双真空结构设计对氢原子钟温度灵敏度的改善研究
介绍了一种应用于氢原子钟的双真空结构设计，将电子控温系统置于真空环境之中。真空绝热设计大大改善了氢原子钟物理保温性能，为电子控温系统创造了更为宽裕的反应时间。实验结果表明改进后的氢原子钟温度灵敏度由1 ×10 -14 /℃提高到2. 5 × 10 -15 /℃，与国际最高水平相当( 1 × 10 -15 /℃) 。
氢原子钟的核心组件———腔泡( 微波腔和储存泡) 的构成材料具有一定的膨胀系数，温度的变化将导致其几何尺寸发生变化，而尺寸的改变将引起腔泡中心频率的变化，从而加剧氢原子钟的腔牵引效应。研究证明，腔牵引效应是引起氢原子钟输出频率变化的主要因素，因此，如何实现氢原子钟腔泡组件的恒温控制将成为稳定氢原子钟输出频率的关键所在。对于f0 = 1. 4 × 109 Hz 的氢原子跃迁频率而言，要得到好的氢原子钟中长期频率稳定度( ≤2×10 -15 /d) ，由时域频率稳定度公式可近似推知，氢原子钟相对频率变化率需满足
根据腔牵引效应公式
式中，Δf0为氢原子钟输出频率变化量，Δfc为腔泡中心频率变化值，Qc为腔泡有载Q 值，Q1为脉泽信号Q 值) ，在实际工程测定中有Qc = 3 × 104，Q1 = 1.5 × 109。腔泡组件中心频率变化量需满足Δfc≤0. 5Hz，再根据工程测得的腔泡组件温度系数500Hz /℃推得，氢原子钟要达到目标频率稳定度，腔内温度的波动范围要控制在0. 001℃ 以内。此外，由氢原子引起的碰撞、原子自旋交换及多普勒效应等产生的频移也都是温度的函数。因此，严格控制氢原子钟内环境热平衡是十分必要的，目前国内外普遍采用物理保温绝热与反馈放大式桥路闭环分区精密控温相结合的方式来实现氢原子钟内环境温度的稳定控制。
1、真空物理保温绝热系统设计
传统的保温绝热方法是将腔泡组件置于真空环境之中，用于实现恒温控制的电路系统及其它必要的氢原子钟腔泡外围系统( C 场线圈、磁屏蔽等) 暴露于大气环境之中，通过包裹几层保温材料来实现物理绝热保温。该设计存在几个弊端: 保温材料虽然在一定程度上减少了热量的耗散，但接触传热依然存在，电路系统很容易受到外界环境温度变化带来的影响; 各部分保温效果一致性差，容易导致内环境同一区域温度梯度的存在; 厚厚的保温材料一定程度上增加了氢原子钟物理部分的体积，这对实现氢原子钟小型化无益; 保温材料形变容易导致磁屏蔽晃动，致使磁屏蔽效能恶化，从而导致氢原子钟磁灵敏度下降。因此，对氢原子钟物理保温系统改进是十分必要的。
热传递共有三种途径: 接触传热、对流和热辐射，其中热辐射的传热效率最低。除储存泡单独构成一个真空室为原子跃迁提供高真空度外，将氢原子钟物理系统其余部分置于另一个真空室之中，实现一种双真空结构的设计，由原来的接触传热变为辐射传热。真空环境内各部件之间尽量减少触点且在有限的触点处采用热阻系数高的聚四氟乙烯材料隔热。该设计使氢原子钟内部热量几乎只能通过辐射进行传热，大大降低了热传递效率，有效降低了真空热环境与外界环境间的热交换，与传统型氢原子钟在大气环境下采用保温材料保温隔热相比，更有利于降低由于环境温度变化、热冲击等对氢原子钟热平衡状态产生的影响。
为了研究该双真空结构设计的保温绝热效果，采用美国Ansys 公司出品的有限元仿真软件来仿真外界环境温度变化引起的氢原子钟内部温度变化情况。假设氢原子钟内部无任何热源，当外界环境温度升高1℃时，其内部温度变化完全由外环境温度变化所致。其内部温度随时间变化的瞬态过程曲线如图1 所示。
由图1 可知，在将近900 s 时间内，外界环境改变1℃引起内环境改变0. 00035℃，这不仅表明该双真空结构设计具有良好的保温绝热效果，而且这一时间已远远超出电子系统的反应时间，电子系统有充足的时间的通过改变加热功率来补偿外界环境带来的改变。图2 是相同实验条件下采用传统保温模式的氢原子钟内部温度随时间变化的瞬态过程曲线。
图1 外界环境变化导致双真空氢原子钟内温度变化曲线
图2 外界环境变化导致传统保温模式氢原子钟内部温度变化曲线
与图1 比较，在相同时间内采用传统保温模式的氢原子钟内部温度改变量是双真空氢原子钟内温度该变量的5 倍，证明双真空氢原子钟物理保温效果更好。此外，该真空物理保温绝热结构设计还可以有效减少功耗、削弱由加热电流产生的杂散磁场对原子跃迁频率产生的影响。
当然，从温度变化趋势来看，无论哪种保温方式，如果上述设定温度变化过程继续下去，氢原子钟内部温度最终也将改变1℃，只是各自需要的时间长短不同而已。因此，真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为真空物理保温绝热设计的作用主要体现在延缓内环境温度变化并为电子系统创造了更为宽裕的反应时间，温度调节要靠电路系统来实现。
2、电子温控系统设计
为了研究新设计的真空物理保温绝热系统对氢原子钟温度灵敏度的改善效果，电路系统依然采用之前的反馈放大式桥路闭环设计。精密温度控制器由温度检测电阻、温度检测电桥、微伏放大器、功率放大器、加热炉体组成( 见温控原理图3) 。
图3 温控电路原理图
图3 中Rs由所需的工作温度而定，控温体的温度由Rt检测，当Rt≠Rs时，桥路输出一个大小、极性对应于温度偏差的偏差电压V1，V1经微伏放大器，功率放大器放大后提供一直流加热电流，使偏差消除进入恒温状态，实现温度控制的功能。为便于维修和检测，电路中设置了TP( 检测点)( 装在线路板上) ，TP1为微伏放大输出检测，TP2为功率放大器输出检测，TP3为地。初始加热和进入恒温状态时各控温单元的TP1、TP2值大致如表1 所示。
表1 电路检测点实验值
另外，面板显示屏还设置了各恒温单元的加热电压指示。由于双真空物理保温绝热系统的设计，需对加热炉布局做重新设计，为了克服被控系统较大的热惯性及由于热传导所致的腔体温度波动和温度梯度大等因素的影响，其结构布局采用内外双层炉且每层分区控温的设计。双真空氢原子钟内部电子学控温结构布局跟传统型设计的不同之处在于将最内层和次外层屏蔽作为内外双层炉加热丝的布线区，该设计的优点在于加热炉均位于C 场线圈和屏蔽层之外，有效降低了加热电流产生的杂散磁场对原子跃迁磁环境的影响。由于内炉要实现精密控温，因此将内炉分为底部、筒部及顶部三个单元，每个单元都有它自己独立的加热炉体、控温电阻Rt和温度控制器。而外层炉主要设计目的是为内炉创造一个温度波动小的近似恒温的环境，故将顶部和筒部合并为一个温控单元，底部单独一个单元。此外，双真空氢原子钟颈部波纹管置于真空之中，可有效减弱由外界环境温度变化带来的影响，从而可以省掉原颈部加热炉的设计。图4 是双真空主动型氢原子钟内外加热炉体实物图。
对设计完成的双真空氢原子钟内部温度分布进行仿真，如图5 所示。
图4 双真空结构氢原子钟内外炉体实物图
图5 双真空氢原子钟内部温度分布仿真图
设定氢原子钟所处环境温度为25℃，内部工作目标温度为50℃。由图中可知，氢原子钟内环境温度变化梯度规则、各区温度分布均匀，满足设计要求。
3、氢原子钟温度灵敏度测试实验
双真空氢原子钟温度灵敏度是通过研究外界环境温度变化引起其输出频率变化的对应关系来测定的。测试原理图如图6 所示。
将正常运行状态下的双真空结构氢原子钟放置在高低温实验箱内，其输出的10 MHz 信号与参考钟给出的10 MHz 信号经短稳比对仪比对后输入计算机，比对数据经计算机软件处理后输出结果。测试实验开始后，将高低温箱温度设定在27℃，保持一段时间( 一般大于36 h) 待两原子钟频率比对数据稳定后，将高低温箱温度升高至37℃，同样再保持一段时间，然后再恢复至27℃。当然，如果时间允许，也可以在27℃ ～37℃之间往复变化多次测量几组数据。下图是频率比对值与环境温度变化之间的对应关系。
图6 氢原子钟温度灵敏度测试原理图
图7 频率比对值与环境温度变化关系
如图7 中所示，环境温度为27℃频率比对值稳定后调节温度至37℃后频率比对值出现明显波动，考虑到双真空较之前传统型氢原子钟保温绝热性能更优，温度变化之初应该不会引起原子钟内部环境温度的变化，这应该是由于氢原子钟外接电气部分受温度大幅突变影响所致，该现象也说明不仅原子钟部分需要保持温度平衡，而且氢原子钟外接电器部分也要考虑温度波动带来的影响。一段时间后原子钟频率比对值开始趋于平稳但与前一设定温度值下的比对结果有所不同，从反应时间来看该过程应该是环境温度变化对氢原子钟物理部分影响所致。一段时间后再将温度调至27℃，温度变化之初再次出现频率比对值波动，判断仍为氢原子钟电器部分受温度影响所致，一段时间后比对数据再次趋于平稳。经分析换算后可以得到双真空结构氢原子钟温度灵敏度如表2 所示
表2 双真空氢原子钟温度灵敏度
将图中数据处理后得到其温度灵敏度为2. 5 ×10 -15 /℃，优于目前指标( 1 × 10 -14 /℃) 。而且仅从这个测试指标看，跟国外同类产品的温度系数( 1 ×10 -15 /℃) 水平相当，但也存在是由于个例差异所致的可能，还有待日后批量生产后看是否具有普遍性。此外，在温度变化过程中前后两次27℃时对应的频率相对值来看，双真空结构氢原子钟的一致性更好。
4、总结
为进一步改善氢原子钟温度灵敏度，设计了一种双真空结构，将电子控温系统置于真空环境中。这样的真空绝热结构设计，不仅改善了氢原子钟的物理保温性能，也为电子控温系统创造了更为宽裕的反应时间。仿真结果及实验测试数据均表明该真空物理保温绝热设计达到了预期，使氢原子钟温度灵敏度得到明显改善，与国外同类产品水平相当。下一步拟将该设计结合复合泵技术用于氢原子钟小型化和空间化研究方面。
