被动型氢原子钟吸气剂泵的应用研究

　　描述了上海天文台在2008年为提高被动型氢原子钟真空系统的可靠性所研制的由非蒸散型吸气剂泵和小离子泵组成的复合真空泵的实验过程,吸气剂泵在室温下吸收2.1MPa.l的H2气后仍可达到3.2×10-5Pa的真空度,2l/s的离子泵电流工作在0.30μA,证明了复合泵可以维持氢钟13年以上的正常工作。经过再激活固定了激活工艺,吸气剂最终吸氢6.0 MPa.l仍没有饱和,证明了吸气剂的强大吸氢能力。至今复合泵已成功应用在4台被动型氢钟上。

　　关键词：氢原子钟;非蒸散型吸气剂;溅射离子泵;真空

　　随着科研和国防事业的迅速发展, 研制可靠性高、重量轻、体积小的氢原子钟已成为氢频标发展的必然趋势。在研制与生产氢原子钟的主要国家中,真空维持系统普遍采用的是非蒸散型吸气剂(NEG)泵与极小型钛溅射离子泵(SIP) 相结合的方式来解决只用离子泵产生的不稳定和重量重、体积大的问题。这种复合泵可以做到10 年以上的使用寿命, 已经得到了所有氢钟研制者的一致认可[1-3] 。

　　非蒸散型吸气剂是一种吸气量大、重量轻、体积小、结构简单、清洁无油、无活动部件、无振动、室温抽气、高温激活后不需要加电就能工作的吸气材料,对所有的活性气体特别是对H2 及其同位素有很大的吸附速率, 近年来已在光源、高能粒子加速器、电子器件、空间科学等领域得到广泛应用[4-8] 。

　　经过一段时间的调研[9] , 决定采用纯钛制作的非蒸散型吸气剂和2 l/s 的极小型离子泵的复合泵用在上海天文台的被动型氢原子钟上。

纯钛非蒸散型吸气剂吸氢实验

　　这次专门为上海天文台被动型氢钟研制的复合泵, 非蒸散型吸气剂采用纯钛材料。为验证材料性能, 把0135 g 国产钛丝和国外的吸气剂样品均压制成510 mm @ 212 mm 的片剂到专业机构进行测试。两个样品是在同一个测试系统上, 在同样的激活条件下, 之后又在同样的温度及真空度环境下进行吸氢实验。样品在800e 的高温下激活后将温度降到室温( 25 e ) , 然后采用定压法( 工作压强217 @ 10- 4 Pa)测试吸气剂的吸氢性能, 得到的结果见图1 和图2。

图1 吸气剂对H2 的速率曲线

　　从图1 和图2 中可以看出, 吸气剂的起始吸氢速率很大, 随着吸氢量的增加速率有所下降, 50 min时基本达到稳定。图1 和图2 中显示: 国产吸气剂在无论在吸氢速率还是在吸氢量方面都优于国外同类材料, 具有较好的吸氢性能。由于对比测试的国外材料已经成功地应用在氢原子钟上, 可以预见, 把国产纯钛吸气剂应用到国产被动型氢原子钟上也将取得良好的效果。

仿真实验系统

　　为了使被动型氢原子钟的真空系统能维持10年以上的工作寿命, 吸气剂必须有大于01153MPa#l/Year @ 10Year= 1153MPa#l 的吸氢能力( 被动型氢钟每年用氢量01153 MPa#l[2]) 。本实验系统(图3) 采用仿真结构, 不仅要验证吸气剂的吸氢能力和测试复合泵的极限真空, 还要确立吸气剂的激活工艺, 以便为直接移植到氢钟上应用打下基础。把吸气剂加工成中间有孔的圆片, 实验中采用了1kg 左右的吸气剂材料, 激活方式为内加热激活。在吸气剂最上方、加热丝处、吸气剂最下方分别放置热电偶, 用来测试激活时吸气剂的温度。1 kg 的吸气剂和2 l/ s的小离子泵组成复合泵系统, 小离子泵的应用可以提高本底真空度, 通过离子泵电流还可以监视真空状况。为了使小离子泵的寿命也在10 年以上, 要避免离子泵吸氢, 在安装位置上要选择适当。

结果讨论与应用实例

　　在充氢-吸氢实验中, 吸气剂共吸收211 MPa#l的氢气, 相当于被动型氢钟连续工作1317 年的用氢量( 211MPa#l/ 01153 MPa#l/Year= 1317Year) 。吸气剂吸收211 MPa#l 的氢气后在和小离子泵共同工作时复合泵可维持312 @ 10-5 Pa 的极限真空, 离子泵电流在0130 LA。因为在氢钟工作过程中离子泵不会接触到氢, 所以此时的离子泵电流就可以认为是氢钟正常工作时的电流, 有人已经证实, 2 l/s 的离子泵工作在10- 5 Pa 的真空度下有长达400000 h( 45年) 的寿命[2] , 从瓦利安公司的2 l/s 的离子泵压强-电流曲线( 图6) 上看, 小离子泵处的真实真空度可以达到10- 6 Pa, 所以离子泵的寿命会远远超过10年。

　　至此可以得出结论: 本文研制的非蒸散型吸气剂泵和极小型离子泵的复合泵完全可以在上海天文台的被动型氢钟上连续工作13 年以上。从2008 年复合泵研制成功, 至今已用在4 台被动型氢钟上, 全部运转正常。在实际应用中, 氢钟通氢气和不通氢气时2 l/ s 离子泵的电流没有显著变化, 一般都工作在0110 LA, 比仿真实验时的电流还小, 这是由于实际应用中把仿真实验时的橡胶密封全部改为金属密封, 降低了离子泵的气载。

　　Abstract: A novel type of vacuum system was re-designed for the development of the passive hydrogen maser device,installed at Shanghai Astronomical Observatory.The newly-developed vacuum system consists of a non-evaporative getter(NEG) pump and a dedicated,miniaturized ion pump.At an ion current of 0.30 μA of the 2 l/s ion pump,the base pressure of the vacuum system reached 3.2×10-5 Pa after 2.1 MPa·l hydrogen was absorbed by the getter pump at room temperature.Besides,the new vacuum system is capable of working for over 13 years.After the reactivated getter pump absorbed over 6.0 MPa·l hydrogen,it could still absorb more hydrogen,indicating that its full absorption capacity was far from being reached.The new vacuum systems have been successfully operating for over three years in the four passive hydrogen maser devices with satisfactory results.

　　Keywords: Hydrogen maser,NEG,Sputtering ion pump,Vacuum

参考文献：
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