激光陀螺吸氣劑的測試方法研究

唐 苗，高 川，汪世林

(1.海軍駐某院軍事代表室，北京 100074； 2.北京自動化控制設備研究所，北京 100074)

0 引言

激光陀螺是一種光電式慣性敏感元件，具有高靈敏度、大動態范圍、啟動速度快、對加速度不敏感、數字化輸出等優勢。目前，激光陀螺已經大量應用于航空飛行器、航天飛機、陸用戰車導航系統、艦船及潛艇導航系統、無人機、導彈導航制導等領域[1-5]。

激光陀螺作為一種He-Ne激光器，其核心部件環形諧振腔是在一定真空度條件下充入一定比例氦氖混合氣體進行工作的。由于腔體材料、封接部位等的微滲漏以及腔內吸附氣體的釋放等因素，使得腔內氣體的純度在陀螺長時間存儲、使用過程中會發生變化出現雜氣。為保證激光陀螺全壽命周期內的腔內氣體純度，將吸氣劑置于諧振腔內部吸附雜氣。若吸氣劑出現性能提前衰減，或陀螺所處的溫度環境發生變化導致陀螺雜氣釋放量增加并超過吸氣劑的吸氣量，會導致雜氣積累，將嚴重影響激光陀螺的性能，甚至導致無信號輸出，激光陀螺無法工作至壽命期限。

因此，激光陀螺吸氣劑的測試對于激光陀螺的長期穩定性至關重要，當前吸氣劑的主要檢測方法為定容法、定壓法等，主要針對吸氣劑的吸氣性能進行測試[6-9]，而針對吸氣劑在激光陀螺使用環境中的測試，則需要考慮結構強度、激活條件等多方面因素。因此本文主要根據激光陀螺的使用需求，對激光陀螺所使用的吸氣劑的結構強度、吸氣效能以及激活條件進行研究，提出了一種含振動沖擊篩選與質譜檢測等手段相結合的綜合檢測方法，以確保所使用的吸氣劑滿足激光陀螺的使用需求。

1 激光陀螺吸氣劑工作機理研究

在真空設備中，固體材料與氣體之間存在著如下相互作用：吸附——固體表面聚集一層或多層氣體的現象；吸收——氣體擴散滲入固體內部并被溶解的現象;解吸——被材料吸附的氣體或蒸氣的釋放現象。

激光陀螺是真空器件，在其壽命期內的存儲與工作過程中，諧振腔內的所有固體器件與氣體將會發生以上三種相互作用，因此陀螺諧振腔內的真空狀態是動態平衡的：

一方面為雜質氣體的增量過程，包括諧振腔的微量滲漏，以及在生產過程中腔內固體吸附的氣體隨時間的積累而逐漸解吸，此時對于諧振腔內除吸氣劑外的所有固體器件，氣體的解吸將大于雜質氣體的吸附與吸收作用，解吸占主導地位，釋放氣體；另一方面為雜質氣體的減少過程，若諧振腔內部的合金吸氣劑正常工作，那么吸氣劑對活性氣體具有很高的抽氣能力，在此過程中吸氣劑對活性雜質氣體的吸附與吸收作用將遠大于解吸的作用，因此諧振腔內部的真空度得以保持。

吸氣劑的吸氣過程分為：1)表面吸附；2)內部擴散。表面吸附分為物理吸附以及化學吸收。物理吸附是根據產生于分子或原子之間的靜電相互作用的范德華力(即分子間作用力)，當氣體分子碰撞吸氣劑固體表面時，氣體分子可能被排斥彈出，也可能被吸附，吸附氣體分子的束縛力可以很強，

也可能比較微弱。化學吸收是指諧振腔內產生雜氣的活性氣體成分與吸氣劑的活性組分之間發生化學反應而被吸收的過程。在以上兩種吸氣的過程中，化學吸附處于主導地位。內部擴散過程：吸氣劑表面吸附的氣體具有較大的表面遷移率，雜氣分子迅速地在吸氣劑的表面擴散開來，隨著表面擴散的進行，在一定條件下，擴散的雜氣分子將進一步向吸氣劑的吸氣劑合金內部擴散。擴散的形式主要包括：深入金屬表面凹陷及損傷部位；浸入晶界之間；擴散至結晶本身的缺陷之中；與金屬發生化學反應生成金屬化合物；與金屬形成固溶體。

2 激光陀螺吸氣劑的測試方法研究

通過以上分析得知，吸氣劑的性能對激光陀螺的正常工作至關重要，激光陀螺吸氣劑的測試原則包括：吸氣劑的結構強度測試，不同激活方式下的吸氣總量、吸氣速率測試。

2.1 激光陀螺吸氣劑的結構強度

吸氣劑分為蒸散型和非蒸散型兩大類[10]。蒸散型吸氣劑主要依靠金屬蒸散后形成的薄膜進行吸氣，以鋇、鍶、鎂、鈣及其合金為主，這種材料的缺點是容易蒸散到器件內壁各處，且結構較為松散，如圖1所示。非蒸散型吸氣劑通常包括鈦、鋯、鉿以及它們的合金，結構強度較高。

激光陀螺對器件的結構強度要求較高。按照某慣導系統的力學條件(如表1、表2所示)對分別安裝蒸散型與非蒸散型吸氣劑的激光陀螺進行振動沖擊試驗。在進行陀螺測試時，記錄功率信號的變化情況，同時在吸氣劑蓋板上作標記，通過對比振動前后吸氣劑位置，判定其位置是否曾經發生過位置躥動。

表1 隨機振動功能試驗條件

表2 沖擊試驗條件

注：助推器點火沖擊2次的時間間隔為試驗設備能夠達到的最短時間間隔。

試驗結果顯示：陀螺進行振動沖擊試驗的過程中，非蒸散型陀螺功率信號未發生明顯變化，振動前后吸氣劑未發生過位置躥動；試驗完成之后，開蓋觀察塊體吸氣劑安裝孔的內壁上未見明顯劃痕，顯微鏡觀測吸氣劑表面也沒有掉粉末。而蒸散型吸氣劑則出現了掉粉現象，因此激光陀螺吸氣劑的選型應首選非蒸散型結構強度較高的吸氣劑。

2.2 激光陀螺吸氣劑的吸氣性能

通過原理分析設計實驗，對長期放置的未安裝吸氣劑的激光陀螺內部氣體進行檢測，長時間放置后的陀螺諧振腔內累積的微量雜質氣體導致激光陀螺產生放電抽運效應，導致激光陀螺光強不穩定。在物理機理上，微量雜質氣體對激光陀螺光強的影響主要通過以下兩種途徑：首先是影響增益氣體的成分和密度分布，進而影響其放電抽運過程；其次是產生非均勻折射和色散效應。因此經長期存儲和使用后累積的微量雜質氣體將嚴重影響激光陀螺的光強穩定性。

對未安裝吸氣劑且長期放置的陀螺內部氣體進行光譜分析，從圖2中得出，除了氦、氖工作氣體的發光譜線之外，還有明顯含量的氫原子發光譜線及其他微量雜質氣體譜線，驗證了陀螺諧振腔內出現了明顯的雜質氫成分，檢測結果表明長期放置的激光陀螺內部的主要雜質氣體為氫氣。氫氣是超高真空中的主要殘余氣體，吸氣劑對氫及其同位素的吸收作用一直受到人們的關注[11]。因此，考核吸氣劑的吸氣能力主要采用吸氫速率以及吸氫量來衡量。

實驗檢測的激光陀螺選擇一種燒結型非蒸散型鋯基吸氣劑，該吸氣劑以氫化法生產的鋯粉為原料,按一定比例加入光譜石墨及LaNi5粉末(質量比Zr∶C∶LaNi5= 8∶1∶1) , 在氫氣保護下均勻混合后壓制成一定形狀的吸氣劑, 將壓制后的吸氣劑片經高真空預結, 在950℃的溫度下燒結成型。該吸氣劑對氫氣具有較好的吸氣效果[12]，如圖3所示，為該型吸氣劑在相同激活條件下對氫氣以及其他大分子氣體的吸氣特征曲線。

暴露大氣后的吸氣劑表面會覆蓋著一層H2O、CO2和碳氫化合物，占據了合金表面的吸附位，導致吸氣劑喪失吸氣能力。因此，吸氣劑必須進行高頻加熱的激活處理[13]，吸氣劑實際發揮的有效作用與激活程度有關，吸氣劑激活參數包括激活溫度和時間。下面對鋯基吸氣劑(0.6g)進行不同激活條件下的吸氣能力檢測，測試方法采用動態定壓法，測試氣體純度為不低于99.99%[14-15]的氫氣，測試結果如表3所示，鋯基吸氣劑在兩種不同的激活條件下的吸氣量分別為0.947Pa·L、1.491Pa·L，后者為前者的1.5倍。可見在評估陀螺吸氣劑的吸氣性能時，必須明確激活條件，并在制定陀螺吸氣劑的激活工藝時，首先保證陀螺吸氣劑在壽命期內具備一定的吸氣余量的同時確保對陀螺的其他器件不會造成熱損傷。

表3 吸氣劑在不同激活溫度條件下吸H2的特征曲線

2.3 激光陀螺吸氣劑測試方法的驗證試驗

為了驗證激光陀螺吸氣劑測試方法的有效性，對不同狀態的陀螺內部的氣體質譜檢測進行試驗驗證，將四種狀態的激光陀螺進行質譜檢測試驗，陀螺狀態如表4所示，檢測結果如表5所示。

表4 實驗陀螺狀態表

表5 實驗陀螺質譜檢測數據

陀螺1由于未安裝吸氣劑，雜氣含量高達3.24%，增益介質發生變化；陀螺2吸氣劑正常工作驗證了在該標準激活條件下，吸氣劑在陀螺的長期存儲過程中起到了吸收雜氣的作用，吸氣劑的吸附能力遠大于陀螺諧振腔內部器件的氣體解吸能力，腔內純度較高，驗證了吸氣劑在陀螺中的吸氣性能正常發揮；陀螺3與4進行了高溫長期烘烤，加速了陀螺內部雜質氣體的解吸速率，解吸量相當于壽命期內的雜氣總釋放量。觀測結果顯示，陀螺4的工作氣體純度與陀螺2相近，表明吸氣劑在壽命期內，吸氣劑性能未飽和，陀螺工作正常；陀螺3則出現了雜氣積累，證明該低于標準的激活條件不能滿足陀螺的規定壽命期內的需求。通過以上分析得出，通過對不同狀態的陀螺內部氣體質譜檢測，可以進一步驗證激光陀螺吸氣劑的測試方法，能夠有效測試某選型吸氣劑是否滿足激光陀螺的需求。

3 結論

在激光陀螺的使用中，諧振腔工作氣體的成分是影響激光陀螺光強穩定性的主要因素。本文基于大量實際試驗數據，對比不同結構強度，不同激活條件以及不同狀態的陀螺內部氣體成分，明確了判斷吸氣劑是否符合激光陀螺的使用標準。

1)吸氣劑機構強度高，通過振動沖擊篩選試驗對吸氣劑的結構強度進行測試，以確保吸氣劑的結構強度滿足激光陀螺的使用要求；

2)吸氣劑吸氫能力強，對吸氣劑的吸氫量以及吸氫速率進行檢測，確保吸氣劑的吸氣性能滿足陀螺的使用要求，即吸氣劑的吸氣量應大于陀螺壽命期內的雜氣釋放量。

3)確保吸氣劑的激活條件滿足陀螺需求，通過在某激活條件下的吸氣劑吸氣性能測試以及質譜檢測手段共同驗證該激活條件是否最佳，以確保吸氣劑的吸氣性能滿足激光陀螺的需求。