影响铯束管寿命因素的分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)兰州空间技术物理研究所 作者:成大鹏

  寿命问题一直是国内小型磁选态铯束管的重要缺陷,随着科技的发展,对铯束管的寿命要求越来越长,目前铯束管寿命问题已成为制约国内铯束管发展的技术瓶颈。通过介绍磁选态铯束管的工作原理及影响铯束管寿命的因素,阐述了铯炉内铯的消耗和倍增器增益随工作时间衰减对铯束管长寿命的影响。

  引言

  铯原子钟以其优异的长期稳定性和频率漂移率在原子频标中有着不可替代的重要作用,在军事和空间技术上的作用是非常巨大的。目前小型磁选态铯原子钟的研制技术掌握在少数几个国家手中,对我国只开放了一些低端产品,而对军事和空间领域需要的高端产品,则实行严格禁运,因此,必须走自主研发、自主研制的道路。

  我国从上世纪60年代就开始了相关的研制工作,并有多家单位参与,取得了一定的成果,但在寿命方面一直是国内小型磁选态铯原子钟的短板,是阻碍国内铯原子钟付诸工程实用的主要原因。小型磁选态铯原子钟由频标电路和铯束管两部分组成,其中铯束管是铯原子钟的核心部件,在很大程度上决定了铯原子钟的技术指标和使用寿命。

  1、铯束管工作原理

  铯束管是最复杂的真空器件,其工作真空度优于5×10-5 Pa。在高真空环境下,铯原子从铯炉准直器喷出,进入选态磁铁A,选出F =3,mF =m 态和F =4,mF =-4 态,其中m =0,±l,±2,±3在微波腔中跃迁后,进入选态磁铁B,选出F =4,mF =0 态的原子作为信号原子,未被A、B磁铁选中的其他态的铯原子被石墨块吸收。铯束管的工作原理如图1所示。

  2、影响铯束管寿命的原因分析

  铯束管内许多的物理过程会影响铯束管寿命,如铯束管内部的真空度维持、倍增器增益衰减、吸铯剂吸铯能力、铯炉的储铯量等。其中内部的真空度维持、吸铯剂吸铯等问题随着结构和工艺的改进目前对寿命的影响甚微,从铯束管的工作原理和试验情况来看,目前影响国内铯束管寿命的主要问题是:

  (1)铯炉。在加热条件下,铯连续不断的从多孔准直器喷出,加热温度越高铯消耗越快,当存储的铯消耗尽,则预示铯束管寿命结束;

  (2)倍增器。倍增器增益会随工作时间下降,其增益衰减的快慢在很大程度上影响了铯束管的寿命。

铯束管工作原理图

图1 铯束管工作原理图

1. 铯炉;2. 离子泵;3. A磁铁;4. 吸铯剂;5. 磁屏蔽;6. 微波腔;7. B磁铁;8. 检测器;9. 倍增器;10. 外壳

  5、结论

  铯炉内铯的消耗和倍增器增益的衰减影响铯束管的寿命。从上述分析可以得出降低铯炉的工作温度,从准直器扩散出来的铯原子数减少,降低铯的消耗,从而提高工作寿命,并且降低温度使铯炉扩散出来的铯原子数减少,可降低倍增器首个打拿极入射铯离子的强度,减缓倍增器增益的衰减。因此,降低铯束管内铯炉的工作温度,可以提高铯束管的工作寿命。

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