主動型氫原子鐘吸氣劑泵的實驗研究
為提高上海天文臺的主動型氫原子鐘真空維持系統(tǒng)———240 L/s 鈦濺射離子泵3~4 年就可能出現(xiàn)的可靠性問題，研制了非蒸散型吸氣劑泵和2 L/s 小離子泵組成的復合泵。描述了復合泵的實驗過程，吸氣劑在450℃激活，在室溫下吸收6.3 MPa·L 的氫氣后仍可達到5.9×10- 5 Pa 的真空度，2 L/s 的離子泵電流工作在0.7 μA，證明了復合泵可以維持主動型氫鐘10 年以上的正常工作。
時間頻率是目前物理量中能測定的最為精密和準確的量，因此在計量學上有一種把所有的物理量都通過一定的關系轉化成時間或頻率的量來進行測量的趨勢。氫原子鐘是在實際應用中除極短測量時間間隔之外最為穩(wěn)定的時間頻率標準，上海天文臺研制生產的主動型氫原子鐘在國家守時、BD 導航、探月工程、長波導航等重大科學實驗和國防任務中起到了重要作用。
氫原子鐘是利用氫原子的兩個超精細磁能級F=1, mF=0圯F=0, mF=0 之間的躍遷來工作的時頻基準，其物理部分主要包括氫原子束源、態(tài)選擇磁鐵、儲存泡、諧振腔以及C 場線圈和磁屏等部件(圖1)。其中原子束源、態(tài)選擇磁鐵以及儲存泡、諧振腔位于10- 4 Pa 的高真空室內。
一個設計良好的氫原子頻標可以無故障連續(xù)運轉10 年， 可是目前上海天文臺研制的SOHM- 4 型氫鐘的真空維持部件是鈦濺射離子泵，這種泵帶有笨重的磁鐵，體積大、重量重、對有機蒸汽污染敏感。長期運行后由于陰極板濺射的鈦屑還會出現(xiàn)嚴重的打火甚至短路現(xiàn)象，破壞了脈澤的真空系統(tǒng)，導致氫鐘癱瘓無法連續(xù)工作，在上海天文臺生產的上百臺主動型氫鐘上，這一故障是影響氫鐘長期運行的關鍵，氫鐘在客戶方使用3~4 年就要重新更換新的抽氣單元，給持續(xù)使用和日常維護帶來諸多麻煩。另外，目前氫鐘使用的240 L/s 離子泵重量在50 kg 左右，而復合泵可以輕松做到10 kg 以內。如今，大地測量、射電天文、衛(wèi)星導航、原子時尺度的保持等都需要大量的氫原子鐘，解決氫脈澤真空系統(tǒng)的不穩(wěn)定問題迫在眉睫。
在研制與生產氫原子鐘的主要國家中，真空維持系統(tǒng)普遍采用的是非蒸散型吸氣劑泵與極小型鈦濺射離子泵組成的復合泵。非蒸散型吸氣劑是一種吸氣量大、重量輕、體積小、結構簡單、清潔無油[1]、高溫激活后不需要通電就能工作的吸氣材料，對所有的活性氣體特別是對H2 極其同位素有很大的泵吸速度。把非蒸散型吸氣劑泵與小型離子泵組成復合泵系統(tǒng)，吸氣劑吸收氫鐘工作過程中使用的氫氣，小離子泵一方面可以吸收雜散氣體，提高真空度，另一方面通過離子泵的工作電流可以監(jiān)控真空狀況。
本文將介紹可支持國產氫原子鐘真空系統(tǒng)工作10 年的復合泵的研制過程。
1、實驗系統(tǒng)的結構
本實驗系統(tǒng)采用仿真結構(圖2)。合金非蒸散型吸氣劑加工成長方形的片狀并圍繞著圓柱形真空室均勻排布，系統(tǒng)中裝入1.2 kg 合金材料，激活方式采取內加熱激活，并聯(lián)的兩組加熱絲均勻盤繞在吸氣劑片的上方和下方，在吸氣劑片中心放置熱電偶，用來測量激活溫度;離子泵采用美國VARIAN 公司的2 L/s 的小離子泵，為了延長壽命，應避免離子泵吸氫，因此離子泵的安裝要選擇恰當?shù)奈恢谩?/p>
實驗系統(tǒng)中還包括高純氫源、已知容積為3 L的容器、壓力表、真空規(guī)管、分子泵組、復合真空計等組件。
2、實驗過程
2.1、吸氣劑的激活
合金吸氣劑在生產過程中在其表面形成了一層鈍化層，防止了與活性氣體分子發(fā)生作用。因此在使用前必須通過加熱的方式進行激活來消除鈍化層、獲得新鮮表面，以達到恢復抽氣的目的。激活要在好于10- 2 Pa 的真空環(huán)境下進行，以免在加熱激活的過程中活性氣體與新鮮的吸氣劑表面發(fā)生作用，形成新的鈍化層，激活溫度一般為450℃，保溫時間為45 min 左右。吸氣劑通過同一個可調電源對上下兩組加熱絲加電進行激活，在激活前首先要用分子泵機組對系統(tǒng)進行預抽真空，由于激活時真空越好激活的效果越好，因此為獲得較好的初始真空度，可以對復合泵系統(tǒng)纏繞玻璃絲加熱帶來進行150℃左右的烘烤，邊烘烤邊抽真空，最后復合泵可獲得10- 4 Pa 的真空度。
達到良好的初始真空后就可以解除復合泵的烘烤，對吸氣劑進行激活。為避免激活過程中真空太差，加熱絲的電壓通過可調電源慢慢增大。復合泵內的真空度、吸氣劑的溫度分別通過復合真空計和熱電偶測量。激活過程中加熱功率和吸氣劑的溫度的關系如圖3 所示，吸氣劑溫度和復合泵內真空度關系見圖4，圖4 中可以看出吸氣劑在360℃~450℃時放氣比較多，因此當吸氣劑到達這一溫度范圍時要減緩加熱絲電壓的增加速度。
激活完成后慢慢降溫，真空漸漸變好，吸氣劑開始工作。在復合泵真空度到達3.0×10-4 Pa時關掉超高閥2，斷開分子泵連接，給2 L/s 小離子泵加高壓。可以觀測到，小離子泵加高壓后復合泵內真空迅速變好，最后到達4.7×10-5 Pa 的極限真空度， 小離子泵工作電流0.5 μA。從VARIAN 公司提供的2 L/s 離子泵電流—真空度圖上可以看出(圖5)，小離子泵處的真空可以達到4.5×10-6 Pa。
2.2 吸氣劑吸氫
氫原子鐘工作時需要源源不斷的通入微量氫氣作為工作介質，那些沒有被離解的氫分子、被選態(tài)磁鐵偏轉的低能級氫原子、在諧振腔中躍遷后逸出的氫原子、真空部件放出的雜散氣體都要被及時排除以維持氫脈澤穩(wěn)定、連續(xù)的長期運轉。在復合泵中，氫原子、氫分子都是被吸氣劑在室溫下吸收的。
為了在短時間內測試出復合泵的吸氫能力，利用圖2 的仿真結構，采用定容法讓氫鐘正常工作10 年的用氫量在短時間內被吸氣劑吸收，并測試吸氫后復合泵的極限真空。測試方法為：打開針閥1 ，讓高純氫進入3 L 容器( 容器內已預抽到10-4 Pa 的真空度)，通過壓力表測試容器內的氫壓，關掉針閥1 ，打開針閥2，高純氫進入復合泵被吸氣劑吸收，吸氫結束關掉針閥2 ，則3 L 容器前后壓力表差值×3 L 即為這一次的吸氫量。如此反復多次， 直到吸氣劑吸收了足夠氫鐘工作10 年的用氫量， 打開小離子泵高壓(吸氫過程中離子泵不工作)，測試復合泵真空狀況和離子泵電流。
實驗中共向復合泵充氫6.3 MPa·L，實驗后復合泵的極限真空度為5 . 9×10-5 Pa ， 小離子泵工作電流0.7 μA。吸氣劑充氫—吸氫曲線見圖6。
3、結果討論
研制復合泵是為了解除目前國產主動型氫原子鐘的真空系統(tǒng)只采用大離子泵3~4 年就要出故障的困擾，使氫鐘真空系統(tǒng)可以有10 年以上的壽命。
在充氫—吸氫實驗中，吸氣劑共吸收6.3MPa·L的氫氣，相當于主動型氫鐘連續(xù)工作12 年的用氫量。吸氣劑吸收6.3 MPa·L 的氫氣后復合泵可維持5.9×10-5 Pa 的極限真空，離子泵電流在0.7 μA。因為在氫鐘工作過程中離子泵不會吸收到氫，所以此時的離子泵電流就可以認為是氫鐘正常工作時的電流，有人已經證實，2 L/s 的離子泵工作在10-5 Pa 的真空度下有長達400000 h(45年) 的壽命[2]，從瓦利安公司的2 L/s 的離子泵壓強—電流曲線(圖5)上看，小離子泵處的真實真空度可以達到6×10-6 Pa，所以離子泵的壽命會遠遠超過10 年。
至此可以得出結論：我們研制的非蒸散型吸氣劑泵和極小型離子泵的復合泵完全可以在上海天文臺的主動型氫鐘上連續(xù)工作10 年以上。近期這一復合泵就會應用到我臺的主動型氫原子鐘上，以進一步提高其工作可靠性，同時也能較大幅度的減小體積和重量�？梢灶A期，國產用戶將用上更加穩(wěn)定可靠和輕便的時頻基準。
參考文獻
[1] 王曉冬, 巴德純, 等. 真空技術[M]，北京：冶金工業(yè)出版社，2006：216.
[2] Fabien D, Pierre M, Marco B et al . The on-Board galileo clocks: rubidium standard and passive hydrogen maser-current status and performance [A]. Proceedings of the 2005 IEEE International Frequency Control Symposium and Exposition[C]. 2005：26-32.
