清潔、抽速穩定的高真空系統是氫脈澤工作必不可少的組成部分之一。文章詳細介紹了雙真空主動型氫脈澤真空系統的組成及各個組成部分的設計思路、方法。內容涉及真空的獲得、真空泵的選擇、氫脈澤物理部分雙真空系統設計、流導及抽速的計算、泵體結構的設計和實驗驗證。實驗發現,設計完畢的氫脈澤雙真空系統保溫效果較以前大幅改善,內外真空室本底流量為0.1 mA,工作流量值穩定在0.7mA時氫脈澤穩定輸出-105 dBm信號,關閉流量后內真空抽真空本底時間約為8 min。表明內外真空室離子泵均達預期設計指標且工作正常。此外,該設計還進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實一步。

　　關鍵詞:真空系統;流導;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

　　氫脈澤作為一種時間頻率測量設備以其高準確度和良好的中長期穩定度廣泛應用于衛星導航與定位、深空探測、基礎理論研究等領域。

　　主動型氫脈澤是利用微波諧振腔內氫原子超精細磁能級躍遷釋放的電磁波能量來維持自激振蕩,氫原子在儲存泡內做無規則運動停留大約1 s 的時間, 為防止高能態氫原子與其他原子發生碰撞引起頻移導致脈澤輸出信號質量下降甚至消失, 此過程必須在高真空環境下進行。熱力學理論來解釋, 高真空度使空間內粒子密度降低有效增大高能態氫原子自由程, 降低原子碰撞幾率[ 1] 。雙真空主動型氫脈澤不僅使其腔泡處于高真空當中, 用于控溫和屏蔽磁場的系統也置于真空當中, 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量。

1、真空泵的選擇

　　氫脈澤的工作介質是氫氣, 在工作中未能解離的氫原子、選態中偏轉到空間內的低能態氫原子、儲存泡內完成躍遷的高能態原子及內部材料釋放的雜質氣體都需要及時抽走, 以滿足氫脈澤高真空度工作環境, 氫脈澤工作時的真空度一般為1X10-5~5X10-4Pa, 本底真空度為1.33X10-6Pa。氫脈澤的工作特點決定了真空泵的選擇必須滿足: 抽氣性能穩定, 真空泵工作環境無污染, 抽氣極限真空度要高, 對氫、氦等小分子量氣體及惰性氣體抽速要大且不易飽和, 操作簡單, 使用安全。此外, 實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] 。

　　在主動型氫脈澤當中, 開創性地實現了雙真空結構設計并取得了試驗成功。雙真空結構成功實現了脈澤腔泡分離, 有利于儲存泡獲得一個高真空度的純凈環境。同時, 避免了脈澤反復拆裝導致儲存泡由于多次暴露大氣致使內壁涂層遭受的污染。外真空結構的設計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實一步。今后, 將進一步做更長時間的監控測試, 以驗證該雙真空系統設計的長期可靠性。

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