析內(nèi)在弛豫機(jī)理的同時，也研究了磁場、溫度等外部因素的影響。2012年，Rohrbaugh等［14］研究了內(nèi)壁RbH和RbD鍍膜的氣室內(nèi)129Xe的核自旋弛豫機(jī)制，發(fā)現(xiàn)自旋弛豫主要源于129Xe與氣室內(nèi)壁順磁性物質(zhì)結(jié)構(gòu)的長程偶極相互作用。

國內(nèi)也對原子氣室內(nèi)極化原子的自旋弛豫機(jī)制開展了相應(yīng)理論研究。華中師范大學(xué)的曾錫之等［15］研究了堿金屬原子與129Xe之間的自旋交換截面和效率，對于激光極化的超極化129Xe氣體的核自旋弛豫率進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測量，針對優(yōu)化設(shè)計(jì)氣體配比、提高原子氣室的極化效率提出了有指導(dǎo)意義的設(shè)計(jì)方案。另外，北京航天控制儀器研究所的劉院省等［16］在核磁共振陀螺和SERF陀螺的研制中，對原子氣室內(nèi)極化惰性氣體的核自旋弛豫過程進(jìn)行了系統(tǒng)研究，在毫米尺度原子氣室內(nèi)實(shí)現(xiàn)了20s的核自旋弛豫時間，并研究了原子自旋弛豫過程受原子氣室的氣壓配比、氣室內(nèi)壁表面狀態(tài)、氣室溫度穩(wěn)定性以及外部磁場梯度等因素的影響規(guī)律。未來，應(yīng)進(jìn)一步開展微小型氣室內(nèi)原子自旋弛豫機(jī)理的研究和驗(yàn)證，為研制高性能原子氣室提供有效的理論支撐。

1.2 制造工藝研究進(jìn)展

原子氣室通常為內(nèi)部密封了堿金屬蒸氣與惰性氣體的透明玻璃腔室，利用玻璃精密熔接或微加工工藝等技術(shù)手段可實(shí)現(xiàn)原子氣室的制造。20世紀(jì)60年代，美國California大學(xué)的Bell等［17］基于堿金屬蒸汽光譜燈的研制需求設(shè)計(jì)了一套堿金屬氣室加工平臺，在該設(shè)備上實(shí)現(xiàn)了直徑為1cm的球形堿金屬氣室的制備，其主要工藝如下：利用火焰噴燈將多只Pyrex玻璃的球形氣室和放置有堿金屬安瓿（Rb或Cs）的玻璃管熔接到連通真空系統(tǒng)的玻璃管路上，對系統(tǒng)抽真空至10-4Pa量級，啟封堿金屬安瓿，加熱使堿金屬以蒸氣形式充入各氣室內(nèi)，在氣室內(nèi)壁凝結(jié)的薄層堿金屬足量時停止加熱，鉗下原子氣室用于銣燈或銫燈的研制。

此后，有多家單位在上述設(shè)備和工藝的基礎(chǔ)上對原子氣室制造技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)和創(chuàng)新，優(yōu)化了真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)，改進(jìn)了氣體充制及堿金屬分裝工藝裝置等，提高了原子氣室的純凈度，實(shí)現(xiàn)了對堿金屬和氣體填充的精確控制。美國Princeton大學(xué)展示了一套用于原子氣室加工的真空系統(tǒng)，圖1為系統(tǒng)組成示意圖，主要包括真空抽氣部分、堿金屬蒸餾分裝部分和氣體充制管路部分等。基于該設(shè)備制造的原子氣室，Zeng等［9］完成了對K、Rb、Cs原子和Xe原子核之間自旋交換速率的實(shí)驗(yàn)研究。美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)局（NIST）設(shè)計(jì)了一套原子氣室制造系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)4He、3He和N2三路氣體的真空充制與比例調(diào)配［18］。

圖1 美國Princeton大學(xué)的原子氣室加工系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of vacuum system for filling sample cells developed by Princeton University

近年來，隨著核磁共振陀螺和芯片原子鐘等量子儀表微小型、集成化的發(fā)展需求，研究人員嘗試了各種新的技術(shù)和手段用于微小型原子氣室的研制，包括玻璃光膠工藝、圓片級玻璃吹制技術(shù)、多層陽極鍵合工藝技術(shù)等。在追求更小原子氣室體積的同時，進(jìn)一步提升了氣室性能。

圖2 美國NIST研制的倒金字塔結(jié)構(gòu)原子氣室Fig.2 Rb vapor cell with integrated nonmetallic multilayer reflectors developed by NIST

2008年，美國NIST開發(fā)出了一種內(nèi)腔倒金字塔結(jié)構(gòu)的芯片級氣室［19］。如圖2所示，原子氣室為玻璃-硅-玻璃的三層鍵合結(jié)構(gòu)，氣室內(nèi)壁鍍多層介質(zhì)膜，用于光束反射。由于泵浦光源與探測器處于同一平面，這種結(jié)構(gòu)有利于儀表的集成設(shè)計(jì)。美國NIST與美國California大學(xué)Irvine分校合作，將上述原子氣室用于微型核磁共振陀螺的研制，集成后的表頭體積約為2cm3。但研究也表明，此類微加工工藝制備的原子氣室存在內(nèi)壁反射膜層鍍制困難、集成加熱線圈導(dǎo)致磁場梯度增大等諸多問題，有待對其進(jìn)一步設(shè)計(jì)和改進(jìn)。

2008年，美國California大學(xué)Irvine分校利用玻璃吹制技術(shù)制備了微型原子氣室球泡，其直徑為700μm，如圖3所示［20］。該方法制備的球形氣室降低了工作介質(zhì)自生磁場對原子核自旋磁矩進(jìn)動的影響，同時提供了足夠多的光學(xué)窗口，避免了原子進(jìn)入死角。而且相比多層鍵合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，球形泡不需要進(jìn)行內(nèi)壁反射膜層鍍制，降低了工藝復(fù)雜性，更易于批量制備。但實(shí)驗(yàn)研究表明，此類微球形原子氣室用于微型核磁共振陀螺時，光束在通過球形氣室過程中傳播方向會出現(xiàn)多次變化，易產(chǎn)生雜散光和偏振變化，給測量信號帶來不利影響。

圖3 美國California大學(xué)Irvine分校研制的微球形原子氣室Fig.3 Glass-blown spherical microcells vapor cell developed by UC Irvine

因此，二維方向通光的原子氣室多采用玻璃立方結(jié)構(gòu)。圖4給出了美國Northrop Grumman公司采用玻璃精加工藝制備的微型玻璃原子氣室。通過氣體組氛配比優(yōu)化，并改進(jìn)氣室潔凈度、平整度和光學(xué)透明度，提升了原子極化率和核自旋弛豫時間。在公開的報(bào)道中［4］，美國 Northrop Grumman公司研制的內(nèi)腔為1mm×1mm×1mm的原子氣室中，129Xe和131Xe兩種同位素的核自旋弛豫時間大于22s，2mm×2mm×2mm的原子氣室中核自旋弛豫時間達(dá)到26s。

1.3 氣室玻璃材料研究進(jìn)展

堿金屬原子氣室作為量子儀表的核心部件，其穩(wěn)定性和壽命是決定量子儀表長期工作可靠性的主要因素。在GPS早期使用的星載原子鐘中，原子鐘出現(xiàn)過早失效的原因主要源于堿金屬燈泡故障［21］。研究發(fā)現(xiàn)，原子氣室玻殼材料與氣室內(nèi)的堿金屬存在一定程度的物理、化學(xué)作用，玻璃材料的耐堿性能是影響原子氣室長期性能穩(wěn)定性和壽命的重要因素。原子氣室壽命主要取決于氣室內(nèi)堿金屬的損耗機(jī)制，一是堿金屬與氣室內(nèi)雜質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)消耗，二是堿金屬原子向氣室玻殼內(nèi)壁的物理／化學(xué)擴(kuò)散導(dǎo)致的損耗。其中，后者是影響原子氣室長期工作壽命的主要因素。原子氣室工作過程中，堿金屬原子和氣室玻璃內(nèi)壁發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成滲透到玻璃內(nèi)部幾十微米深度的滲透層。起初此滲透層以一種透明狀態(tài)存在，隨著堿金屬原子與玻璃內(nèi)壁反應(yīng)的加劇，原子氣室出現(xiàn)變色現(xiàn)象，原因是氣室內(nèi)壁表面形成了一層極?。s100nm）的Rb2O和RbOH層。在原子氣室工作期間，這種擴(kuò)散反應(yīng)不會出現(xiàn)飽和，而會一直持續(xù)下去?；谏鲜鲈?，耐堿腐蝕等級更高的特種玻璃材料更適合制造長壽命的原子氣室。例如，星載銣原子鐘的長壽命銣原子光譜燈和原子氣室吸收泡的玻殼材料常選用德國Schott 8436和Schott Duran等耐堿腐蝕玻璃材料。

圖4 美國Northrop Grumman公司研制的2mm玻璃原子氣室Fig.4 2mm glass vapor cell developed by Northrop Grumman

玻璃材料的耐輻照性能也是影響原子氣室在宇航環(huán)境中長期工作可靠性的重要因素?？臻g輻射環(huán)境的帶電粒子作用于原子氣室玻殼時，會改變玻璃材料的微觀結(jié)構(gòu)，在材料內(nèi)產(chǎn)生各種缺陷，導(dǎo)致原子氣室的透過率、力學(xué)性能甚至宏觀尺寸發(fā)生變化。另外，原子氣室玻殼微觀結(jié)構(gòu)的改變會加速堿金屬向玻璃材料內(nèi)的擴(kuò)散，進(jìn)一步影響了原子氣室性能的穩(wěn)定性和壽命［22］。

由于堿金屬的損耗決定了原子氣室的工作壽命，也有研究者采用增加堿金屬填充量的方案延長原子氣室的壽命。但是，過量的堿金屬會對原子氣室的性能產(chǎn)生不利影響。例如對于堿金屬光譜燈，堿金屬的過量填充會嚴(yán)重影響光譜燈的發(fā)光穩(wěn)定性。美國Efratom公司通過研究發(fā)現(xiàn)了藍(lán)寶石材料在長壽命原子氣室制造方面具有很大的潛力［23］，他們通過創(chuàng)新工藝制造了基于藍(lán)寶石材料的堿金屬光譜燈，并被GPS二代衛(wèi)星采用。在高性能原子氣室制造方面，藍(lán)寶石材料具有優(yōu)異的特性：透明度好、化學(xué)性能極其穩(wěn)定、可以忽略的內(nèi)部雜質(zhì)和致密的材料密度有效降低了堿金屬的滲透損耗。同時，藍(lán)寶石材料還有良好的熱學(xué)、電學(xué)及耐輻照能力。采用藍(lán)寶石材料制造的堿金屬氣室，其壽命有望比玻璃材料氣室高1個量級。但是，藍(lán)寶石價(jià)格相對昂貴，更主要的是藍(lán)寶石氣室的加工制造難度較大，常規(guī)的玻璃吹制熔接工藝已無法適用于藍(lán)寶石原子氣室的加工。

目前，原子氣室的材料主要包括了石英玻璃和硬質(zhì)玻璃兩種。石英玻璃的SiO2含量≥96%，其膨脹系數(shù)低，耐熱性能好，能承受較大熱沖擊。但是，石英玻璃加工溫度高（1800℃以上），玻璃料性短，加工難度較高。另外，石英玻璃的耐堿腐蝕性能也較差。硬質(zhì)玻璃以高硼硅玻璃材料為代表，SiO2含量在 75%～95%，其余成分主要為B2O3。其熔接溫度與石英玻璃相比低很多，約為800℃～1000℃，玻璃料性長，加工難度相對較低。但是，硬質(zhì)玻璃的耐熱性能也較差一些，驟冷驟熱容易碎裂，增大了原子氣室制造工藝的難度。

1.4 抗弛豫鍍膜研究進(jìn)展

提高氣室的原子自旋弛豫時間常用的方法有兩種：一種是充入一定量的緩沖氣體，減小極化原子與氣室內(nèi)壁的碰撞幾率，從而降低原子自旋弛豫速率；另一種是在原子氣室內(nèi)壁鍍一層保護(hù)膜層，利用膜層阻止原子直接與玻璃內(nèi)壁發(fā)生碰撞，從而抑制極化原子的退極化過程。相對于氣室內(nèi)充入緩沖氣體的方案，采用抗弛豫鍍膜不會造成氣壓增大產(chǎn)生的原子能級壓強(qiáng)展寬，有利于在較低的光功率下實(shí)現(xiàn)原子的高效極化。因此，抗弛豫鍍膜材料和鍍膜工藝是長弛豫時間原子氣室的研究重點(diǎn)。

抗弛豫膜材料中，最常見的一類是烷烴類膜層，其代表是石蠟。石蠟的極性比玻璃表面小，吸收能量低，吸收時間短。石蠟與堿金屬原子間的作用相對玻璃內(nèi)壁來說弱很多，原子在與石蠟發(fā)生多次碰撞被彈回后仍可保持極化狀態(tài)。石蠟反弛豫膜的最好表現(xiàn)是允許原子碰撞10000次而不退極化，是目前工作于室溫或略高于室溫范圍內(nèi)抗弛豫效果比較明顯的材料，主要應(yīng)用于原子磁力儀和原子鐘等各類儀表的原子氣室中［24］，圖5即為經(jīng)過多次碰撞后石蠟的反弛豫膜層表面形貌。但是，石蠟的熔點(diǎn)一般在60℃～80℃，石蠟鍍膜的最高工作溫度受此限制。在需要更高堿金屬原子密度的應(yīng)用中，如SERF陀螺，需要原子氣室工作在130℃～170℃的較高溫度，石蠟鍍膜就不再適用。

圖5 石蠟反弛豫膜層表面形貌Fig.5 AFM image of a broken cell with paraffin antirelaxation coatings

抗弛豫膜材料中，另一類是含硅基有機(jī)物，其代表是十八烷基三氯硅烷（OTS）。OTS在分子結(jié)構(gòu)上具有類似石蠟的飽和碳?xì)溟L鏈，末端具有一個活性官能團(tuán)。官能團(tuán)與玻璃表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成共價(jià)鍵，從而在玻璃表面形成自組裝薄膜。由于其成膜方式為共價(jià)鍵，因而可以耐受較高的溫度。2007年，OTS第1次被用于堿金屬原子氣室的抗弛豫鍍膜，如圖6所示。實(shí)驗(yàn)表明，原子與OTS抗弛豫膜可碰撞2000次而不丟失極化狀態(tài)，并且OTS抗弛豫膜可耐受170℃的使用溫度。在2009年，OTS鍍膜原子氣室應(yīng)用于SERF磁力儀中［25］。

圖6 美國Colorado州立大學(xué)的OTS抗弛豫鍍膜研究Fig.6 AFM images of fused Silica before and after coating with the OTS developed by Colorado State University

抗弛豫鍍膜材料除長鏈烷烴、烯烴等有機(jī)膜層外，氣室內(nèi)壁鍍RbH、RbD等材料膜層也具有抗弛豫效果。2012年， Rohrbaugh等［14］對 RbH／RbD抗弛豫鍍膜氣室進(jìn)行了研究，在-68℃～50℃（205K～323K）范圍內(nèi)分析了129Xe的核自旋弛豫率隨磁場的變化情況，具體如圖7所示。

圖7 美國Virginia大學(xué)RbH／RbD鍍膜氣室的129Xe核自旋弛豫研究Fig.7 129Xe nuclear spin relaxation due to wall collisions with RbH／RbD coatings developed by University of Virginia

目前，關(guān)于原子氣室抗弛豫鍍膜的研究還有待進(jìn)一步開展。雖然石蠟鍍膜已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了較好的抗弛豫性能，但原子氣室工作溫度超過80℃，石蠟鍍膜的抗弛豫效果就會快速退化。而對烷烴類、含硅基有機(jī)物及RbH／RbD等材料膜層的抗弛豫機(jī)理以及鍍膜工藝穩(wěn)定性的研究仍不充分，耐高溫抗弛豫鍍膜是高性能原子氣室研制中急需解決的技術(shù)難題之一。

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

原子氣室研制中，一方面需要結(jié)合理論和實(shí)驗(yàn)對相關(guān)機(jī)理開展深入的研究和驗(yàn)證，重點(diǎn)揭示氣室內(nèi)腔結(jié)構(gòu)、內(nèi)壁表面狀態(tài)、填充介質(zhì)與原子自旋極化弛豫的作用機(jī)理，為高性能微小型原子氣室的研制提供明確的理論指導(dǎo)；另一方面，應(yīng)采用性能更優(yōu)的玻殼材料和鍍膜材料，改進(jìn)和創(chuàng)新制造工藝，力求實(shí)現(xiàn)體積更小、自旋弛豫時間更長、穩(wěn)定性更高的微小型原子氣室。以下幾個關(guān)鍵技術(shù)需要重點(diǎn)關(guān)注。

（1）微型氣室玻殼精密加工技術(shù)

玻殼材料和其結(jié)構(gòu)是影響原子氣室性能的關(guān)鍵因素。隨著原子氣室體積的減小，氣室玻殼的精密光加工藝、表面鍍膜技術(shù)和處理工藝對于高性能原子氣室的研制尤為重要。提高氣室玻殼的面形加工精度和內(nèi)腔對稱度，有利于提高原子極化率、減緩原子自旋弛豫，并減小因玻殼不對稱引起的131Xe等工作介質(zhì)的電四極矩效應(yīng)；表面鍍膜和材料處理工藝對于提高原子氣室的光學(xué)透過率、改善光窗折射率的空間均勻性是非常必要的。另外，通過優(yōu)化玻殼材料、結(jié)構(gòu)和工藝，提高原子氣室的氣密性和降低氦滲透率在高性能原子氣室研制中也需要關(guān)注。

（2）原子氣室精確充制技術(shù)

原子氣室內(nèi)堿金屬原子的定量控制、充制氣體的壓強(qiáng)和配比是影響原子極化效率和自旋弛豫時間的重要因素。隨著原子氣室尺寸的縮小和單批次加工數(shù)量的增多，堿金屬原子的分裝均勻性、充制氣體的壓強(qiáng)及配比偏離急劇增大。針對原子氣室批量加工需求，一方面需要改進(jìn)堿金屬蒸餾分裝的工藝裝置和控溫精度，并結(jié)合差示掃描量熱儀實(shí)現(xiàn)堿金屬充入量的精確測量，突破堿金屬定量填充精確控制技術(shù)；另一方面，對多種氣體混合充制的動力學(xué)過程開展深入研究，并利用在線定量分析手段實(shí)現(xiàn)氣體充制過程的實(shí)時監(jiān)測與動態(tài)調(diào)整，解決原子氣室精確充制的技術(shù)難題。

（3）耐高溫抗弛豫鍍膜技術(shù)

抗弛豫鍍膜是有效改善原子氣室自旋弛豫時間的技術(shù)途徑。一方面需要研究各類抗弛豫鍍膜材料、氣室內(nèi)壁膜層結(jié)構(gòu)狀態(tài)、膜層厚度等因素對原子自旋極化態(tài)的影響機(jī)理，優(yōu)選更加有效的膜層材料和鍍膜工藝；另一方面，研究原子氣室內(nèi)壁抗弛豫膜層的成膜機(jī)理，開展耐高溫抗弛豫鍍膜工藝研究，解決抗弛豫鍍膜工藝穩(wěn)定性和高溫工作（≥150℃）性能退化的問題。

（4）原子氣室后烘處理工藝技術(shù)

后烘處理是提升原子氣室性能和長期穩(wěn)定性的關(guān)鍵工藝過程。優(yōu)化的后烘處理工藝可以使堿金屬原子和氣體分子與氣室內(nèi)壁的物理／化學(xué)作用快速達(dá)到穩(wěn)態(tài)，改善原子氣室長期穩(wěn)定性，并有利于實(shí)現(xiàn)堿金屬原子和惰性氣體核自旋的高效極化。另外，對于內(nèi)壁鍍膜的原子氣室，后烘處理對于抗弛豫鍍膜的成膜過程以及原子高效極化是不可或缺的，需要對工藝溫度、處理時長及工藝流程開展重點(diǎn)研究。

3 結(jié)論

隨著量子儀表微小型、高精度、集成化的發(fā)展需求，研制高性能微小型原子氣室迫在眉睫。近年來，國外在不斷提高玻璃精加工藝水平、制備高規(guī)整度微型玻璃氣室的同時，不斷改進(jìn)氣室潔凈度、平整度和光學(xué)透明度，并通過優(yōu)化氣體組氛配比和抗弛豫鍍膜工藝，提高了原子極化率和核自旋弛豫時間?，F(xiàn)階段，采用玻璃精加工藝制備的常規(guī)玻璃氣室技術(shù)成熟度高，在各類量子儀表中應(yīng)用最多。通過進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高制造精度，微型玻璃氣室有望為現(xiàn)階段高精度量子儀表的研制提供支撐。采用多層鍵合、玻璃微球吹制等微加工手段，有望實(shí)現(xiàn)更小體積的芯片級原子氣室，并具有易于批量制備的優(yōu)勢。通過重點(diǎn)解決高純度堿金屬定量填充、氣體組氛精確控制、多層鍵合結(jié)構(gòu)氣密性等問題，可以進(jìn)一步提升芯片級原子氣室的性能，推動量子儀表向微型化、集成化方向發(fā)展。

我國在原子氣室技術(shù)研究方面仍處于起步階段，尤其是長弛豫時間微型原子氣室的研制與國外相比差距較大，需要結(jié)合理論和實(shí)驗(yàn)對原子氣室抗弛豫機(jī)理、微型氣室精確充制機(jī)理等開展深入研究和驗(yàn)證，并重點(diǎn)攻克微型氣室玻殼精密加工、堿金屬定量填充與精確檢測、充制氣體配比精確控制、耐高溫抗弛豫鍍膜等關(guān)鍵技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)長壽命、高性能微型原子氣室的研制。