清潔、抽速穩(wěn)定的高真空系統(tǒng)是氫脈澤工作必不可少的組成部分之一。文章詳細(xì)介紹了雙真空主動(dòng)型氫脈澤真空系統(tǒng)的組成及各個(gè)組成部分的設(shè)計(jì)思路、方法。內(nèi)容涉及真空的獲得、真空泵的選擇、氫脈澤物理部分雙真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)、流導(dǎo)及抽速的計(jì)算、泵體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),設(shè)計(jì)完畢的氫脈澤雙真空系統(tǒng)保溫效果較以前大幅改善,內(nèi)外真空室本底流量為0.1 mA,工作流量值穩(wěn)定在0.7mA時(shí)氫脈澤穩(wěn)定輸出-105 dBm信號(hào),關(guān)閉流量后內(nèi)真空抽真空本底時(shí)間約為8 min。表明內(nèi)外真空室離子泵均達(dá)預(yù)期設(shè)計(jì)指標(biāo)且工作正常。此外,該設(shè)計(jì)還進(jìn)一步減小了脈澤體積、減輕了其重量,向氫脈澤小型化邁出了堅(jiān)實(shí)一步。

　　關(guān)鍵詞:真空系統(tǒng);流導(dǎo);離子泵;氫脈澤

　　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

　　氫脈澤作為一種時(shí)間頻率測(cè)量設(shè)備以其高準(zhǔn)確度和良好的中長(zhǎng)期穩(wěn)定度廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星導(dǎo)航與定位、深空探測(cè)、基礎(chǔ)理論研究等領(lǐng)域。

　　主動(dòng)型氫脈澤是利用微波諧振腔內(nèi)氫原子超精細(xì)磁能級(jí)躍遷釋放的電磁波能量來維持自激振蕩,氫原子在儲(chǔ)存泡內(nèi)做無規(guī)則運(yùn)動(dòng)停留大約1 s 的時(shí)間, 為防止高能態(tài)氫原子與其他原子發(fā)生碰撞引起頻移導(dǎo)致脈澤輸出信號(hào)質(zhì)量下降甚至消失, 此過程必須在高真空環(huán)境下進(jìn)行。熱力學(xué)理論來解釋, 高真空度使空間內(nèi)粒子密度降低有效增大高能態(tài)氫原子自由程, 降低原子碰撞幾率[ 1] 。雙真空主動(dòng)型氫脈澤不僅使其腔泡處于高真空當(dāng)中, 用于控溫和屏蔽磁場(chǎng)的系統(tǒng)也置于真空當(dāng)中, 不僅有利于提高脈澤的控溫和保溫性能, 還可以有效減小物理部分體積和質(zhì)量。

1、真空泵的選擇

　　氫脈澤的工作介質(zhì)是氫氣, 在工作中未能解離的氫原子、選態(tài)中偏轉(zhuǎn)到空間內(nèi)的低能態(tài)氫原子、儲(chǔ)存泡內(nèi)完成躍遷的高能態(tài)原子及內(nèi)部材料釋放的雜質(zhì)氣體都需要及時(shí)抽走, 以滿足氫脈澤高真空度工作環(huán)境, 氫脈澤工作時(shí)的真空度一般為1X10-5~5X10-4Pa, 本底真空度為1.33X10-6Pa。氫脈澤的工作特點(diǎn)決定了真空泵的選擇必須滿足: 抽氣性能穩(wěn)定, 真空泵工作環(huán)境無污染, 抽氣極限真空度要高, 對(duì)氫、氦等小分子量氣體及惰性氣體抽速要大且不易飽和, 操作簡(jiǎn)單, 使用安全。此外, 實(shí)際工程中氫脈澤需要烘烤除氣, 所選真空泵必須耐高溫烘烤[2] 。

　　在主動(dòng)型氫脈澤當(dāng)中, 開創(chuàng)性地實(shí)現(xiàn)了雙真空結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并取得了試驗(yàn)成功。雙真空結(jié)構(gòu)成功實(shí)現(xiàn)了脈澤腔泡分離, 有利于儲(chǔ)存泡獲得一個(gè)高真空度的純凈環(huán)境。同時(shí), 避免了脈澤反復(fù)拆裝導(dǎo)致儲(chǔ)存泡由于多次暴露大氣致使內(nèi)壁涂層遭受的污染。外真空結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)不僅使脈澤溫控能力有大幅改善而且還減小了脈澤體積, 減輕了重量, 向氫脈澤小型化邁出了堅(jiān)實(shí)一步。今后, 將進(jìn)一步做更長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)控測(cè)試, 以驗(yàn)證該雙真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)的長(zhǎng)期可靠性。

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