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一種磁選態銫束管的真空設計方法

來源:真空技術網(www.sakcw.tw)蘭州空間技術物理研究所 作者:陳江

  密封銫束管是銫原子鐘的物理部分,也是一種電真空器件。但是有關銫束管的真空設計方法在文獻中很少討論。本文提出了一種設計方法,該方法基于物理及使用要求。首先根據銫原子束流強度與銫束管內壓強關系,得出銫束管的工作壓強應當滿足的范圍,在此基礎上以銫束管的靜態放置時間的要求為依據,定出材料單位面積平均出氣率,進而對濺射離子泵的抽速和結構提出要求。文章內容無論對磁選態還是對光抽運密封銫束管的設計都具有參考價值。

  磁選態銫原子鐘是時間頻率系統的核心設備,具有準確度高,長期穩定性好,基本上沒有頻率漂移的特點,廣泛應用于守時、授時、時間計量等領域。銫原子鐘的物理部分———銫束管———屬于電真空器件,它給原子態的制備、躍遷及躍遷信號的檢測等物理過程提供一個良好的真空環境,以輸出高質量的鎖頻信號。

  磁選態銫原子鐘的一個發展方向是小型化和可搬運。相應地,銫束管的體積變小,且形成密封結構。這為銫束管的真空設計帶來了復雜性。不同于大型銫束管外接真空抽氣系統,小型密封銫束管為了維持真空其內部安裝了微型濺射離子泵。除此之外,銫束管內還安裝了銫爐、A/B 磁鐵、導軌、微波腔、C 場、補償線圈、檢測器等功能部組件,它們涉及多種材料,如不銹鋼、鎳、鋁、無氧銅、聚酰亞胺、石墨、陶瓷、坡莫合金等,使得整個銫束管內各種材料的表面積達到4 ~5m2,從而材料表面的出氣率成為影響銫束管真空度關鍵因素。銫束管的真空設計就是要解決如何定出銫束管的工作真空度或壓強、材料放氣率以及如何根據材料出氣率的要求確定銫束管的除氣工藝、濺射離子泵的抽速與結構等。然而討論銫束管真空設計的文獻很少。

  之所以如此,原因可能有兩個:一是銫束管的關鍵技術如長壽命技術長期難以突破,對真空設計的關注反而不高;二是在不計資金與時間成本的前提下銫束管的真空設計可以通過經驗與反復試驗完成。目前國內銫原子鐘的研制取得了突破性進展,迫切需要一套完整的銫束管的真空設計方法。

  本文提出了一種基于物理及使用要求的方法,根據物理要求得到銫束管的工作壓強,根據使用要求得到材料的出氣率,在二者的基礎上確定濺射離子泵的抽速和方案,本文根據出氣率還討論了如何確定材料的除氣工藝。本文提出的方法雖然針對磁選態密封銫束管,但對光抽運銫束管的的真空設計同樣有借鑒作用,并且對其它電真空器件的設計亦有參考價值。

  1、實驗銫束管的工作壓強

  磁選態銫束管的基本結構見圖1。從銫爐準直器噴出的銫原子束經過偏轉磁場A 選態后進入微波腔,經共振相互作用產生躍遷,偏轉磁場B 將躍遷的原子選出進入檢測器。在這一過程中,檢測器接收的躍遷原子數越多,信號也就越強,從而銫束管的信噪比就越高。為了使檢測器接收較多銫原子,除了合理設計銫束管的結構之外,還要保證銫原子經過的路徑上氣體分子盡可能少,也就是銫束管的真空度應盡可能高,即壓強盡可能小。另一方面,不管付出多高代價,銫束管內的氣體分子都不可能完全消除,所以對真空度的要求也即對壓強的要求應在一個合理的范圍之內。

銫束管的結構示意圖

圖1 銫束管的結構示意圖

  3、濺射離子泵

  微型濺射離子泵除了保證銫束管在長時間斷電后能夠正常開機之外,還要保證銫束管在加電工作狀態下能夠長期維持高真空,即維持小于1 × 10-4 Pa 的壓強,這對濺射離子泵的抽速提出了要求。在基于經驗的設計方法中,對離子泵的抽速要求是通過假定的方式提出的,先假定一個較大的抽速,據此再定出材料的出氣率,此外為了保證離子泵不落在低抽速范圍,還需要對離子泵進行復雜的設計。下面將看到,本文提出的方法跟基于經驗的方法不同。

  為了確定濺射離子泵的抽速,首先應分析銫束管在加電情況下的氣體來源。在加電工作狀態下,銫爐組件將加熱至120℃附近,檢測器中組件中的鉭箔工作在800℃附近,因此氣體來源有兩部分,一是已指出的銫束管內部常溫下材料表面放出的氣體,二是個別材料的高溫出氣,這些材料包括組成銫爐的無氧銅和不銹鋼,組成檢測器的鉭箔及鉭箔周圍的磁鋼、純鐵等。

  4、結束語

  本文提出了一種銫束管的真空設計方法。該方法從物理和使用要求出發得到銫束管的工作真空度及單位面積材料出氣率,并根據材料的出氣率討論了材料除氣和整管排氣工藝,進而得到離子泵的抽速和采用的結構,這樣就將銫束管的真空設計建立在了堅實的物理及使用的基礎之上。本文提出的方法盡管是針對銫束管的,但對其它電真空器件的真空設計亦有參考價值。

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