氦气渗透导致铷原子钟频率漂移的计算与分析

氦气渗透导致的铷原子钟吸收泡内铷原子与氦气碰撞频移发生变化,从而影响铷原子钟频率漂移率.为了量化分析这一影响,选取厚度为1 mm,直径为1.8 cm,长为1.6 cm,工作温度为65℃的圆柱型玻璃气泡为例,通过数值方法模拟了派热克斯玻璃(Pyrex,康宁7740)与低氦渗透的铝硅酸盐玻璃(ASG,康宁1720)原子气泡内氦气压随时间的变化规律.计算结果显示,对于Pyrex气泡,铷原子钟工作约12年后,氦渗透致频率漂移率降低至<1.0×10^(-14)/天;而ASG气泡铷原子钟在其寿命期间内的氦渗透致频率漂移率始终<3.0×10^(-17)/天,其对铷原子钟漂移率的贡献可忽略不计.该计算方法同样适用于其它种类气体在不同玻璃材料的渗透过程研究.

用于量子微波接收机的原子气室探头RCS分析

基于里德堡原子的量子微波接收机具有超宽带、高灵敏度等显著优点,在雷达探测、信号侦察等电磁对抗领域具有巨大的应用潜力。经典的微波接收机采用金属天线作为传感器探头,而量子微波接收机的传感器探头是一个全介质的原子气室。文中对原子气室探头的雷达散射截面积(RCS)进行分析,通过将原子气室与经典的微带贴片天线进行仿真对比,展示了原子气室探头在2 GHz~18 GHz的宽频带内具有更低的RCS。此外,还对影响原子气室RCS的主要因素(结构、尺寸、相对介电常数等)进行仿真分析,给出了低RCS原子气室的参数选取基本原则。

SERF原子自旋陀螺仪中的碱金属气室无磁加热高精度温度控制

碱金属气室的温度波动与磁噪声是制约无自旋交换弛豫原子自旋陀螺仪灵敏度提升的关键因素。针对这两个问题,采用激光加热方式对气室进行无磁加热,从根本上消除磁噪声,在气室加热面及相邻上下两面装载石墨烯薄膜,进行光热转换、热传导以及避免杂散光干扰;采用线性自抗扰控制(Linear Active Disturbance Rejection Control,LADRC)与热管理技术相结合的方式,提高碱金属气室的控温精度与稳定度。设计基于温控系统的线性自抗扰控制器;从热传导、热对流、热辐射三方面出发设计热结构,优选石墨烯薄膜;搭建碱金属气室温控系统实验平台。研究结果表明,采用LADRC与热管理技术的碱金属气室温控系统的控温精度为±0.003℃,控温稳定度为6 mK。所得研究结果为后续原子自旋陀螺仪灵敏度的提升奠定了基础。

硅基SiC薄膜制备与应用研究进展

碳化硅(SiC)材料具有极为优良的物理、化学及电学性能,可满足在高温、高腐蚀等极端条件下的应用,碳化硅还是极端工作条件下微机电系统(MEMS)的主要候选材料,成为国际上新材料、微电子和光电子领域研究的热点。同时,碳化硅有与硅同属立方晶系的同质异形体,可与硅工艺技术相结合制备出适应大规模集成电路需要的硅基器件,因此用硅晶片作为衬底制备碳化硅薄膜的工作受到研究人员的特别重视。本文综述了近年来国内外硅基碳化硅薄膜的研究现状,就其制备方法进行了系统的介绍,主要包括各种化学气相沉积(Chemical vapor deposition,CVD)法和物理气相沉积(Physical vapor deposition,PVD)法,并归纳了对硅基碳化硅薄膜性能的研究,包括杨氏模量、硬度、薄膜反射率、透射率、发光性能、电阻、压阻、电阻率和电导率等,以及其在微机电系统传感器、生物传感器和太阳能电池等领域的应用,最后对硅基碳化硅薄膜未来的发展进行了展望。

基于主被动冷却耦合的棱柱电池热管理系统研究

随着电动汽车电池包容量的增加和电池单元能量密度的提高,电池的热管理已经成为当前电动汽车设计制造过程中的重点和难点。本文基于单个电池单元和电池模组逐级热分析的方法,在电池模组的热管理系统中,引入液冷板作为主动式制冷,同时采用风冷和均热板作为被动式制冷。首先,通过对单个电池单元进行细致建模,计算得到不同电池单元放电倍率下的产热量。然后,对组装成的电池模组进行主动和被动热管理系统的建模。接着,分别对两种不同的热管理系统—风冷与液冷耦合系统、液冷与均热板耦合系统进行最高温度和温度均匀性的模拟仿真,并选择冷却性能更优的结构。最后,对选定的热管理系统在不同质量流量下对系统冷却效果的影响进行优化设计。研究结果表明,随着冷却液流量的增加,最高温度呈现下降趋势,且在2.125 L/min之后冷却效果趋于平缓。综合考虑冷却效果和系统能耗,2.125 L/min的进口流量是在液冷与均热板耦合系统下的最佳选择。

医用钛表面石墨烯薄膜的PECVD法制备及其性能

目的在医用钛表面制备石墨烯薄膜,研究生长时间对石墨烯薄膜理化性能和生物学性能的影响。方法采用等离子体增强化学气相沉积设备,在医用钛表面制备石墨烯薄膜,控制石墨烯薄膜生长时间为5、10、30 min。通过拉曼光谱、扫描电子显微镜、接触角测量仪和电化学工作站对石墨烯薄膜的结构、表面形貌、表面润湿性和耐腐蚀性进行表征,通过小鼠成骨细胞培养评价石墨烯薄膜的细胞相容性。结果薄膜的拉曼结果呈现石墨烯的D、G和2D特征峰。生长时间为10 min和30 min的石墨烯薄膜在医用钛表面呈现垂直纳米片状态。随着生长时间的延长,医用钛表面石墨烯薄膜的水接触角逐渐增大。3组样品中,生长时间为5 min的样品具有最小的腐蚀电流密度(1.822×10^(‒7)A/cm^(2)),生长时间为10 min的样品具有最高的腐蚀电位(‒0.404 V);生长时间为5 min和10 min的样品有利于细胞的黏附与铺展,生长时间为30 min的样品对小鼠成骨细胞活性具有一定的抑制作用。结论石墨烯薄膜可以有效提高医用钛的耐腐蚀性。石墨烯薄膜生长时间影响其形貌,进而改变水接触角。不同生长时间的石墨烯薄膜对小鼠成骨细胞的黏附和铺展表现出明显的差异。

Co-N共掺杂碳纳米管-多孔碳构筑及其氧还原电催化性能

采用一步化学气相沉积法,以乙腈蒸气为氮源,以钴离子交换合成的沸石(CoY)为模板,制备了Co-N共掺杂碳纳米管-多孔碳氧还原催化剂(Co-N/CNT-C)。利用SEM、TEM、XRD、BET和电化学测试对催化剂组成、结构和电催化性能进行了表征。结果表明:Co-N/CNT-C-600在碱性电解质中的半波电位和极限电流密度与商业Pt/C催化剂相近,达到0.80 V和4.31 mA·cm^(-2),且循环稳定性和耐久性优于Pt/C催化剂。优异的催化性能归因于以下两点:Co-N/CNT-C-600中大量碳纳米管作为纳米级电子导体,有效加速了反应过程中的电子传递速率;被锚定在碳纳米管和多孔碳内部的催化活性位点,有效防止了连续电极反应过程中金属离子的迁移和团聚。

MoO_(3)界面修饰提升刮涂钙钛矿太阳电池性能

在空穴传输层Spiro-OMeTAD和Ag电极之间引入三氧化钼(MoO_(3))空穴修饰层,并研究其对空气中刮涂的钙钛矿太阳电池光伏性能的影响,结合导电性测试、稳态光致发光光谱和水接触角测试等探究其影响机制。实验和测试结果表明MoO_(3)可提升空穴传输能力和减小界面电阻,同时对下方的Spiro-OMeTAD及钙钛矿起到保护作用,可减缓空气中水氧侵蚀。基于MoO_(3)界面修饰层的在空气中刮涂制备的钙钛矿太阳电池光电转换效率由15.14%提升至18.30%,尤其是填充因子的平均值由60%提升至76%,电池稳定性得到改善,未封装电池在400 h后仍保持初始效率的90%。

质子交换膜燃料电池均温板散热特性的数值分析

以面向质子交换膜燃料电池电堆散热的超薄均温板为研究对象,用多孔介质传热模型、层流模型和Brinkman方程构建三维稳态数值模型,通过质量守恒确定气液界面的相变传质,研究在吸液芯饱和充液的常规工况下均温板的稳态特性。结果表明:超薄结构以及支撑柱的存在使内部压降较大;随着冷凝段对流换热系数的增大,均温性变差,内部压降也显著增大;随着热流密度的增大,温差先增大后减小,热阻持续下降;孔隙率的变化对平衡终态影响较小;渗透率的增大将极大的降低吸液芯内的液体压降,有利于相变循环。

管式PECVD制备原位掺杂多晶硅的性能研究

报道了管式等离子体增强化学气相沉积(PECVD)的各项沉积参数对硅太阳电池重掺杂多晶硅钝化接触(SiO_(x)/Poly-Si(n^(+)))的影响。TOPCon太阳电池的掺杂多晶硅是通过对沉积的非晶硅高温晶化来实现的,通过改变PECVD的沉积温度、Ar和PH_(3)的流量、沉积功率等沉积参数,可获得不同厚度、结晶度和掺杂浓度的掺杂非晶硅(a-Si(n^(+)))薄膜,然后通过高温退火得到不同的Poly-Si(n^(+))薄膜,从而导致SiO_(x)/Poly-Si(n^(+))钝化接触在钝化质量和载流子选择性等方面的不同特性。最后在沉积温度480℃、Ar流量8 L/min、PH_(3)流量0.8 L/min、沉积功率12000 W、退火温度920℃的条件下获得最佳双面SiO_(x)/Poly-Si(n^(+))/SiN_(x)钝化接触,少子寿命达到6445μs,隐含开路电压(iV_(oc))达到742.7 mV以上,单面饱和电流密度J_(0)低至4.2 fA/cm^(2)。

TOPCon太阳电池单面沉积Poly-Si的工艺研究

目前隧穿氧化层钝化接触(TOPCon)电池制造技术越来越成熟,所耗成本不断降低。行业内普遍采用低压化学气相沉积(LPCVD)方式进行双面沉积或单面沉积。单面沉积存在Poly-Si绕镀问题,严重影响电池片转化效率和外观质量,同时正面绕镀层去除难度较大,在用碱溶液去除绕镀层的同时,存在绕镀层去除不彻底或者非绕镀区域P^(+)层被腐蚀的风险,导致P^(+)发射极受损,严重影响电池片外观质量与性能。双面沉积可避免上述问题,但产能减少一半,制造成本增加。本文对单面沉积Poly-Si工艺及绕镀层去除工艺进行研究,在TOPCon电池正面及背面制作了一层合适厚度的氧化层掩膜,搭配合适的清洗工艺、去绕镀清洗工艺,既可有效地去除P^(+)层绕镀的Poly-Si,也可很好地保护正面P^(+)层及背面掺杂Poly-Si层不受破坏,同时可大幅提升产能。

小型核磁共振陀螺无磁加热线圈设计与仿真

针对小型核磁共振陀螺原子气室加热与剩磁抑制要求,设计了一种用于毫米级原子气室的无磁加热线圈。利用热-磁仿真分析了加热线圈结构参数和加热电流对原子气室温度和剩磁的影响规律。针对给定的原子气室加热方案,开展了加热线圈结构和电流参数优化。设计结果表明:原子气室内部最大直流剩磁<0.3 nT,所设计的加热线圈和方案满足样机气室无磁加热要求。

腔增强热里德伯原子光谱

高精度里德伯原子光谱在研究里德伯原子间的相互作用、里德伯能级结构、电磁场的精密测量等方面具有重要的应用价值,里德伯原子光谱对比度、信噪比的提高和线宽的压窄是获得高灵敏测量的基础.本文通过理论和实验研究了腔增强的里德伯原子光谱,与自由空间的光谱相比实现了在光谱线宽不变情况下11.5倍的光谱对比度和信噪比的提高.其原因是在双光子共振处产生的电磁诱导透明和光泵浦效应会导致腔内原子对探测光吸收的减弱,提高了光学腔的阻抗匹配效率,从而使进入腔内的光强增大,因此提高了里德伯原子光谱的对比度和信噪比,提高的倍数取决于探测光穿过原子的透射率.预期通过优化铯原子温度,光谱的对比度和信噪比能够提高23倍.本工作为提高里德伯原子光谱的对比度和基于里德伯原子的精密测量灵敏度提供了参考.

基于MEMS原子气室的饱和吸收稳频系统研究

利用微机电系统(MEMS)制造工艺制备微型铷(Rb)原子气室,并应用于饱和吸收光谱和激光稳频。通过深反应离子刻蚀和阳极键合工艺,实现玻璃-硅-玻璃“三明治”结构三腔型原子气室。以780 nm波长的外腔半导体激光器作为饱和吸收光谱光源,搭建了基于MEMS Rb原子气室的饱和吸收光谱稳频桌面系统,实现了对MEMS气室控温加热,并分析了对不同温度、不同激光功率条件下的饱和吸收谱线。基于锁相放大器实现频率锁定,利用拍频方法对系统频率稳定度进行评估,实验结果表明:积分时间为1 s和100 s时的频率稳定度分别为2.7×10^(-11)和6.3×10^(-12)。

K-Rb双碱金属混合光抽运原子气室制备与测试

原子气室是SERF(无自旋交换弛豫)陀螺仪敏感载体转动信息的核心器件,其原子弛豫时间等参数是影响SERF陀螺仪性能的重要因素。采用39K-87Rb双碱金属混合填充的原子气室制造工艺,通过双碱金属工作介质的混合光抽运检测技术对气室性能进行了测试,制备出边长8 mm,壁厚1 mm的立方体原子气室。实验结果表明,39K-87Rb-129Xe混合原子气室中129Xe原子弛豫时间达到51.7 s,较单一碱金属填充方式的22 s,双碱金属混合光抽运的方式有效提升了原子气室中原子弛豫时间,为研制高精度SERF陀螺仪奠定了坚实基础。

基于MEMS技术的原子气室封装工艺

在基于MEMS技术原子气室的制备工艺中,难度较大的是碱金属的填充技术及阳极键合封装工艺,该工艺流程直接影响原子气室的质量。为进一步简化原子气室的制备工艺,设计了“双腔式”原子气室结构,采用先阳极键合,再化学反应的方法实现了原子气室批量化的封装。单个原子气室体积为6 mm×4 mm×2.5 mm,经氦气细检漏气率平均达到5×10^(-8)Pa·m^(3)·s^(-1),通过搭建实验平台,测得了不同温度下的原子气室D1线吸收谱线图,实验结果表明原子气室封装成功。

基于原子拉比共振的原子气室弛豫率测量

原子气室是量子精密测量仪器中的核心部件,原子弛豫率是原子气室的重要参数之一。针对原子弛豫率的测量,通过Comsol Multiphysics软件设计了一个微波腔,并模拟了原子气室内的微波传播过程,验证了微波腔设计的合理性。并搭建了一套测量原子气室弛豫率的系统,用快速傅里叶变换分析仪(FFT)测得了拉比共振的线型。通过处理实验数据,得到了原子气室弛豫率,比理论计算原子弛豫率更加方便准确。

原子气室玻壳残余应力消除方法研究

原子气室作为量子仪表的核心部件,其稳定性和寿命是决定量子仪表长期可靠工作的主要因素。在制备原子气室过程中,玻璃高温熔接产生的残余应力会影响气室的力学特性及光学性能,应力过大将导致气室在加工过程中发生炸裂,并在后期应力释放过程中出现裂纹,造成气室失效。测量和消除原子气室玻壳残余应力对提高原子气室的寿命和可靠性有重要意义。利用双折射应力测量仪对原子气室玻壳应力分布进行无损测量,测量结果具有良好的一致性和重复性。经过退火处理后,5支玻壳的应力最大值、平均值和标准差的平均值降幅分别达到81.35%、75.67%和77.32%,表明消除应力取得了良好的效果。

RbN_(3)分解时间对原子气室吸收光谱的影响

为了解决原子气室制备过程中碱金属原子定量填充难、稳定性差等问题,首先采用微电子机械系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)技术,结合碱金属叠氮化物的光分解方法,通过深硅刻蚀、RbN_(3)溶液定量填充、两次阳极键合、紫外光辐照等工艺成功制备出不同RbN_(3)分解时间的原子气室,然后采用自行搭建的吸收光谱测试装置对不同RbN_(3)分解时间的原子气室进行测试,研究不同RbN_(3)分解时间对原子气室内Rb原子吸收峰强度、半高宽和频移的影响。实验结合理论分析发现:RbN_(3)分解时间为3.5 h时,Rb原子吸收峰强度最大,能够满足高质量原子气室制备的要求,为高质量原子气室的制备提供了重要技术借鉴,为推动基于MEMS原子气室的芯片化计量测试传感技术的发展奠定基础。

芯片级原子钟研究进展

芯片级原子钟是一种小体积、低功耗的高精度时钟,适合作为便携式时频设备广泛应用于科学研究、生产生活、军事领域等方面。本文介绍了芯片级原子钟的国内外研究进展,阐述了芯片级原子钟的原理及研制的关键技术,介绍了芯片级原子钟的发展方向,并对我国芯片级原子钟的战略发展方向进行了展望。