一种磁选态铯束管的真空设计方法

来源:真空技术网(真空泵 www.ahhtbfc.com)兰州空间技术物理研究所 作者:陈江

真空泵 www.ahhtbfc.com   密封铯束管是铯原子钟的物理部分,也是一种电真空器件。但是有关铯束管的真空设计方法在文献中很少讨论。本文提出了一种设计方法,该方法基于物理及使用要求。首先根据铯原子束流强度与铯束管内压强关系,得出铯束管的工作压强应当满足的范围,在此基础上以铯束管的静态放置时间的要求为依据,定出材料单位面积平均出气率,进而对溅射离子泵的抽速和结构提出要求。文章内容无论对磁选态还是对光抽运密封铯束管的设计都具有参考价值。

  磁选态铯原子钟是时间频率系统的核心设备,具有准确度高,长期稳定性好,基本上没有频率漂移的特点,广泛应用于守时、授时、时间计量等领域。铯原子钟的物理部分———铯束管———属于电真空器件,它给原子态的制备、跃迁及跃迁信号的检测等物理过程提供一个良好的真空环境,以输出高质量的锁频信号。

  磁选态铯原子钟的一个发展方向是小型化和可搬运。相应地,铯束管的体积变小,且形成密封结构。这为铯束管的真空设计带来了复杂性。不同于大型铯束管外接真空抽气系统,小型密封铯束管为了维持真空其内部安装了微型溅射离子泵。除此之外,铯束管内还安装了铯炉、A/B 磁铁、导轨、微波腔、C 场、补偿线圈、检测器等功能部组件,它们涉及多种材料,如不锈钢、镍、铝、无氧铜、聚酰亚胺、石墨、陶瓷、坡莫合金等,使得整个铯束管内各种材料的表面积达到4 ~5m2,从而材料表面的出气率成为影响铯束管真空度关键因素。铯束管的真空设计就是要解决如何定出铯束管的工作真空度或压强、材料放气率以及如何根据材料出气率的要求确定铯束管的除气工艺、溅射离子泵的抽速与结构等。然而讨论铯束管真空设计的文献很少。

  之所以如此,原因可能有两个:一是铯束管的关键技术如长寿命技术长期难以突破,对真空设计的关注反而不高;二是在不计资金与时间成本的前提下铯束管的真空设计可以通过经验与反复试验完成。目前国内铯原子钟的研制取得了突破性进展,迫切需要一套完整的铯束管的真空设计方法。

  本文提出了一种基于物理及使用要求的方法,根据物理要求得到铯束管的工作压强,根据使用要求得到材料的出气率,在二者的基础上确定溅射离子泵的抽速和方案,本文根据出气率还讨论了如何确定材料的除气工艺。本文提出的方法虽然针对磁选态密封铯束管,但对光抽运铯束管的的真空设计同样有借鉴作用,并且对其它电真空器件的设计亦有参考价值。

  1、实验铯束管的工作压强

  磁选态铯束管的基本结构见图1。从铯炉准直器喷出的铯原子束经过偏转磁场A 选态后进入微波腔,经共振相互作用产生跃迁,偏转磁场B 将跃迁的原子选出进入检测器。在这一过程中,检测器接收的跃迁原子数越多,信号也就越强,从而铯束管的信噪比就越高。为了使检测器接收较多铯原子,除了合理设计铯束管的结构之外,还要保证铯原子经过的路径上气体分子尽可能少,也就是铯束管的真空度应尽可能高,即压强尽可能小。另一方面,不管付出多高代价,铯束管内的气体分子都不可能完全消除,所以对真空度的要求也即对压强的要求应在一个合理的范围之内。

铯束管的结构示意图

图1 铯束管的结构示意图

  3、溅射离子泵

  微型溅射离子泵除了保证铯束管在长时间断电后能够正常开机之外,还要保证铯束管在加电工作状态下能够长期维持高真空,即维持小于1 × 10-4 Pa 的压强,这对溅射离子泵的抽速提出了要求。在基于经验的设计方法中,对离子泵的抽速要求是通过假定的方式提出的,先假定一个较大的抽速,据此再定出材料的出气率,此外为了保证离子泵不落在低抽速范围,还需要对离子泵进行复杂的设计。下面将看到,本文提出的方法跟基于经验的方法不同。

  为了确定溅射离子泵的抽速,首先应分析铯束管在加电情况下的气体来源。在加电工作状态下,铯炉组件将加热至120℃附近,检测器中组件中的钽箔工作在800℃附近,因此气体来源有两部分,一是已指出的铯束管内部常温下材料表面放出的气体,二是个别材料的高温出气,这些材料包括组成铯炉的无氧铜和不锈钢,组成检测器的钽箔及钽箔周围的磁钢、纯铁等。

  4、结束语

  本文提出了一种铯束管的真空设计方法。该方法从物理和使用要求出发得到铯束管的工作真空度及单位面积材料出气率,并根据材料的出气率讨论了材料除气和整管排气工艺,进而得到离子泵的抽速和采用的结构,这样就将铯束管的真空设计建立在了坚实的物理及使用的基础之上。本文提出的方法尽管是针对铯束管的,但对其它电真空器件的真空设计亦有参考价值。

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