汞離子微波頻標汞光譜燈設計

王暖讓 陳 星 趙 環 葛 軍

(北京無線電計量測試研究所，計量與校準技術重點實驗室，北京100039)

1 引 言

離子微波頻標對中國軍事武器裝備的研制具有重要意義。近年來，氫鐘、銣鐘和銫鐘等傳統原子頻標已廣泛應用于科學實驗、國家/國防守時授時、深空探測和北斗衛星導航系統等領域[1-4]。隨著星載空間環境下對高精度長壽命守時、戰場環境下武器裝備移動高可靠守時等對原子頻標的新需求不斷涌現，在氫、銣、銫等傳統頻率標準之外，發達國家正在開展離子微波頻標等新型原子頻標的研制和應用工作，未來5～30年內可以預見離子微波頻標的地位尤為重要，將成為中長期內軍事高精度量子頻率標準的研究主體，也是有望應用于時間頻率計量校準以及下一代導航定位和空間探測的空間星載和地面的最高時間頻率標準。離子微波頻標種類較多，汞離子微波頻標是唯一能夠同時具備高性能指標和體積重量優勢的離子微波頻標[5-7]，但是研制難度較大，很多關鍵技術尚未突破，其中最關鍵的技術就是高穩定、高可靠性、窄線寬光抽運譜燈的設計。高效光抽運譜燈的研制是實現高性能、高可靠和小型化汞離子微波頻標的必要條件，并且可大大提高汞離子微波頻標的壽命，有效降低使用成本。

2 汞光譜燈理論分析

汞離子微波頻標的工作物質為199Hg+，其能級示意圖如圖1(a)所示。202Hg+能級示意圖如圖1(b)所示，其具有波長194.2nm的D1譜線[8]，其波長與199Hg+的2S1/2態的超精細能級F=1和激發態2P1/2的初始態之間的躍遷頻率波長比較接近，可用來進行光抽運，抽空199Hg+基態超精細結構F=1態上的離子。然后離子通過自發輻射從激發態回到2S1/2態，再通過抽運光進行抽運，最終完成態的制備，此時絕大部分離子在2S1/2的F=0態。再通過喇叭天線施加40.5GHz微波場，離子即會發生微波共振，利用外加的微波場使離子由F=0態躍遷到F=1態，則F=1態離子數量增多，通過收集此過程的熒光數量，即可得到躍遷譜線。

202Hg+汞燈能夠作為199Hg+抽運的光源，取代深紫外激光器，因為深紫外激光器研究難度巨大，體積也很龐大，這也是199Hg+頻標能夠進行小型化的的原因之一。但增強汞燈的光強、提高譜線的穩定度是亟需解決的關鍵技術。

在低壓高頻等離子體中，引起光譜線增寬的主要是多普勒效應，與原子溫度有關。因此，原子的速度滿足麥克斯韋分布，譜線形狀為高斯型。

(1)

(2)

式中：ΔνG——高斯的半峰寬；ν——頻率；ν0——中心頻率；T——輻射原子的溫度；μ——質量數。

當T=333K，μ=199，波長為λ=194.2nm的多普勒寬度為

ΔνG=1.67GHz

且

由自然加寬Δνnat，共振加寬Δνres和周圍粒子的相互作用引起的增寬Δνint都可以用洛侖茲函數表示

(3)

其中，

ΔνL=Δνnat+Δνres+Δνint

(4)

汞離子譜線194.2nm的洛侖茲寬度大約為0.002cm-1。根據1/δ=Δν/c，洛侖茲寬度為

Δν=3×108×0.2Hz=0.06GHz

所有進程都會產生高斯和洛侖茲型增寬。因此，同時考慮這兩種增寬，可由Voigt函數表示

(5)

其中，

(6)

(7)

(8)

通過理論分析，可以發現所需194.2nm譜線線寬主要受限于汞離子與其他粒子之間的相互作用，要達到理想的指標，需要控制發光泡內的殘余氣體，即發光泡內的真空度需要達到E-6Pa量級，并且充入的起輝氣體的量要適中(可通過實驗確定)。在此基礎上通過實驗進行其它參數的優化，即可得到滿足使用需求的汞燈。

3 汞光譜燈實驗研究

汞燈由汞蒸汽泡和高頻激勵源組成。汞蒸汽泡中起輝氣體成份和壓強直接影響汞燈的所需譜線的強度、穩定性和壽命等性能指標，可通過優化設計并通過反復實驗來確定燈泡的配氣比以得到滿足需求的汞蒸汽泡。汞蒸汽泡是無極燈發光的核心部分，輻射譜線的性質很大程度上由其決定，尤其受到充汞和氬氣量的影響。汞泡的設計主要包括如下四個方面。

1)發光泡材料選擇：由于汞離子光譜燈的特殊要求，因此所用材料不能使用普通玻璃，必須選擇石英材料，并且發光端面為平面，需采用JGS1材料，對194.2nm光的透過率在90%以上。在此基礎上可嘗試使用藍寶石材料，此材料純度較高，不易與汞發生反應，但是其介電系數較大，損耗會稍大；

2)發光泡形狀設計：發光泡照片如圖2所示，由于汞燈離子譜線激發需要功率較大，并且發光泡內的汞處于液體狀態，因此需要設計發光泡冷端并進行溫控，使汞穩定在冷端，以免影響光強。因此，設計了如圖2(b)的發光泡，該形狀更適合用于汞燈，其中內徑為8mm，長度為20mm。其中，難點之一是發光泡與冷端的連接處需要控制在1mm以內，難點之二是JGS1與普通石英的連接；

圖2 發光泡實物圖Fig.2 The picture of bulb

3)發光泡充制工藝流程設計：基于當前的充泡工藝，需要重新設計工藝流程，流程如下。

第一步：清洗發光泡。具體包括：10%左右氫氟酸容易浸泡外殼10min左右；蒸餾水稀釋清洗5次；氨水中和沖洗；蒸餾水沖洗；超聲波清洗半小時左右；蒸餾水清洗；

第二步：清除發光泡內其它雜質氣體。具體如下：利用真空泵組對泡進行除氣，使泡內真空度達到5E-6Pa左右；利用烤箱/加熱帶加熱烘烤，烘烤時間24h左右，烘烤溫度400℃左右；

第三步：充入緩沖氣體。通過調節微漏閥，向泡里充入氬氣，利用壓力規檢測充入氣體的壓強；

第四步：注入汞。充入緩沖氣體后，關閉閥門，將發光泡和裝汞的玻璃管一起切下，將玻璃管里的汞通過玻璃管緩慢倒入泡里，然后將玻璃管切下去，將泡密封，完成制泡；

4)發光泡內配氣比設計：汞原子譜線(254nm)和離子譜線(194nm)輻射強度隨著氬氣壓的變化，參數為輸入功率15W，管徑尺寸8mm，如圖3所示。

圖3 輸入功率為15W，194nm和254nm譜線強度(相對值)Fig.3 The light power of 194nm and 254nmchanges with argon pressure

通過調整電壓、電流值，改變輸入的功率，得到194.2nm譜線的強度，如圖4所示。經測試，在輸入功率3W時，汞光抽運譜燈開始發光。

圖4 不同功率下194.2nm譜線強度曲線圖Fig.4 The intensity of 194nm changes with the power of RF circuits

同時，對汞燈進行溫度測試，找到汞燈工作的最佳點，其變化圖形如圖5所示。

圖5 不同溫度下194nm譜線強度曲線圖Fig.5 The intensity of 194nm changes with the bulb temperature

為了驗證汞燈的性能，測試了20min曲線，如圖6所示，進行了3天不間斷測量，經計算其強度穩定度約為±2.5%。

圖6 194nm譜線穩定性測量圖Fig.6 The power stability of 194nm

設計加工的新型汞燈如圖7和圖8所示。結構為邊長50mm的正方體，經測試，指標穩定，達到使用需求。

圖7 新型汞燈結構示意圖Fig.7 The sketch map of the new mercury lamp

圖8 新型汞燈實物圖Fig.8 The picture of the new mercury lamp

4 結束語

高性能、小型化及高環境適應性的汞離子微波頻標有許多潛在的應用需求，而其最關鍵組件——汞光譜燈的研制尤為重要。汞燈的設計需要經過大量的實驗，發光泡的研制工藝復雜，所需周期較長；汞燈激勵電路需要功率和頻率較高，需要大量調試；激勵電路與發光泡的耦合也需要反復設計和實驗，通過長時間的大量的實驗研究，我們已經基本把握了汞燈的關鍵技術。但是目前仍有幾個問題需要解決，一是194nm譜線的精確測量，以完善對汞燈的性能評價；二是汞燈長時間工作后，會對泡壁產生污染，影響汞燈的使用壽命，有待繼續進行深入研究，期待盡快取得突破性進展。