被动型氢原子钟吸气剂泵的应用研究

　　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。

　　1　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0·35 g国产钛丝和国外的吸气剂样品均压制成Φ10 mm×2·2 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800℃的高温下激活后将温度降到室温(25℃),然后采用定压法(工作压强2·7×10-4Pa)测试吸气剂的吸氢性能,得到的结果见图1和图2。

　　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。

　　2　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0·153MPa·l/Year×10Year=1·53 MPa·l的吸氢能力(被动型氢钟每年用氢量0·153 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。