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(tǒng)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(fù)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(fù)合泵可以維持氫鐘13年以上的正常工作。經(jīng)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(fù)合泵已成功應(yīng)用在4臺被動型氫鐘上。

　　關(guān)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(yè)的迅速發(fā)展, 研制可靠性高、重量輕、體積小的氫原子鐘已成為氫頻標(biāo)發(fā)展的必然趨勢。在研制與生產(chǎn)氫原子鐘的主要國家中,真空維持系統(tǒng)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(jié)合的方式來解決只用離子泵產(chǎn)生的不穩(wěn)定和重量重、體積大的問題。這種復(fù)合泵可以做到10 年以上的使用壽命, 已經(jīng)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(jié)構(gòu)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(xué)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[4-8] 。

　　經(jīng)過一段時間的調(diào)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(fù)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(fù)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(chǎn)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(yè)機構(gòu)進行測試。兩個樣品是在同一個測試系統(tǒng)上, 在同樣的激活條件下, 之后又在同樣的溫度及真空度環(huán)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(jié)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(wěn)定。圖1 和圖2 中顯示: 國產(chǎn)吸氣劑在無論在吸氫速率還是在吸氫量方面都優(yōu)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(jīng)成功地應(yīng)用在氫原子鐘上, 可以預(yù)見, 把國產(chǎn)純鈦吸氣劑應(yīng)用到國產(chǎn)被動型氫原子鐘上也將取得良好的效果。

仿真實驗系統(tǒng)

　　為了使被動型氫原子鐘的真空系統(tǒng)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(tǒng)(圖3) 采用仿真結(jié)構(gòu), 不僅要驗證吸氣劑的吸氫能力和測試復(fù)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(yīng)用打下基礎(chǔ)。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(nèi)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(fù)合泵系統(tǒng), 小離子泵的應(yīng)用可以提高本底真空度, 通過離子泵電流還可以監(jiān)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(dāng)。

結(jié)果討論與應(yīng)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(dāng)于被動型氫鐘連續(xù)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(fù)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(jīng)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(jié)論: 本文研制的非蒸散型吸氣劑泵和極小型離子泵的復(fù)合泵完全可以在上海天文臺的被動型氫鐘上連續(xù)工作13 年以上。從2008 年復(fù)合泵研制成功, 至今已用在4 臺被動型氫鐘上, 全部運轉(zhuǎn)正常。在實際應(yīng)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(yīng)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

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