鄭 寧，楊 軍，陳 江，王 驥，劉志棟，郭美如

（蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000）

0 引言

銫束管是銫原子鐘的核心部件，利用銫133原子的超精細(xì)能級從F=3（mF=0）到F=4（mF=0）的躍遷譜線對激勵信號起鑒頻作用，與頻標(biāo)電路形成閉環(huán)鎖定，輸出穩(wěn)定的頻率信號[1]。

銫束管是一個復(fù)雜的電真空器件，涉及到的材料有聚酰亞胺、鋁、不銹鋼、鎳、無氧銅、石墨、陶瓷、金屬銫等。在銫束管研制過程中，制定了相應(yīng)的清洗、去油、真空除氣工藝，同時銫束管在封裝過程中經(jīng)歷了長時間的高溫烘烤真空除氣。銫束管工作時，材料表面放氣及銫爐產(chǎn)生的彌散銫原子成為影響銫束管真空度的關(guān)鍵因素。銫束管選用濺射離子泵來維持真空度。本文對銫束管的真空設(shè)計(jì)進(jìn)行討論，測試濺射離子泵的各項(xiàng)性能指標(biāo)，并對銫束管的長期真空維持特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 銫束管的真空設(shè)計(jì)

銫原子束流軌跡如圖1所示，銫原子束從銫爐噴出后，經(jīng)過A選態(tài)磁鐵偏轉(zhuǎn)進(jìn)入微波腔，在微波腔內(nèi)躍遷的銫原子被B選態(tài)磁鐵偏轉(zhuǎn)進(jìn)入檢測器。在這個過程中，除了正常被選態(tài)磁鐵偏轉(zhuǎn)外，銫原子還與銫束管內(nèi)殘留的氣體分子發(fā)生碰撞，壓力越小，發(fā)生碰撞的銫原子越少，到達(dá)檢測器的原子束流量越大，信號越強(qiáng)，信噪比越高。

圖1 銫原子束流軌跡示意圖Fig.1 Schematic diagram of cesium beam path

在銫束管中銫原子束流強(qiáng)度隨束源距離的增大而減小，距束源l處的束強(qiáng)I（單位時間內(nèi)通過單位面積的原子數(shù)）為：

式中：I為有碰撞情況下的束強(qiáng)；I0為無碰撞情況下的束強(qiáng)；l為準(zhǔn)直器到離化絲之間的距離；λ為氣體分子的平均自由程。銫束管從大氣狀態(tài)下開始抽氣，假設(shè)殘余氣體的成分仍然以空氣為主，對于20℃的空氣，平均自由程λ與壓力p的關(guān)系可簡化為λ=6.667×10-3/p，代入式（1）可以得出銫原子相對束流強(qiáng)度為：

對于小型銫束管來說，準(zhǔn)直器與離化絲之間的距離l=0.4m，當(dāng)壓力變化為10-6～10-4Pa時，相對應(yīng)的束流強(qiáng)度計(jì)算值如表1所列。

表1 銫原子相對束流強(qiáng)度與壓力的關(guān)系Tab.1 Dependence of the relative beam intensity on the pressure

通過以上計(jì)算可知，當(dāng)壓力小于1×10-5Pa時，會有99.94%的銫原子不與氣體分子發(fā)生碰撞，可以從準(zhǔn)直器到達(dá)離化絲，滿足銫束管對壓力的要求。進(jìn)一步降低壓力，對銫原子束流強(qiáng)度的改善效果越來越小。

在銫束管內(nèi)必須安裝濺射離子泵來長期維持銫束管內(nèi)的真空度。濺射離子泵依據(jù)潘寧放電原理，在電場和磁場的聯(lián)合作用下，較長的一段時間內(nèi)形成持續(xù)放電，把各種氣體埋在濺射沉積的鈦層中[2]。潘寧放電是一種在很低壓力下仍能自持的放電，故能在高真空與超高真空環(huán)境使用。由于濺射離子泵抽速小，銫束管內(nèi)零部件多，因此，不僅對材料選擇、真空除氣工藝等有嚴(yán)格的要求，還要特別注意零部件的真空保護(hù)存放、銫束管組裝環(huán)境和真空潔凈度等，以免造成對各零部件的污染。

2 銫束管超高真空維持特性測試

銫束管工作時，從材料表面釋放的氣體和從銫爐噴射出的銫原子被濺射離子泵抽除，當(dāng)放氣量與濺射離子泵的抽速相等時，達(dá)到動態(tài)平衡。在銫束管貯存期間，材料表面釋放的氣體逐漸累積，壓力升高，但管內(nèi)壓力不能大于濺射離子泵的啟動壓力，需定期給銫束管加電抽除氣體。因此，濺射離子泵的抽速，啟動壓力對銫束管的真空設(shè)計(jì)具有重要的參考意義。

2.1 濺射離子泵抽速測試系統(tǒng)及測試方法

濺射離子泵抽速測試系統(tǒng)主要由氣體流量計(jì)、校準(zhǔn)室、真空規(guī)、抽氣系統(tǒng)、烘烤系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成[3]。

圖2 濺射離子泵抽速校準(zhǔn)裝置工作原理圖Fig.2 Schematic diagram of pumping speed calibration standard device

濺射離子泵抽速測試采用流量計(jì)法[4]，其工作原理圖如圖3所示。

圖3 流量計(jì)法抽速測試原理圖Fig.3 Schematic diagram of pumping speed test by flow meter method

當(dāng)校準(zhǔn)室處于高真空時，將恒定氣體流量Q引入校準(zhǔn)室，進(jìn)入校準(zhǔn)室的氣體被待測濺射離子泵抽走，當(dāng)校準(zhǔn)室內(nèi)壓力保持不變時，即達(dá)到動態(tài)平衡，pb為校準(zhǔn)室的平衡壓力。在理想狀態(tài)下（校準(zhǔn)室沒有漏放氣），進(jìn)入校準(zhǔn)室的氣體流量Q等于濺射離子泵抽走的氣體流量，濺射離子泵抽速S可用式（3）計(jì)算：

由式（3）可知，濺射離子泵的抽速就是氣體流量與校準(zhǔn)室平衡壓力比，提高流量計(jì)微小流量測量精度和壓力測量精度是流量計(jì)法測試濺射離子泵抽速的關(guān)鍵。在非理想狀態(tài)下，校準(zhǔn)室內(nèi)的氣體流量應(yīng)考慮材料放氣率[5]和真空計(jì)抽速的影響。因此，校準(zhǔn)室使用全金屬材料，并對材料進(jìn)行高溫除氣處理來減小放氣率。

2.2 銫束管超高真空維持測試

銫束管內(nèi)不能直接測量壓力，因此銫束管的超高真空維持測試，需要對濺射離子泵在不同壓力下的工作電流進(jìn)行測試，根據(jù)工作電流與壓力的關(guān)系來判斷銫束管內(nèi)的壓力。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 濺射離子泵抽速測試

抽速測試按照如下步驟進(jìn)行：首先將待測濺射離子泵安裝在校準(zhǔn)裝置上，并進(jìn)行檢漏；然后啟動抽氣機(jī)組抽氣，當(dāng)校準(zhǔn)室內(nèi)的壓力小于1.0×10-3Pa時，對校準(zhǔn)室及濺射離子泵進(jìn)行烘烤除氣24 h，烘烤溫度300℃；當(dāng)烘烤結(jié)束后，啟動濺射離子泵，關(guān)閉抽氣機(jī)組閥門，打開流量計(jì)閥門使氮?dú)庖院愣髁窟M(jìn)入校準(zhǔn)室，測量校準(zhǔn)室進(jìn)氣后的平衡壓力，用式（3）計(jì)算濺射離子泵的抽速。

抽速測試結(jié)果如圖4所示，濺射離子泵對氮?dú)獾淖畲蟪樗贋?.184 L/s，是對干燥空氣抽速的90%[6]。

圖4 濺射離子泵抽速曲線Fig.4 Pumping speed curve of sputtering ion pump

由于電離真空計(jì)本身也具有一定的抽速，抽速在10-2～10-1L/s[7]之間，因此上述測量方法只適用于1.0×10-4Pa以上壓力的精確測量[8]。

濺射離子泵抽速測量在微型真空泵校準(zhǔn)裝置上完成，測量誤差主要來源于測試室內(nèi)壁放氣、壓力的測量、流導(dǎo)的測量等，在不同壓力范圍，其對應(yīng)的測量誤差也不一樣[3]。

3.2 濺射離子泵工作電流與壓力的關(guān)系

濺射離子泵工作電流與壓力的關(guān)系如圖5所示，當(dāng)壓力小于2.0×10-6Pa時，電流趨近于0.1μA。密封型銫束管內(nèi)無法直接測量壓力，可以用圖5來判斷銫束管內(nèi)的壓力[9]。

圖5 濺射離子泵工作電流與壓力的關(guān)系曲線Fig.5 Relationship between working current and pressure of sputtering ion pump

3.3 壓力測量

測試室內(nèi)壓力為1.0×10-1Pa時，啟動濺射離子泵，在115 s后，測試室內(nèi)的壓力即可達(dá)到5.0×10-5Pa。當(dāng)壓力大于1.0×10-1Pa時，濺射離子泵高壓電源啟動保護(hù)功能，無法工作。銫束管內(nèi)壓力在1.0×10-3～1.0×10-1Pa之間時，濺射離子泵工作電流增大會導(dǎo)致大量的鈦沉積到絕緣陶瓷板上，使絕緣陶瓷板金屬化，絕緣強(qiáng)度降低，壽命降低。

3.4 銫爐溫度與壓力的關(guān)系

銫原子鐘通過提高銫爐溫度來提升性能。在銫束管內(nèi)零部件表面放氣量不變的情況下，銫爐溫度決定了銫束管內(nèi)的壓力。銫爐采用多孔準(zhǔn)直通道，單位時間內(nèi)從銫爐溢出的原子數(shù)為[1]：

實(shí)驗(yàn)測試了銫爐溫度在90～150℃之間變化時濺射離子泵的工作電流，如表2所列，從工作電流可以推導(dǎo)出銫束管內(nèi)的壓力。當(dāng)銫爐溫度在90～130℃之間時，銫束管內(nèi)的壓力在10-6Pa量級，當(dāng)銫爐溫度升至140℃時，濺射離子泵最大電流為0.8μA，對應(yīng)的壓力約為2.0×10-5Pa。

表2 銫爐溫度與濺射離子泵電流的關(guān)系Tab.2 The relationship between temperature of Cesium oven and working current

3.5 銫束管真空保持實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)用銫束管貯存期超過1年，銫束管真空保持實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所列。數(shù)據(jù)表明，銫束管經(jīng)過真空高溫烘烤后，管內(nèi)放氣量很小，長期儲存后真空保持較好，濺射離子泵啟動電流沒有超出設(shè)計(jì)值，初始電流為4μA，20 s后，工作電流達(dá)到0.1μA，對應(yīng)的壓力達(dá)到了10-6Pa量級。

表3 濺射離子泵工作電流Tab.3 Current of sputtering ion pump

4 結(jié)論

銫束管的工作壓力應(yīng)小于1×10-5Pa，此時銫原子相對束流強(qiáng)度達(dá)到了99.94%，進(jìn)一步降低壓力，對銫原子束流強(qiáng)度的改善效果越來越小。濺射離子泵測試結(jié)果表明，壓力為1.0×10-3Pa左右時抽速最大，最大啟動壓力為1.0×10-1Pa。銫爐溫度在90～130℃之間時，濺射離子泵抽速可滿足使用要求，當(dāng)銫爐溫度升高至140℃以上時，壓力變大，信噪比降低，必須提高濺射離子泵的抽速來保持銫束管內(nèi)的真空。銫束管封裝過程中，必須通過真空高溫烘烤除氣工藝減小銫束管內(nèi)的材料放氣率。銫束管長期儲存后，濺射離子泵仍然可以正常啟動，且在20 s內(nèi)即可將銫束管壓力抽至1.0×10-5Pa以下，達(dá)到銫束管正常工作所需的真空度。由于濺射離子泵有最大啟動壓力，因此，銫束管在儲存期間，須定期啟動濺射離子泵抽除管內(nèi)氣體以維持銫束管內(nèi)真空環(huán)境。