双真空主动型氢脉泽真空系统设计

　　清洁、抽速稳定的高真空系统是氢脉泽工作必不可少的组成部分之一。文章详细介绍了双真空主动型氢脉泽真空系统的组成及各个组成部分的设计思路、方法。内容涉及真空的获得、真空泵的选择、氢脉泽物理部分双真空系统设计、流导及抽速的计算、泵体结构的设计和实验验证。实验发现,设计完毕的氢脉泽双真空系统保温效果较以前大幅改善,内外真空室本底流量为0.1 mA,工作流量值稳定在0.7mA时氢脉泽稳定输出-105 dBm信号,关闭流量后内真空抽真空本底时间约为8 min。表明内外真空室离子泵均达预期设计指标且工作正常。此外,该设计还进一步减小了脉泽体积、减轻了其重量,向氢脉泽小型化迈出了坚实一步。

　　关键词:真空系统;流导;离子泵;氢脉泽

　　Abstract: The dual-vacuum system,dedicated to the active hydrogen maser,was designed,constructed,and tested.The so-called dual vacuum system mainly consists of two vacuum chambers:one is called the high vacuum inner chamber,where active hydrogen maser is generated;the other is the low vacuum outer chamber,where the auxiliary units,including the EM shields,coils heaters and control units,etc.are installed,allowing exposure to air in routine maintenance.The discussion centered on the design considerations of the dual-vacuum system.The experimental tests were performed in the lab-built,prototyped dual vacuum system with satisfactory results.The strengths of the newly-developed dual-vacuum system,such as the volume and weight reduction of the maser device,and increased stability and thermal insulation,were also tentatively discussed.

　　Keywords: Vacuum system,Conductance,Ion pumps,Hydrogen maser

　　氢脉泽作为一种时间频率测量设备以其高准确度和良好的中长期稳定度广泛应用于卫星导航与定位、深空探测、基础理论研究等领域。

　　主动型氢脉泽是利用微波谐振腔内氢原子超精细磁能级跃迁释放的电磁波能量来维持自激振荡,氢原子在储存泡内做无规则运动停留大约1 s 的时间, 为防止高能态氢原子与其他原子发生碰撞引起频移导致脉泽输出信号质量下降甚至消失, 此过程必须在高真空环境下进行。热力学理论来解释, 高真空度使空间内粒子密度降低有效增大高能态氢原子自由程, 降低原子碰撞几率[ 1] 。双真空主动型氢脉泽不仅使其腔泡处于高真空当中, 用于控温和屏蔽磁场的系统也置于真空当中, 不仅有利于提高脉泽的控温和保温性能, 还可以有效减小物理部分体积和质量。

1、真空泵的选择

　　氢脉泽的工作介质是氢气, 在工作中未能解离的氢原子、选态中偏转到空间内的低能态氢原子、储存泡内完成跃迁的高能态原子及内部材料释放的杂质气体都需要及时抽走, 以满足氢脉泽高真空度工作环境, 氢脉泽工作时的真空度一般为1X10-5~5X10-4Pa, 本底真空度为1.33X10-6Pa。氢脉泽的工作特点决定了真空泵的选择必须满足: 抽气性能稳定, 真空泵工作环境无污染, 抽气极限真空度要高, 对氢、氦等小分子量气体及惰性气体抽速要大且不易饱和, 操作简单, 使用安全。此外, 实际工程中氢脉泽需要烘烤除气, 所选真空泵必须耐高温烘烤[2] 。

　　在主动型氢脉泽当中, 开创性地实现了双真空结构设计并取得了试验成功。双真空结构成功实现了脉泽腔泡分离, 有利于储存泡获得一个高真空度的纯净环境。同时, 避免了脉泽反复拆装导致储存泡由于多次暴露大气致使内壁涂层遭受的污染。外真空结构的设计不仅使脉泽温控能力有大幅改善而且还减小了脉泽体积, 减轻了重量, 向氢脉泽小型化迈出了坚实一步。今后, 将进一步做更长时间的监控测试, 以验证该双真空系统设计的长期可靠性。

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