ENG
РУС
Поиск
Меню
О журнале
Политика открытого доступа
Редакционная коллегия
Редакционная политика
Редакционная этика
Правила рецензирования статей
Требования к оформлению статей
Формы представляемых документов
Рекомендации по оформлению ссылок на наш журнал
Редакция
Информация для подписчиков
Аннотации номера
Список авторов
Выпуски
Лицензионное соглашение
Порядок работы с персональными данными
Публикации
2024
2023
2022
2021
2020
2019
2018
2017
2016
2015
2014
2013
2012
2011
2010
2009
2008
2007
2006
2005
2004
2003
2002
2001
Главный редактор

НИКИФОРОВ
Владимир Олегович
д.т.н., профессор
Партнеры













































doi: 10.17586/2226-1494-2024-24-3-438-447

УДК 544.3

Анализ химических взаимодействий при заполнении цезием газовой ячейки квантового магнитометра

Юльметова О.С., Щербак А.Г., Решетняк П.Е., Завитаев А.С., Шевченко А.Н., Юльметова Р.Ф.


Читать статью полностью 
Язык статьи - русский

Ссылка для цитирования:
Юльметова О.С., Щербак А.Г., Решетняк П.Е., Завитаев А.С., Шевченко А.Н., Юльметова Р.Ф. Анализ химических взаимодействий при заполнении цезием газовой ячейки квантового магнитометра // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2024. Т. 24, № 3. С. 438–447. doi: 10.17586/2226-1494-2024-24-3-438-447


Аннотация
Введение. Представлены результаты разработки и исследования технологического процесса изготовления сферических газовых ячеек. Подобные ячейки применяются в квантовых приборах, таких как магнитометры, гироскопы и атомные часы. Их работа основана на оптической накачке и детектировании состояния паров щелочных металлов, в частности, цезия. Для увеличения времени жизни спин-поляризации цезия ячейку заполняют буферным инертным газом. Качество изготовления ячейки напрямую влияет на такие характеристики приборов как ширина линий резонансов и достижимое отношение сигнал/шум. Предложенная технология изготовления ячеек позволяет упростить технологический процесс, исключает применение специализированного оборудования, повышает воспроизводимость результатов, связанных с химическими реакциями щелочного металла с посторонними примесями в буферном газе. Это достигается путем детектирования формируемых соединений и их исключения из состава газовой среды ячеек за счет выбора обоснованной последовательности технологических операций в цикле изготовления ячеек. Метод. Применение традиционных методов рентгенофазового анализа связано с необходимостью разгерметизации стеклянной капсулы с цезием и неизбежной реакцией цезия с компонентами воздушной среды. В работе предложена двухэтапная аналитическая оценка состава газовой смеси. На первом этапе определяется термодинамическая разрешенность всех возможных реакций в системе цезий-азот-примесный кислород. На втором этапе сопоставляется цветовая гамма спектров экспериментально полученных продуктов реакций с цветом продуктов термодинамически разрешенных взаимодействий. Основные результаты. Термодинамический анализ на основе двухэтапного подхода позволил выявить формирование субоксидов цезия в газовой ячейке при нагреве в интервале температур 273–700 К. Для их исключения из состава ячейки предложена последовательность операций. Она включает в себя формообразование стеклодувным методом ампулы, имеющей технологическую цилиндрическую часть, и соединенную с ней перетяжкой сферическую ячейку. В технологическую часть ампулы закладывается капсулированный в стеклянную оболочку цезий высокой чистоты, после чего проводится вакуумирование ампулы. После вскрытия капсулы с цезием осуществляется температурная перегонка чистого цезия в сферическую зону. Технологический процесс завершается заполнением ячейки буферным газом, после чего она отпаивается. Обсуждение. Отсутствие нагрева при заполнении азотом существенно упрощает технологический процесс и минимизирует в газовой смеси количество посторонних примесей в виде субоксидов цезия.

Ключевые слова: газовая ячейка, цезий, субоксиды цезия, буферный газ, энергия Гиббса, химическая термодинамика, лазерная спектроскопия

Благодарности. Авторы выражают благодарность А.Г. Михелю за изготовление стеклодувным методом ампул, использованных в экспериментальных исследованиях, М.М. Дементьеву за помощь в организации работ по вакуумированию и заполнению ампул азотом, а также проведению спектральных измерений.

Список литературы
  1. Вершовский А.К., Литманович Ю.А., Пазгалев А.С., Пешехонов В.Г. Гироскоп на ядерном магнитном резонансе: предельные характеристики // Гироскопия и навигация. 2018. Т. 26. № 1. С. 55–80. https://doi.org/10.17285/0869-7035.2018.26.1.055-080
  2. Pei H., Duan L., Ma L., Fan S., Cai Z., Wu Z., Fan W., Quan W. Real-time quantum control of spin-coupling damping and application in atomic spin gyroscopes // Cell Reports Physical Science. 2024. V. 5. N 2. P. 101832. https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2024.101832
  3. Li R., Quan W., Fan W., Xing L., Fang J. Influence of magnetic fields on the bias stability of atomic gyroscope operated in spin-exchange relaxation-free regime // Sensors and Actuators A: Physical. 2017. V. 266. P. 130–134. https://doi.org/10.1016/j.sna.2017.09.023
  4. Jie S., Liu Z., Wang J., Zhang S., Zhao K. Calibration of the coil constants and nonorthogonal angles of triaxial NMR coils based on in-situ EPR magnetometers // Journal of Magnetic Resonance. 2024. V. 360. P. 107634. https://doi.org/10.1016/j.jmr.2024.107634
  5. Ranjbaran M., Tehranchi M.M., Hamidi S.M., Khalkhali S.M.H. Relaxation time dependencies of optically detected magnetic resonance harmonics in highly sensitive Mx magnetometers // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2019. V. 469. P. 522–530. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2018.09.031
  6. Knapkiewicz P. Technological assessment of MEMS alkali vapor cells for atomic references // Micromachines. 2019. V. 10. N 1. P. 25. https://doi.org/10.3390/mi10010025
  7. Wolters J., Buser G., Horsley A., Béguin L., Jöckel A., Jahn J.P., Warburton R.J., Treutlein P. Simple atomic quantum memory suitable for semiconductor quantum dot single photons // Physical Review Letters. 2017. V. 119. N 6. P. 060502. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.119.060502
  8. Katz O., Firstenberg O. Light storage for one second in room-temperature alkali vapor // Nature Communications. 2018. V. 9. P. 2074. https://doi.org/10.1038/s41467-018-04458-4
  9. Zugenmaier M., Dideriksen K.B., Sørensen A.S., Albrecht B., Polzik E.S. Long-lived non-classical correlations towards quantum communication at room temperature // Communications Physics. 2018. V. 1. P. 76. https://doi.org/10.1038/s42005-018-0080-x
  10. Kobtsev S., Radnatarov D., Khripunov S., Popkov I., Andryushkov V., Steshchenko T., Lunin V., Zarudnev Y. Feedback-controlled and digitally processed coherent population trapping resonance conversion in 87Rb vapour to high-contrast resonant peak // New Journal of Physics. 2017. V. 19. N 4. P. 043016. https://doi.org/10.1088/1367-2630/aa68b9
  11. Chi H., Quan W., Zhang J., Zhao L., Fang J. Advances in anti-relaxation coatings of alkali-metal vapor cells // Applied Surface Science. 2020. V. 501. P. 143897. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2019.143897
  12. Wang X., Li J., Liu Z., Wu Z., Shao Y. Optimizing 129Xe and 131Xe relaxation in an NMR gyroscope using buffer gas pressure and wall coating // Journal of Magnetic Resonance. 2023. V. 352. P. 107430. https://doi.org/10.1016/j.jmr.2023.107430
  13. Шевченко А.Н., Захарова Е.А. Исследование зависимости качества резонанса от распределения цезия в ячейке квантового датчика вращения // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2019. Т. 19. № 4. С. 567–573. https://doi.org/10.17586/2226-1494-2019-19-4-567-573
  14. Woetzel S., Talkenberg F., Scholtes T., IJsselsteijn R., Schultze V., Meyer H.-G. Lifetime improvement of micro-fabricated alkali vapor cells by atomic layer deposited wall coatings // Surface & Coatings Technology. 2013. V. 221. P. 158–162. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2013.01.044
  15. Gibbs J.W., Bumstead H.A., Van Name R.G., Longley W.R. The Collected Works of J. Willard Gibbs: In two volumes, Longmans, Green and Co., 1928.
  16. Scherbak A.G., Yulmetova O.S. Contrast image formation based on thermodynamic approach and surface laser oxidation process for optoelectronic read-out system // Optics and Laser Technology. 2018. V. 101. P. 242–247. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2017.11.030
  17. Tit M.A., Yulmetova O.S., Sisyukov A.N. Analysis of niobium thin film modification based on thermodynamic approach // Proc. of the 2020 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (EIConRus). 2020. P. 1049–1052. https://doi.org/10.1109/EIConRus49466.2020.9038932
  18. Yulmetova O.S., Scherbak A.G. Composition analysis of thin films formed on beryllium surfaces under pulsed laser action by the method of chemical thermodynamics // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2018. V. 97. N 9-12. P. 3231–3236. https://doi.org/10.1007/s00170-018-2216-2
  19. Tit M.A., Yulmetova O.S., Andreeva V.D., Sisyukov A.N., Yulmetova R.F. Application of niobium nitride thin films for improvement of performance characteristics of cryogenic gyroscope // Proc. of the 2021 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (ElConRus). 2021. P. 1232–1235. https://doi.org/10.1109/ElConRus51938.2021.9396714
  20. Плющев В.Е., Степин Б.Д. Химия и технология соединений лития, рубидия и цезия. М.: Химия, 1970. 408 с.
  21. Власова М.А., Чалков В.В., Шевченко А.Н. Особенности применения VCSEL-лазеров в установке по контролю параметров газовых ячеек квантовых датчиков // XI конгресс молодых ученых: сборник научных трудов. Т. 1. СПб.: Университет ИТМО, 2022. С. 68–71.
  22. Lebedev V., Hartwing S., Middelmann T. Fast and robust optically pumped cesium magnetometer // Advanced Optical Technologies. 2020. V. 9. N 5. P. 275–286. https://doi.org/10.1515/aot-2020-0024
  23. Bison G., Wynands R., Weis A. Optimization and performance of an optical cardiomagnetometer // Journal of the Optical Society of America B. 2005. V. 22. N 1. P. 77–85. https://doi.org/10.1364/JOSAB.22.000077
  24. Fabricant A., Novikova I., Bison G. How to bild a magnetometer with thermal atomic vapor: a tutorial // New Journal of Physics. 2023. V. 25. N 2. P. 025001. https://doi.org/10.1088/1367-2630/acb840
  25. Вершовский А.К., Дмитриев С.П., Козлов Г.Г., Пазгалев А.С., Петренко М.В. Проекционный спиновый шум в оптических квантовых датчиках на тепловых атомах // Журнал технической физики. 2020. Т. 90. № 8. С. 1243–1253. https://doi.org/10.21883/JTF.2020.08.49533.438-19
  26. Багал Л.И. Химия и технология инициирующих взрывчатых веществ. М.: Машиностроение, 1975. 456 с.
  27. Heimel S. Thermodynamic Properties of Cesium up to 1500oK. NASA TN D-2906. 1965. 33 p.
  28. Локшин Э.П., Воскобойников Н.Б. Рубидий и цезий = Rubidium and cesium. Апатиты: Кольский научный центр РАН, 1996. 168 с.
  29. Patton B., Ishikawa K., Jau Y.-Y., Happer W. Intrinsic impurities in glass alkali-vapor cells // Physical Review Letters. 2007. V. 99. N 2. P. 027601. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.99.027601
  30. Соколов А.Н., Щедринский М.З., Бебяков В.М., Воробьев М.Г., Синькова В.А., Сухарев К.Н., Розанов Л.Н. Исследование парциальных давлений газов в вакуумном объеме с применением многофункционального высоковакуумного откачного агрегата // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2021. № 3. С. 5–10.
  31. Коровин Н.В., Масленникова Г.Н., Мингулина Э.И., Филиппов Э.Л. Курс общей химии. М.: Высшая школа, 1990. С. 109–110, 140–141.
  32. Pitz G.A., Wertepny D.E., Perram G.P. Pressure broadening and shift of the cesium D1 transition by the noble gases and N2, H2, HD, D2, CH4, C2H6, CF4, and 3He // Physical Review A. 2009. V. 80. N 6. P. 062718. https://doi.org/10.1103/PHYSREVA.80.062718


Creative Commons License

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License
Информация 2001-2024 ©
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики.
Все права защищены.

Яндекс.Метрика