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用于控制蒸气单元中的对象材料的蒸气压的技术和相关方法

申请号 CN202180100486.4 申请日 2021-10-26 公开(公告)号 CN117616349A 公开(公告)日 2024-02-27
申请人 微芯片技术股份有限公司; 发明人 R·卢特瓦克;
摘要 使用蒸气单元的方法可涉及提供包括主体的蒸气单元,该主体限定在该主体内的腔。该蒸气单元在该腔内的至少一个表面的至少一部分可包括至少一个孔,该至少一个孔具有约500微米或更小的平均尺寸,如在平行于该至少一个表面的方向上测量的。可通过引起在该至少一个孔内的处于液态的对象材料的暴露表面具有与处于液态的该对象材料的该暴露表面在平坦的无孔表面上将具有的形状不同的形状来利用该至少一个孔控制在该腔内的对象材料的蒸气压。
权利要求

1.一种使用蒸气单元的方法,包括:
提供包括主体的蒸气单元,所述主体限定在所述主体内的腔,所述蒸气单元在所述腔内的至少一个表面的至少一部分包括至少一个孔,所述至少一个孔包括约500微米或更小的平均尺寸,如在平行于所述至少一个表面的方向上测量的;以及
通过引起在所述至少一个孔内的处于液态的对象材料的暴露表面具有与处于液态的所述对象材料的所述暴露表面在平坦的无孔表面上将具有的形状不同的形状来利用所述至少一个孔控制在所述腔内的对象材料的蒸气压。
2.根据权利要求1所述的方法,还包括利用所述至少一个孔引起在所述至少一个孔内的处于所述液态的所述对象材料的负弯月面为凹形。
3.根据权利要求2所述的方法,其中引起在所述至少一个孔内的处于所述液态的所述对象材料的所述负弯月面为凹形包括使邻近所述至少一个孔的处于蒸气状态的所述对象材料的蒸气压低于接近所述平坦的无孔表面的所述对象材料的蒸气压。
4.根据权利要求1所述的方法,包括选择所述对象材料以包括金属材料。
5.根据权利要求1所述的方法,选择所述对象材料以包括碱金属材料的混合物。
6.根据权利要求1所述的方法,其中所述至少一个孔包括微孔阵列、纳米孔阵列或微孔和纳米孔阵列。
7.根据权利要求1所述的方法,其中提供所述蒸气单元包括提供所述蒸气单元使得所述主体在所述腔内的至少一个表面包括所述至少一个孔。
8.根据权利要求1所述的方法,其中提供所述蒸气单元包括提供所述蒸气单元使得在所述腔内的离散材料体包括所述蒸气单元在所述腔内的包括所述至少一个孔的所述至少一个表面,所述离散材料块体与所述主体离散。
9.根据权利要求8所述的方法,其中提供所述蒸气单元使得在所述腔内的所述离散材料块体包括所述至少一个表面包括提供所述蒸气单元使得所述离散材料块体附接到在所述腔内的所述主体。
10.根据权利要求8所述的方法,其中提供所述蒸气单元使得在所述腔内的所述离散材料块体包括所述至少一个表面包括提供所述蒸气单元使得所述腔的几何形状将所述离散材料块体的位置约束在所述腔内的特定位置中。
11.根据权利要求1所述的方法,包括利用朝向所述蒸气单元取向的辐射源将辐射朝向在所述蒸气单元内的所述对象材料指引。
12.根据权利要求1所述的方法,其中提供所述蒸气单元包括提供所述蒸气单元使得所述至少一个表面的平均表面粗糙度形成所述至少一个孔。
13.根据权利要求1所述的方法,其中提供所述蒸气单元包括提供所述蒸气单元使得所述至少一个孔的所述平均尺寸在5nm与1微米之间。
14.一种蒸气单元,包括:
主体,所述主体限定在所述主体内的腔;和
在所述腔内的至少一个表面,所述至少一个表面包括至少一个孔,所述至少一个孔包括约500微米或更小的平均尺寸,如在平行于所述至少一个表面的方向上测量的,所述至少一个孔的大小、形状、位置和构造被设定成通过引起在所述至少一个孔内的处于液态的对象材料的暴露表面具有与处于液态的所述对象材料的所述暴露表面在平坦的无孔表面上将具有的形状不同的形状来利用所述至少一个孔控制在所述腔内的对象材料的蒸气压。
15.根据权利要求14所述的蒸气单元,包括位于所述腔内的所述对象材料,所述对象材料包括碱金属材料。
16.根据权利要求14所述的蒸气单元,其中在所述腔内的所述至少一个表面包括材料。
17.根据权利要求14所述的蒸气单元,其中在所述腔内的所述至少一个表面包括所述主体的至少一个表面,所述主体至少部分地限定所述腔。
18.根据权利要求14所述的蒸气单元,其中在所述腔内的所述至少一个表面包括在所述腔内的离散材料块体,所述离散材料块体与所述主体离散。
19.根据权利要求14所述的蒸气单元,其中所述至少一个孔的所述平均尺寸在5nm与1微米之间。
20.根据权利要求14所述的蒸气单元,其中所述至少一个表面的平均表面粗糙度在5nm与1微米之间。
21.一种制作蒸气单元的方法,包括:
形成蒸气单元的主体,所述主体限定在所述主体内的腔;
在所述蒸气单元在所述腔内的至少一个表面的至少一部分中形成包括约500微米或更小的平均尺寸的至少一个孔,所述至少一个孔是在平行于所述至少一个表面的方向上测量的;以及
将所述至少一个孔的大小、形状、位置和构造设定成通过引起在所述至少一个孔内的处于液态的对象材料的暴露表面具有与处于液态的所述对象材料的所述暴露表面在平坦的无孔表面上将具有的形状不同的形状来利用所述至少一个孔控制在所述腔内的对象材料的蒸气压。
22.根据权利要求21所述的方法,包括控制所述至少一个表面的平均表面粗糙度以形成所述至少一个孔。
23.根据权利要求22所述的方法,其中控制所述至少一个表面的所述平均表面粗糙度包括在所述至少一个表面上执行深反应离子蚀刻。

说明书全文

用于控制蒸气单元中的对象材料的蒸气压的技术和相关方法

[0001] 相关专利申请的交叉引用
[0002] 本申请根据35 U.S.C.§119(e)要求于2021年7月16日提交的名称为″EMPLOYING MICROPORE SURFACES FOR CONTROLLING ALKALI‑METAL VAPOR PRESSURE IN AN ATOMIC CLOCK AND RELATED VAPOR CELLS,ATOMIC CLOCK AND METHODS″的美国临时专利申请序列号63/203,322的优先权日的权益,该美国临时专利申请的公开内容据此通过该引用以其整体并入本文。

技术领域

[0003] 本公开整体涉及用于控制在针对原子钟和其它应用的蒸气单元中的对象材料的蒸气压的技术。更具体地,所公开的示例涉及用于控制金属蒸气压的结构和材料,该结构和材料可改善跨更广泛的温度范围的操作的可靠性。

背景技术

[0004] 根据开尔文方程: 蒸气压受表面张的影响。其中,P/Psat为压力与饱和压力的比率,γ为表面张力,Vm为液体的摩尔体积,r为液滴的半径,R为普适气体常数,并且T为绝对温度。蒸气压与多种操作环境相关,包括但不限于原子钟。
发明内容
[0005] 在一些示例中,使用蒸气单元的方法可涉及提供包括主体的蒸气单元,该主体限定在主体内的腔。蒸气单元在腔内的至少一个表面的至少一部分可包括至少一个孔,该至少一个孔具有约500微米或更小的平均尺寸,如在垂直于至少一个表面的方向上测量的。可通过引起在至少一个孔内的处于液态的对象材料的暴露表面具有与处于液态的对象材料的暴露表面在平坦的无孔表面上将具有的形状不同的形状来利用至少一个孔控制对象材料的蒸气压。
[0006] 在其它示例中,蒸气单元可包括主体,该主体限定在主体内的腔。蒸气单元在腔内的至少一个表面可包括至少一个孔,该至少一个孔具有约500微米或更小的平均尺寸,如在与至少一个表面平行的方向上测量的。至少一个孔的大小、形状、位置和构造可被设定成通过引起在至少一个孔内的处于液态的对象材料的暴露表面具有与处于液态的对象材料的暴露表面在平坦的无孔表面上将具有的形状不同的形状来控制在腔内的对象材料的蒸气压。
[0007] 在其它实施方案中,制作蒸气单元的方法可涉及形成蒸气单元的主体,该主体限定在主体内的腔。可在腔内的蒸气单元的至少一个表面的至少一部分中形成包括小于500微米的平均尺寸的至少一个孔,该平均尺寸是在与至少一个表面平行的方向上测量的。至少一个孔的大小、形状、位置和构造可被设定成通过引起在至少一个孔内的处于液态的对象材料的暴露表面具有与处于液态的对象材料的暴露表面在平坦的无孔表面上将具有的形状不同的形状来控制在腔内的对象材料的蒸气压。附图说明
[0008] 虽然本公开以特别指出并清楚地要求保护具体实施方案的权利要求书作为结尾,但当结合附图阅读时,通过以下描述可更容易地确定本公开范围内的实施方案的各种特征和优点。在附图中:
[0009] 图1A和图1B是蒸气单元的示意性横截面侧视图示例;
[0010] 图2A、图2B和图2C是蒸气单元的其它示例的示意性横截面侧视图;
[0011] 图3是限定暴露于蒸气单元的腔的一个或多个孔的结构的放大的示意性横截面侧视图;
[0012] 图4是描绘使用蒸气单元的例示性方法的流程图
[0013] 图5是描绘制作蒸气单元的例示性方法的另一流程图;并且
[0014] 图6A和图6B是根据本公开的包括蒸气单元的例示性系统的示意图。

具体实施方式

[0015] 所公开的示例整体涉及用于针对作为非限制性示例的原子钟的微孔或纳米多孔表面的设计,作为非限制性示例,该微孔或纳米多孔表面可增加可实现可靠操作的温度范围。多孔表面在本文中也可被称为″毛细管″表面。更具体地,所公开的示例涉及用于控制(例如,抑制)蒸气压的多孔表面的设计。例如,蒸气单元中的至少一个表面可包括一个或多个孔,该一个或多个孔的尺寸、形状、位置和构造被设定成控制(例如,抑制)在蒸气单元中的对象材料的蒸气压。此类蒸气压控制可增加能够进行可靠操作的温度范围。一些具体的非限制性的所公开的示例可涉及修改原子蒸气单元的内壁的表面粗糙度以形成孔,或者在蒸气单元内放置包括孔的至少一个体(另选地被称为″离散块体″、″基底″、″球粒″或″一定量的非对象材料″)以降低容纳在其中的碱金属的蒸气压。当在高周围温度环境中操作时,其它具体的非限制性的所公开的示例可附加地或另选地降低蒸气单元原子钟的性能劣化。
[0016] 本公开所呈现的图示并不意味着为任何特定蒸气单元、包括蒸气单元的系统、包括一个或多个孔的块体或它们的部件的实际视图,而仅仅是用于描述例示性实施方案的理想化表示。因此,附图未必按比例绘制。此外,附图中的某些特征被标记为″任选的″,并且流程图中的某些动作以虚线描绘以清楚地指示那些动作是″任选的″。此类标记不应被解释为意味着未被标记为″任选的″的其它特征以及以实线描绘的流程图中的其它动作是必需的、关键的或以其它方式必需结合给定实施方案的。
[0017] 如本文所用,关于给定参数、属性或条件的术语″基本上″和″约″是指并且包括本领域普通技术人员将理解给定参数、属性或条件满足方差程度(诸如,在可接受的制造公差范围内)的程度。例如,基本上或约为指定值的参数可以是指定值的至少约90%、指定值的至少约95%、指定值的至少约99%或甚至指定值的至少约99.9%。
[0018] 如本文所用,术语″孔″意味着并且包括具有小于500微米的平均尺寸的表面特征,如在平行于限定孔所暴露于的腔的主表面的方向上测量的。例如,″孔″包括在材料内的可被环境流体(例如,空气、惰性气体)占据的空隙的互连三维网络。″孔″也包括例如凹陷、草痕、凹坑和具有小于500微米的平均尺寸的其它表面特征,其可测量为表面粗糙度。
[0019] 如本文所用,术语″微孔″意味着并且包括具有在1微米与500微米之间的平均尺寸的孔,如在平行于限定孔所暴露于的腔的主表面的方向上测量的。如本文所用,术语″纳米孔″意味着并且包括具有在1nm与999nm之间(即,在1nm与小于1微米之间)的平均尺寸的孔,如在平行于限定孔所暴露于的腔的主表面的方向上测量的。
[0020] 除非上下文另外指出,否则本文所述的材料的去除或表面改性可通过任何合适的技术来完成,包括但不限于蚀刻(例如,干法蚀刻、湿法蚀刻、气相蚀刻)、离子铣削研磨平坦化(例如,化学机械平坦化(CMP))或其它已知方法。
[0021] 蒸气单元原子钟(诸如芯片级原子钟(CSAC))的操作温度上限可不受限制地受到由于升高温度下的高密度碱金属蒸气引起的过度光学吸收和碰撞线加宽的限制。通过变更液体的外表面的形状,诸如,例如通过将液体容纳在毛细管内,可抑制液体上方的蒸气压。此类处理可适用于降低碱金属蒸气压。根据开尔文方程,当对象液体的液滴的曲率为凸形时,液滴的半径是正的,从而导致蒸气压大于饱和压力。当液滴的曲率为凹形时,液滴的半径是负的,从而导致蒸气压小于饱和压力。当蒸气压小于饱和压力时,蒸气单元可以为可操作的,从而跨更大的温度范围(例如,在约‑45℃与约250℃之间的温度)提供对象材料诸如,例如在高温(例如,90℃或更高的温度)下的更一致且可靠的行为。
[0022] 降低在原子钟的蒸气单元内的对象材料蒸气压可通过引入至少一个孔来实现,该至少一个孔利用在至少一个孔中的对象材料块体的表面张力来变更对象材料块体的形状。换句话说,与当在至少基本上平坦的无孔表面上时的对象材料的表面的形状相比,对象材料与孔的大小和形状之间的相互作用导致对象材料的表面的形状以期望的方式改变(例如,引入扰动)。
[0023] 图1A和图1B是蒸气单元100的示意性横截面侧视图示例。每个蒸气单元100可包括例如包含腔102的主体101。例如,主体101可包括形成主体101的一个或多个壁(例如,边界)的窗口106,剩余的侧壁105是不透明的。更具体地,窗口106可包括例如透明或半透明的酸盐玻璃材料,使得蒸气单元100的腔102能够通过窗口106被观察到。蒸气单元100的侧壁105可包括硅材料,诸如,例如当蒸气单元100被整合进芯片级原子钟或芯片级原子磁力仪时。
[0024] 窗口106的材料的透明度例如在将朝向腔引导的辐射波长内可以为约10%或更大。更具体地,窗口106的材料的透明度可例如在约10%与约99%之间。作为具体的非限制性示例,窗口106的材料的透明度可例如在约20%与约95%之间(例如,约25%、约50%、约75%)。
[0025] 至少一个孔103可定位蒸气单元100在腔102内侧的表面上。示例性孔103在图3中可见,该图描绘了孔103和表面的放大视图。腔102的大小、形状和构造可被设定成容纳一定量的对象材料104。在一些实施方案中,诸如图1A所示的实施方案,一个或多个侧壁105限定腔102的一个或多个部分可包括暴露于腔102的一个或多个孔103。例如,给定侧壁105的相关的一个或多个部分的材料本身可以为多孔的,并且侧壁105的该部分的孔103中的至少一些孔可暴露于腔102。更具体地,侧壁105的该部分可经受与用于侧壁105的剩余部分的处理不同的处理,以将孔隙率引入侧壁105的该部分中,诸如,例如通过形成微孔阵列、纳米孔阵列或微孔和纳米孔阵列。作为具体的非限制性示例,侧壁105的该部分可被表面粗糙化或以其它方式经受材料去除处理(例如,喷砂、蚀刻、磨碎)以在侧壁105的该部分中形成一个或多个孔103,该处理可不在侧壁105的剩余部分上执行,使得侧壁105的剩余部分可至少基本上没有孔103。可通过例如本领域已知的掩模技术来完成在侧壁105的表面的给定区域中选择性形成孔。通过非限制性示例,可采用硬掩模在表面中形成具有所需大小、形状和构造的至少一个孔。在一个非限制性示例中,侧壁105表现出一个或多个孔103的部分的表面粗糙度可在约5nm与约1微米之间。
[0026] 在其它示例中,诸如图1B所示的示例,一个或多个侧壁105限定腔102的至少基本上整体可包括暴露于腔102的一个或多个孔103。例如,给定侧壁105的材料本身可以为多孔的,并且侧壁105的孔103中的至少一些孔可暴露于腔102。更具体地,相应的侧壁105的整体可经受与用于一个或多个其它侧壁105的处理不同的处理,以将孔隙率引入相应的侧壁105。作为具体的非限制性示例,侧壁105暴露于并且限定腔102的该部分的整体可被表面粗糙化或以其它方式经受材料去除处理(例如,喷砂、蚀刻、磨碎)以在侧壁105中形成一个或多个孔103,该处理可不在侧壁105中的一个或多个其它侧壁上执行,使得侧壁105中的一个或多个其它侧壁可至少基本上没有孔。
[0027] 在一些示例中,在腔102内的多于一个表面可包括孔103,以将对象材料104的蒸气压定制成目标性能。例如,增加孔103可分布的面积可导致对在蒸气单元内的对象材料的量的灵敏度降低。至少一个孔103可被定位成不干扰诸如CSAC的器件中的源与检测器之间的光路。例如,孔103可定位在限定腔102的不透明侧壁105上,并且可从也限定腔102的透明窗口106省略。
[0028] 蒸气单元100的大小、形状和构造可被设定成使得辐射束能够穿过主体101并且进入腔102。例如,当蒸气单元100处于操作中时,主体101的窗口106可使得一个或多个波长或波长光谱的辐射能够穿过窗口106并且进入腔102。更具体地,窗口106可包括对朝向在腔102内的对象材料104引导的辐射(例如,在可见光谱、红外线辐射、紫外线辐射、微波辐射中)半透明或透明的材料(例如,硼硅酸盐玻璃)。
[0029] 腔102的大小、形状和构造可被设定成容纳对象材料104,当蒸气单元100处于操作中时,该对象材料的至少一部分可处于蒸气状态并且可被入射辐射冲击。蒸气单元100的横截面形状可以为任何合适的形状,诸如,例如正方形、椭圆形、圆形、矩形、多边形或不规则6 3
形状。蒸气单元100的腔102可具有例如约1×10mm或更小的体积。更具体地,蒸气单元100
3 6 3
的腔102的体积可例如在约0.1mm与约1×10mm之间。作为具体的非限制性示例,腔102的
3 5 3 3 3 3 3 4 3
体积可在约1mm与约5×10mm 之间(例如,约10mm、约100mm 、约1×10mm、约1×10mm 、约
5 3
1×10mm)。腔102可以为例如气密密封的。
[0030] 在图1A和图1B所示的示例中,腔102可由侧壁105和窗口106封闭。如图1A和图1B所示,窗口106可定位在限定腔102的相对的表面上,侧壁105垂直于窗口106取向并且在窗口之间延伸。在其它示例中,蒸气单元可包括更多或更少的窗口(例如,没有窗口、一个窗口、所有表面形成为窗口),侧壁可以倾斜度取向或者可相对于一个或多个窗口弯曲,一个或多个侧壁可位于与对应窗口中的一个或多个窗口相同的平面中,或者可以存在这些特征的任何组合或子组合。
[0031] 如图1A和图1B所示,一个孔103或多个孔103可直接位于限定腔102的表面中的一个或多个表面中,诸如,例如位于侧壁105中。例如,窗口106的材料、侧壁105的材料、或窗口106的材料和侧壁105的材料可限定一个孔103或多个孔103。又如,窗口106的材料、侧壁105的材料、或窗口106的材料和侧壁105的材料可当形成一个孔103或多个孔103时被改性,使得限定孔的材料可不同于形成窗口106、侧壁105或两者的材料的剩余部分的材料。更具体地,用于形成一个孔103或多个孔103的处理可变更限定一个孔103或多个孔103的表面的材料组分,或者限定一个孔103或多个孔103的表面的材料可在形成一个孔103或多个孔103之后有意地被变更。作为具体的非限制性示例,限定一个孔103或多个孔103的表面的材料可包括SiO2。
[0032] 如图1A所示,侧壁105包括一个孔103或多个孔103的部分可以集中在侧壁105的表面的单个离散区域中。在其它示例中,侧壁105可包括在侧壁105的表面积的不同区域中具有孔103的多个离散部分。离散部分的数量、由给定离散部分占据的表面积、由所有部分占据的总表面积、部分的形状、部分的位置、一个或多个部分中的孔103的大小和形状、或这些特征的任何组合或子组合可被构造成在针对蒸气单元100的预期操作条件下引起在腔102中的对象材料104的蒸气压在预定阈值内。
[0033] 如图1B所示,限定腔102的一个或多个侧壁105可包括暴露于腔102的孔103,并且限定腔102的一个或多个其它侧壁105可不含孔103。例如,侧壁105中的一个、一些或全部侧壁可以为多孔的和/或具有表面粗糙度以形成邻近腔102的孔103,并且侧壁105中的一个或一些侧壁可以为无孔的。
[0034] 图2A、图2B和图2C是蒸气单元200的其它示例的示意性横截面侧视图。蒸气单元200可包括限定腔202的主体201。限定主体201的大部分表面可由窗口206形成,如图2A、图
2B和图2C所示。例如,主体201的整体可由对预定波长的辐射透明的材料形成,使得主体201由窗口206构成,如图2A和图2B所示。更具体地,主体201可包括例如封闭腔202的透明材料的离散的单一块体。作为具体的非限制性示例,主体201可包括限定腔202的硼硅酸盐玻璃块体。又如,主体201的大部分或除一个表面之外的所有表面可由透明材料形成,使得主体
201很大程度上由一个窗口206或多个窗口206构成,如图2C所示。更具体地,主体201可包括例如限定第一部分并且形成腔202的大部分的透明材料的第一块体和限定第二不同部分并且形成腔202的少部分的不透明材料的第二块体。作为具体的非限制性示例,主体201可包括位于硅材料块体周围并且固定硅材料块体的硼硅酸盐玻璃块体,该硅材料块体仅形成限定腔202的一个表面。
[0035] 包括一个或多个孔203的至少一个块体210可被引入腔202内侧。本文所公开的块体210可另选地被称为″离散块体″、″基底″、″球粒″或″一定量的非对象材料″。块体210可包括能够限定孔203并且在针对蒸气单元200的腔202的预期操作条件下适用的任何材料。例如,块体210的材料可不与在腔202内的对象材料204、大气材料以及主体201的材料反应。更具体地,块体210可包括例如硅材料。块体210可包括暴露于腔202的内部的一个或多个孔203。
[0036] 如图2A所示,块体210或可在腔202内可移动。例如,块体210可以被主体201限制在腔202内,并且可以其它方式从主体201和在腔内的任何其它结构脱离并且不受其约束。更具体地,块体210可例如在腔202内自由移动,而不与限定腔202的主体201的壁有任何物理、化学或其它附着。作为具体的非限制性示例,块体210可与主体201离散并且相对于主体自由移动,限定腔202的主体201的壁形成对块体210在腔202内的移动的唯一约束。
[0037] 如图2B所示,块体210可附接到主体201并可随其移动。例如,块体210可利用托架208、粘合剂207、或这些和/或用于将块体210在由主体201限定的腔202内附接到主体201的其它技术的组合或子组合来附接到主体。
[0038] 如图2C所示,块体210可形成部分地限定腔202的侧壁并且附接到主体201的剩余部分。例如,主体201的剩余部分的材料可以可变形状态设置在块体210周围,并且随后在块体210周围固定就位以将块体210附连到主体201的剩余部分。更具体地,窗口206的材料可以可变形状态(例如,当从硼硅酸盐玻璃材料喷吹窗口206时)定位在块体210的材料周围,并且在窗口206冷却时,块体210可附接到窗口206包围块体210的对应部分的一部分,使得块体210可形成限定腔202的一个表面,并且窗口206可形成限定腔202的表面的剩余部分。腔202的几何形状可将块体210的位置约束在腔202内的特定位置中。更具体地,主体201的处于加热的粘性状态的硼硅酸盐玻璃可被放置在块体210的表面周围并且与其接触,并且主体201可被冷却到更高粘度或固态以将块体210附接到主体201的剩余部分。作为具体的非限制性示例,可使用阳极键合将主体201和块体210键合在一起。
[0039] 在一些示例中,块体210的大小、形状、数量和孔隙率可被构造成将对象材料204的蒸气压定制成目标性能。例如,减小在块体210上的孔203的大小可导致最大温度的对应增加,在该最大温度,在蒸气单元200内的蒸气压可在指定的目标值内。又如,增加孔203的大小可导致最小温度的对应降低,在该最小温度,在蒸气单元200内的蒸气压可在指定的目标值内。
[0040] 图3是限定暴露于蒸气单元的腔302的一个或多个孔303的结构的放大的示意性横截面侧视图。孔303的平均尺寸312可以为例如约500微米或更小。更具体地,与腔302流体连通的孔303的平均尺寸312可例如在约5nm与约500微米之间,如在平行于限定孔303可暴露于的腔302的表面的方向上测量的。作为具体的非限制性示例,暴露于腔302的孔303的平均尺寸312可例如在约25nm与约100微米之间(例如,约50nm、约100nm、约500nm、约1微米、约25微米、约50微米、约75微米)。
[0041] 孔303的大小和形状可被设定成使得在孔303内的处于流体状态的对象材料304的块体的弯月面309能够具有与处于液态的对象材料304的暴露表面在平坦的无孔表面上将具有的形状不同的形状。例如,在孔303内的处于流体状态的对象材料304的块体的弯月面309的半径可以为负的(即,弯月面309可以为凹形)。更具体地,孔303的大小和形状可通过毛细管作用(例如,孔303可包括毛细管)引起处于流体状态的对象材料304的弯月面309具有凹形形状,使得对象材料304在孔303的中心的高度小于对象材料304在孔303的壁附近的高度。
[0042] 控制在孔303内的处于流体状态的对象材料304的弯月面309的形状可影响在腔302内的对象材料304的蒸气压。例如,引起在腔302内的处于液态的对象材料304的弯月面
309具有负半径可导致在腔302内的对象材料304的蒸气压小于在腔302内的处于蒸气状态的对象材料304的饱和压力。更具体地,孔303的大小和形状以及在孔303内的对象材料304的弯月面309的对应大小和形状可导致在腔302内的对象材料304的较大比例处于液态,而不是对象材料304的在不存在孔303情况下将处于液态的比例。作为具体的非限制性示例,孔303的存在、大小和形状可引起对象材料304从蒸气到液体的局部相变
[0043] 图4是描绘使用蒸气单元的例示性方法400的流程图。方法400可涉及例如提供包括主体的蒸气单元,该主体限定在主体内的腔,如在动作402处示出的。蒸气单元在腔内的至少一个表面的至少一部分可包括至少一个孔,该至少一个孔具有约500微米或更小的平均尺寸,如在与至少一个表面平行的方向上测量的,如也在动作402处示出的。更具体地,可提供图1A、图1B、图2A、图2B和图2C中描绘的蒸气单元100、200中的一个或多个。在一些示例中,蒸气单元包括一个或多个孔的至少一个表面可以为蒸气单元限定腔的主体的表面。在其它示例中,蒸气单元包括一个或多个孔的至少一个表面可以为与主体离散并且位于腔内的块体。
[0044] 可控制在腔内的对象材料的蒸气压,如在动作404处指示的。对蒸气压的控制可通过以下方式实现:例如,在具有一个或多个孔的主体的腔内提供对象材料,确保在腔内的对象材料的量不足以在预期的操作条件下使一个或多个孔完全饱和(例如,完全占据),并且控制在腔内的压力和温度(例如,通过在腔内引起所选择的压力,通过将热量传递到腔或从腔传递热量,通过将蒸气单元暴露于操作环境中的条件)以引起对象材料的一部分在腔内处于蒸气状态并且对象材料的另一部分在一个或多个孔内处于液态。在一些示例中,可引起在至少一个孔内的处于液态的对象材料的暴露表面具有与处于流体液态的对象材料的暴露表面在平坦的无孔表面上将具有的形状不同的形状,如也在动作404处指示的。更具体地,在一些示例中,可引起处于液态的对象材料的弯月面为凹形,如在动作406处进一步指示的,从而使对象材料的蒸气压低于对象材料在腔中的饱和压力。作为具体的非限制性示例,在腔内的孔的大小、形状和位置可通过毛细管作用引起在孔内的处于液态的对象材料具有凹形形状。
[0045] 在一些示例中,辐射可利用朝向蒸气单元取向的辐射源朝向在蒸气单元内的对象材料引导,如在动作408处指示的。可通过至少一个孔控制对象材料的弯月面的形状以影响蒸气压来引起对象材料从气相到液相的相变。
[0046] 在一些示例中,在操作蒸气单元时控制蒸气压可使得结合蒸气单元的原子钟或磁力仪能够以范围在约‑45℃至约250℃内的操作温度可靠地操作,如在动作410处指示的。更具体地,根据本公开的蒸气单元可使得结合蒸气单元的原子钟或磁力仪能够以范围在约‑45℃至约125℃内的操作温度可靠地操作。
[0047] 当根据本公开操作蒸气单元时,具有腔的蒸气单元可被放置在可由辐射源发射的辐射路径中(即,使得在腔内的对象材料可被入射辐射冲击(例如,激发))。包含至少一个孔可使得能够相对于对象材料的饱和压力控制对象材料的蒸气压。可引起在一个或多个孔内的处于液态的对象材料的块体的弯月面具有与处于液态的对象材料的外表面在平坦的无孔表面上将具有的形状不同的形状,这可影响对象材料的蒸气压。
[0048] 图5是描绘制作蒸气单元的例示性方法500的另一流程图。方法500可涉及例如形成或提供包括主体的蒸气单元,该主体具有由主体限定的腔,如在动作502处指示的。蒸气单元的主体可被构造成在腔内容纳对象材料。作为具体的非限制性示例,蒸气单元的主体可采用并且可包括先前结合图1A、图1B、图2A、图2B和图2C描述的任何形式和任何材料。
[0049] 可在蒸气单元在腔内的至少一个表面的至少一部分中形成至少一个孔,如在动作504处指示的。如在平行于至少一个表面的方向上测量的,孔的平均尺寸可以为例如约500微米或更小,如也在动作504处指示的。至少一个表面的孔隙率或限定孔的至少一个表面的表面粗糙度可被构造成当对象材料在腔内时影响对象材料的蒸气压。至少一个表面的至少一个孔的大小、形状、位置和构造可被设定成当对象材料在腔内时控制对象材料的蒸气压,以具有与处于液态的对象材料的暴露表面在平坦的无孔表面上将具有的形状不同的形状,如在动作506处指示的。
[0050] 在一些示例中,可通过控制至少一个表面的平均表面粗糙度来形成至少一个孔,如在动作508处指示的。可通过例如喷砂、研磨或本领域已知的用于通过变更表面的表面粗糙度在材料内产生预定平均大小和形状的孔的任何其它技术来完成对暴露于腔以形成孔的一个或多个表面的表面粗糙度的改性。又如,至少一个表面中的孔可通过对表面进行蚀刻来形成。更具体地,可在至少一个表面上执行深反应离子蚀刻以形成孔,如在动作510处指示的。在一些示例中,如在平行于至少一个表面的方向上测量的,孔的平均尺寸可例如在约5nm与约500微米之间,如在动作512处指示的。可选择至少一个孔的平均尺寸,以使得在孔内的处于液态的对象材料的块体的弯月面能够维持与处于液态的对象材料的暴露表面在平坦的无孔表面上将具有的形状不同的形状。
[0051] 可将对象材料引入腔,如在动作514处指示的。在一些示例中,可选择对象材料,以包括碱金属材料,如也在动作514处指示的。更具体地,可选择对象材料,以包括钫、铯、铷、、钠、或它们的组合或子组合,如在动作516处指示的。在其它示例中,可选择对象材料,以包括非碱金属材料,如也在动作514处指示的。例如,对象材料可包括汞材料(例如,在汞离子时钟中使用的),也如在动作516处指示的。在一些示例中,可选择对象材料,以包括碱金属材料的混合物。
[0052] 在一些示例中,可使蒸气单元限定或部分地限定腔的主体的一个或多个表面为多孔的,如在动作522处指示的。例如,形成蒸气单元本身的主体的至少一部分并且邻近腔定位的材料可限定孔。更具体地,暴露于腔的主体的至少一部分的材料可在表面粗糙度和/或孔隙率方面被改性以形成孔。
[0053] 在其它示例中,包括具有一个或多个孔的至少一个表面的至少一个块体可被放置在腔内,如在动作518处指示的。例如,块体可以附接到主体,使得块体在腔内相对于主体不可移动,如在动作520处指示的。更具体地,可利用托架、粘合剂或托架和粘合剂将块体附接到主体。
[0054] 图6A和6B是根据本公开的包括蒸气单元600的例示性系统611和617的示意图,区别在于微波是直接施加到蒸气单元(600)(如在系统611中所示的微波光学双共振时钟或Mx磁力仪中)还是作为调制施加到激光偏置电流(如在系统617中所示的基于相干布居囚禁的时钟或Bell‑Bloom型磁力仪中)。系统611和617可被构造为例如原子钟、磁力仪或陀螺仪
[0055] 蒸气单元600可包括可将对象材料的汽化原子引导到其中的检查区域,并且一个或多个发射器(例如,非限制地,激光器614、微波615、激光器614和微波615两者)可被构造成朝向检查区域引导已知类型和强度的能量。检测器616可包括传感器,该传感器被构造成响应于发射的能量而检测对象材料的汽化原子的一种或多种属性。例如,检测器616的传感器可朝向检查区域取向并且被构造成响应于来自发射器中的第一发射器(例如,来自激光器614)的能量而检测对象材料的电子在能级之间的跃迁,如在信号强度相对于由发射器中的第二发射器(例如,从微波器615)发射的微波的频率的变化中测量的。
[0056] 表示由检测器616测量的属性的一个或多个信号可作为反馈被提供给振荡器613。振荡器613可用于生成时钟输出612,该时钟输出可用作时钟信号本身或者可用于验证或同步另一时钟信号。换句话说,振荡器613可响应于如通过来自第一发射器(例如,激光器614)的能量的频率的对应变化所检测到的来自第二发射器(例如,微波615)的辐射的频率的变化或来自RF合成器615的信号的频率的变化而生成时钟输出612,该时钟输出被定时到与对象材料的原子在能级之间跃迁的速率相对应的频率。振荡器613还可用于生成/合成微波
615。
[0057] 此类系统611或617对于生成、验证或同步高准确度的时钟信号和/或在极端环境条件中(例如,近真空、低重力或微重力、近地球轨道和/或空间)特别有用。根据本公开的系统611和617可应用于航空工业(例如,以控制卫星和航天器中的时钟信号)、电信和行业(例如,以验证或设定针对相关计算系统的时钟信号)以及标准设定情形(例如,以建立针对相关标准的定时)。通过降低对象材料的蒸气压并且降低在系统611或617的蒸气单元中的对象材料的蒸气压,原子钟可被构造成在更大范围的周围温度内操作。
[0058] 虽然已结合附图描述了某些例示性示例,但本公开的范围不限于在本公开中明确示出和描述的那些示例。相反,可对本公开所述的示例进行许多添加、删除和修改以产生本公开的范围内的示例,诸如具体要求保护的那些示例,包括法律等同物。此外,来自一个公开的示例的特征可与另一个公开的示例的特征组合,同时仍然在本公开的范围内。
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