一種應用于空間氫鐘的C場組件設計

王文明

(北京無線電計量測試研究所，北京100039)

一種應用于空間氫鐘的C場組件設計

王文明

(北京無線電計量測試研究所，北京100039)

基于零磁環境下，以空間主動氫脈澤對C場組件實際功能要求為設計依據，首先借助電磁理論,同時兼顧工程設計確定中心場及補償場線圈的繞制方法及圈數;其次通過通電螺線圈的經驗公式計算獲得目標均勻靜磁場所需要的穩恒電流；最后借助仿真優化及實驗驗證，確定中心場及補償場線圈電流分別為0.378mA和0.259mA時可實現小于1%的場不均勻度，由此引起的氫鐘磁場不均勻頻移可以忽略。

C場組件；空間氫鐘；磁場

0 引言

氫鐘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。C場是氫鐘當中的關鍵組件，主要用于產生一個均勻、穩恒的弱磁環境，使氫原子F=1，mf=0態的磁能級與其他三個磁能級分開[1]，同時保持磁矩處于某一特定取向。其產生磁場的大小尤其均勻度決定著氫鐘的準確度及穩定度水平。

雖然傳統氫鐘C場組件的設計方案及制作工藝均已固化，但無法滿足工作于空間環境的氫鐘[2]。這不僅是因為其結構要根據相關聯組件重新做適配設計，而且其設計工藝不滿足空間氫鐘內的高真空環境要求。因此，需對C場組件重新做結構和工藝設計。

1 C場組件的結構設計

C場組件位于微波腔與內層屏蔽之間，其在泡區磁場的方向與微波腔磁矢量方向相同，其圓筒狀設計恰好與H011腔同軸。應用于地面氫鐘的C場組件多暴露于大氣環境，通常采用PCB制作，工藝簡單可靠且線圈均勻(見圖1)，但存在材料放氣及受力易變形引起磁場分布變化的不足。空間氫鐘的C場組件工作環境為高真空，對所選用材料放氣率有特殊要求。設計中，以鈦材制成的微波腔緊固筒同時作為C場導線的結構筒，考慮到可靠性設計要求，選用低放氣率絕緣鍍層材料的導線，在導線與微波腔緊固筒之間包覆一層聚四氟乙烯膜，且膜上等間距刻限位槽以保證導線均勻分布。實際上，導線緊密繞制最理想；但在實際應用中該方案不可靠，導線之間容易發生短路且考慮到工藝實現難度，其產生的磁場并不理想。同時，金屬導線自有的剛性較難實現緊密均勻繞制，且在制作過程中，由于作業環境因素難以保持其高真空環境設計要求，設計中導線限位槽間距定為5mm。

圖1 PCB板C場組件實物圖Fig.1 PCB C-field

理想導流線圈的內部磁場分布應為大小均勻、方向一致，但在實際工程應用中受結構尺寸限制，致使C場在泡區產生的磁場呈現出一定的梯度分布且取向不一致，由此引起原子躍遷中心頻率發生偏移并伴有譜線增寬，致使整鐘輸出信號指標下降[3]。空間氫鐘C場筒對稱兩頭各繞制等間距絕緣導線以消除磁場分布梯度。兩端導線的繞制寬度相對較短，本設計中繞制長度為20mm。為便于下文分析論述，在C場組件中定義緊固筒上等間距的導線為中心場，兩頭對稱分布導線為補償場，新制作的C場組件如圖2所示。

圖2 空間氫鐘C場組件實物圖Fig.2 Space hydrogen maser C-field

2 C場組件內磁場的理論計算

C場組件所產生靜磁場分布滿足畢奧-薩伐爾定律，圖3為過C場筒軸線任一平面與筒的相交面，其中取C場筒軸線為X軸、C場筒中心處為坐標原點O，設中心場截面內徑為R，線徑長度為L，單位長度內導線圈數為n，則X軸上任一坐標處靜磁場分布為[4]

(1)

其中，μ0=4π×10-7N/A，I表示流經導線的直流電數值

(2)

基于微波腔與內層屏蔽的有限空間，該C場筒結構尺寸取L=2R=310mm、n=200，X軸與泡區界面交點為A、B兩處且關于坐標原點O對稱，圓形泡區界面直徑大小為180mm，A、B兩處坐標分別為(-90，0)(90，0)且兩處磁場分布相同。上述三處對應的磁場分布為：

(3)

(4)

圖3 過C場筒軸線任一平面與其相交截面圖Fig.3 The intersect surface of C-Field and the plane over the axis

補償場寬度相較于中心場長度較小，可等效為單股通電導線，其對應坐標為兩個補償場的中間點，分別為(-145，0)和(145，0)，由單股線圈產生軸線分布場的計算公式[4]

(5)

推知，兩個補償場在X軸上任一坐標處靜磁場分布為：

(6)

(7)

由于上文提到計算式將補償場視為單股導線，式(6)、式(7)中I′等于補償場導線中電流I輔與補償場導線匝數(已知匝數為40)之積。將兩個場(三個線圈)產生靜磁場疊加，得到O、A、B三處的靜磁場分布為：

(8)

(9)

(10)

由于A、B兩處嚴格對稱，理論上兩處磁場分布相同。計算中僅取O、A兩點，若X軸線上C場組件產生的磁場均勻，則有

(11)

由量子頻標理論知，氫原子實際躍遷頻率與C場有如下關系

(12)

式中，f為氫原子實際躍遷頻率，f0為氫原子無磁環境下σ躍遷中心頻率，Hc為泡區磁場強度。C場組件內磁場強度越大，對應區域內磁場漲落效應越顯著，由此引起的磁不均勻度越大，最終氫鐘輸出頻率變化率就越大。為實現氫鐘10-13量級的準確度，通常取B≤1×10-7T，現取

(13)

計算求得中心線和補償場導線中的電流分別為：

(14)

3 C場組件仿真優化

前文所得結果，是以X軸線上的兩處代表性的點為研究對象，將式(14)中數值帶入式(15)

B總=B+B′+B″

(15)

借助仿真軟件得到C場組件X軸線上泡區內靜磁場分布曲線，如圖4所示。

圖4 X軸線上泡區內靜磁場分布曲線Fig.4 The magnetic induction distribution within the storage bubble region

顯然，X軸線上靜磁場分布并不均勻，造成這一結果的原因正是由于在設計過程中采用了以點代線的方法，即由特殊性代替一般性，因此取得這一結果也在情理之中。需要說明的是：雖然基于理論值下求得結果并不理想，但它具有十分重要的實驗指導意義。

在仿真環境下，基于前文理論計算結果，對通入三個線圈的直流電大小在該數值附近進行優化調節，分析不同取值下的X軸線靜磁場分布曲線，在中心場和補償場導線電流分別為0.378mA、0.259mA時，得到優于1%的磁場不均勻度，如圖5所示。

圖5 仿真調節后X軸線上泡區內靜磁場分布曲線Fig.5 Optimized magnetic induction distribution within the storage bubble region

式(12)可推得由磁場不均勻度所致的氫鐘輸出頻率相對變化率為

(16)

4 C場組件性能的試驗驗證

將圖2所示的C場組件安裝于驗收合格的磁屏蔽組件內并退磁，用直流電源分別給C場組件的三個線圈單獨供電，通電電流分別為0.378mA、0.259mA。在泡區范圍內沿X軸線方向平移磁通門磁強計探頭，同時每移動10mm記錄一個數值。測試結果顯示表明該C場組件內X軸線上的靜磁場的不均勻度小于1%，但磁場大小大于1mG。

上述結果可以通過磁屏蔽組件的工作原理解釋。因為磁屏蔽不僅可以將外界雜散磁場通過自身的高磁導率阻止其進入屏蔽的內環境，還可以將內環境的磁場封閉在其空間內。如此導致C場組件所產生的靜磁場幾乎全部分布在磁屏蔽組件的有限內部空間內，以至于改變了C場筒內的磁場分布，但要量值計算屏蔽筒內C場組件磁場分布根本是不可能的[5]。從工程角度講，求解屏蔽對C場組件場分布影響是沒有意義的，因為在氫鐘調試過程中，C場組件所需直流電的大小是要根據每臺鐘的不同狀態做具體調節的，甚至于調試完畢的氫鐘在更換工作場所時都要進行細微調整。

上述仿真求得的優化數值僅用作證明所設計C場組件可以實現指標要求，具體工程應用仍需對所加直流電流進行調試。

5 結論

本文從氫鐘對C場組件的工作要求出發，考慮具體工程設計中的局限性，得到主輔場線圈的繞制結構，然后通過數值計算及優化處理得到其工作參數，最后通過實驗測定驗證設計的合理性。

目前，該C場組件已裝配于某型號主動型氫鐘當中，脈澤信號最優時所對應的磁場撥盤值在經驗值附近，經過調試后，對該型號氫鐘進行指標測試，測試數據滿足設計指標要求。證明該C場組件已能夠穩定可靠地工作。

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[2] 蘇懷朋，趙振昊，孫永進，等.載人空間站空間科學應用研究[J].宇航學報，2014，35(9)：985-991.

[3] 袁博，裴曉強，陳江，等.星載銫鐘C場設計及磁場分析[J].宇航學報，2010，31(12)：2813-2817.

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[5] 王關中.絕束頻標中C 場裝置長度對其均勻性影響的研究[J].中國科學院上海天文臺年刊，1986，8(8)：190-196.

A Design of C-field for Space Hydrogen Maser

WANG Wen-ming

(Beijing Institute of Radio Metrology and Measurement，Beijing 100039,China)

Based on the requirement for hydrogen maser design constraints，the C-field is designed without considering the effect of magnetic shield in this paper.First，winding coil method and number of laps are gotten from the basic electromagnetic theory and engineering design point of views，then the target steady current which can generate a uniform magnetic field is calculated by Biot-Savart law，and finally when the main and auxiliary coil current are set at 0.378mA，0.259mA respectively by numerical calculation，simulation and experiment，the magnetic field inhomogeneous is less than 1% which can be neglected.

C-field；Space hydrogen maser；Magnetic field

2015-07-14；

2015-09-22。

王文明(1985-)，男，博士，高工，主要從事地面守時主動氫鐘、空間主動氫鐘及星載被動氫鐘方面的研究。E-mail：wwm_Kingdom@163.com

TH714

A

2095-8110(2016)01-0060-04