描述了上海天文臺在2008年為提高被動型氫原子鐘真空系統的可靠性所研制的由非蒸散型吸氣劑泵和小離子泵組成的復合真空泵的實驗過程,吸氣劑泵在室溫下吸收2.1MPa.l的H2氣后仍可達到3.2×10-5Pa的真空度,2l/s的離子泵電流工作在0.30μA,證明了復合泵可以維持氫鐘13年以上的正常工作。經過再激活固定了激活工藝,吸氣劑最終吸氫6.0 MPa.l仍沒有飽和,證明了吸氣劑的強大吸氫能力。至今復合泵已成功應用在4臺被動型氫鐘上。

　　關鍵詞：氫原子鐘;非蒸散型吸氣劑;濺射離子泵;真空

　　隨著科研和國防事業的迅速發展, 研制可靠性高、重量輕、體積小的氫原子鐘已成為氫頻標發展的必然趨勢。在研制與生產氫原子鐘的主要國家中,真空維持系統普遍采用的是非蒸散型吸氣劑(NEG)泵與極小型鈦濺射離子泵(SIP) 相結合的方式來解決只用離子泵產生的不穩定和重量重、體積大的問題。這種復合泵可以做到10 年以上的使用壽命, 已經得到了所有氫鐘研制者的一致認可[1-3] 。

　　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、無活動部件、無振動、室溫抽氣、高溫激活后不需要加電就能工作的吸氣材料,對所有的活性氣體特別是對H2 及其同位素有很大的吸附速率, 近年來已在光源、高能粒子加速器、電子器件、空間科學等領域得到廣泛應用[4-8] 。

　　經過一段時間的調研[9] , 決定采用純鈦制作的非蒸散型吸氣劑和2 l/s 的極小型離子泵的復合泵用在上海天文臺的被動型氫原子鐘上。

純鈦非蒸散型吸氣劑吸氫實驗

　　這次專門為上海天文臺被動型氫鐘研制的復合泵, 非蒸散型吸氣劑采用純鈦材料。為驗證材料性能, 把0135 g 國產鈦絲和國外的吸氣劑樣品均壓制成510 mm @ 212 mm 的片劑到專業機構進行測試。兩個樣品是在同一個測試系統上, 在同樣的激活條件下, 之后又在同樣的溫度及真空度環境下進行吸氫實驗。樣品在800e 的高溫下激活后將溫度降到室溫( 25 e ) , 然后采用定壓法( 工作壓強217 @ 10- 4 Pa)測試吸氣劑的吸氫性能, 得到的結果見圖1 和圖2。

圖1 吸氣劑對H2 的速率曲線

　　從圖1 和圖2 中可以看出, 吸氣劑的起始吸氫速率很大, 隨著吸氫量的增加速率有所下降, 50 min時基本達到穩定。圖1 和圖2 中顯示: 國產吸氣劑在無論在吸氫速率還是在吸氫量方面都優于國外同類材料, 具有較好的吸氫性能。由于對比測試的國外材料已經成功地應用在氫原子鐘上, 可以預見, 把國產純鈦吸氣劑應用到國產被動型氫原子鐘上也將取得良好的效果。

仿真實驗系統

　　為了使被動型氫原子鐘的真空系統能維持10年以上的工作壽命, 吸氣劑必須有大于01153MPa#l/Year @ 10Year= 1153MPa#l 的吸氫能力( 被動型氫鐘每年用氫量01153 MPa#l[2]) 。本實驗系統(圖3) 采用仿真結構, 不僅要驗證吸氣劑的吸氫能力和測試復合泵的極限真空, 還要確立吸氣劑的激活工藝, 以便為直接移植到氫鐘上應用打下基礎。把吸氣劑加工成中間有孔的圓片, 實驗中采用了1kg 左右的吸氣劑材料, 激活方式為內加熱激活。在吸氣劑最上方、加熱絲處、吸氣劑最下方分別放置熱電偶, 用來測試激活時吸氣劑的溫度。1 kg 的吸氣劑和2 l/ s的小離子泵組成復合泵系統, 小離子泵的應用可以提高本底真空度, 通過離子泵電流還可以監視真空狀況。為了使小離子泵的壽命也在10 年以上, 要避免離子泵吸氫, 在安裝位置上要選擇適當。

結果討論與應用實例

　　在充氫-吸氫實驗中, 吸氣劑共吸收211 MPa#l的氫氣, 相當于被動型氫鐘連續工作1317 年的用氫量( 211MPa#l/ 01153 MPa#l/Year= 1317Year) 。吸氣劑吸收211 MPa#l 的氫氣后在和小離子泵共同工作時復合泵可維持312 @ 10-5 Pa 的極限真空, 離子泵電流在0130 LA。因為在氫鐘工作過程中離子泵不會接觸到氫, 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6) 上看, 小離子泵處的真實真空度可以達到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: 本文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被動型氫鐘上連續工作13 年以上。從2008 年復合泵研制成功, 至今已用在4 臺被動型氫鐘上, 全部運轉正常。在實際應用中, 氫鐘通氫氣和不通氫氣時2 l/ s 離子泵的電流沒有顯著變化, 一般都工作在0110 LA, 比仿真實驗時的電流還小, 這是由于實際應用中把仿真實驗時的橡膠密封全部改為金屬密封, 降低了離子泵的氣載。

　　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

參考文獻：
　　[1]Zivanov S,Schweda H,Goujon D,et al.Physics Package ofthe 35 kg Space Active Hydrogen Maser for the ACES SpaceMission of ESA[A].2007 Joint with the 21stEuropean Fre-quency and Time Forum[C],2007:637-641
　　[2]Fabien Droz,Pierre Mosset,Marco Belloni,et al.The On-Board Galileo Clocks:Rubidium Standard and Passive Hy-drogen MASER-Current Status and Performance[A].Pro-ceedings of the 2005 IEEE International Frequency ControlSymposium and Exposition[C],2005:26-32
　　[3]Robert R F C,Edward V.Test of an Orbiting Hydrogen MaserClock System Using Laser Time Transfer[A].23rdAnnual PT-TI Application and Planning Meeting[C],1991:401
　　[4]王曉冬,巴德純,張世偉,等.真空技術[M].北京:冶金工業出版社,2006:216
　　[5]蔣迪奎,陳麗萍,殷立新.10-10Pa濺射離子泵和NEG泵的復合泵[J].真空科學與技術學報,2004,24(3):222
　　[6]陳麗萍,蔣迪奎.NEG對混合氣體的抽氣行為研究[J].真空科學與技術學報,2004,24(3):225
　　[7]蒙峻,楊曉天,張軍輝.真空室內表面鍍TiZrV抽氣層的性能研究[J].真空科學與技術學報,2009,29(6):678
　　[8]李得天,成永軍.非蒸散型吸氣劑泵在真空計量中的應用研究[J].真空科學與技術學報,2011,31(2):234
　　[9]楊浩.氫原子鐘用吸附泵調研報告[J].中科院上海天文臺年刊,2006,27:100-106
　　[10]褚永俊,熊玉華,杜軍,等.TiZrV吸氣劑激活過程的XPS分析[J].真空科學與技術學報,2009,29(2):160