銫束管超高真空維持特性研究

鄭 寧，楊 軍，陳 江，王 驥，劉志棟，郭美如

（蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點實驗室，蘭州 730000）

0 引言

銫束管是銫原子鐘的核心部件，利用銫133原子的超精細能級從F=3（mF=0）到F=4（mF=0）的躍遷譜線對激勵信號起鑒頻作用，與頻標電路形成閉環(huán)鎖定，輸出穩(wěn)定的頻率信號[1]。

銫束管是一個復(fù)雜的電真空器件，涉及到的材料有聚酰亞胺、鋁、不銹鋼、鎳、無氧銅、石墨、陶瓷、金屬銫等。在銫束管研制過程中，制定了相應(yīng)的清洗、去油、真空除氣工藝，同時銫束管在封裝過程中經(jīng)歷了長時間的高溫烘烤真空除氣。銫束管工作時，材料表面放氣及銫爐產(chǎn)生的彌散銫原子成為影響銫束管真空度的關(guān)鍵因素。銫束管選用濺射離子泵來維持真空度。本文對銫束管的真空設(shè)計進行討論，測試濺射離子泵的各項性能指標，并對銫束管的長期真空維持特性進行實驗驗證。

1 銫束管的真空設(shè)計

銫原子束流軌跡如圖1所示，銫原子束從銫爐噴出后，經(jīng)過A選態(tài)磁鐵偏轉(zhuǎn)進入微波腔，在微波腔內(nèi)躍遷的銫原子被B選態(tài)磁鐵偏轉(zhuǎn)進入檢測器。在這個過程中，除了正常被選態(tài)磁鐵偏轉(zhuǎn)外，銫原子還與銫束管內(nèi)殘留的氣體分子發(fā)生碰撞，壓力越小，發(fā)生碰撞的銫原子越少，到達檢測器的原子束流量越大，信號越強，信噪比越高。

圖1 銫原子束流軌跡示意圖Fig.1 Schematic diagram of cesium beam path

在銫束管中銫原子束流強度隨束源距離的增大而減小，距束源l處的束強I（單位時間內(nèi)通過單位面積的原子數(shù)）為：

式中：I為有碰撞情況下的束強；I0為無碰撞情況下的束強；l為準直器到離化絲之間的距離；λ為氣體分子的平均自由程。銫束管從大氣狀態(tài)下開始抽氣，假設(shè)殘余氣體的成分仍然以空氣為主，對于20℃的空氣，平均自由程λ與壓力p的關(guān)系可簡化為λ=6.667×10-3/p，代入式（1）可以得出銫原子相對束流強度為：

對于小型銫束管來說，準直器與離化絲之間的距離l=0.4m，當壓力變化為10-6～10-4Pa時，相對應(yīng)的束流強度計算值如表1所列。

表1 銫原子相對束流強度與壓力的關(guān)系Tab.1 Dependence of the relative beam intensity on the pressure

通過以上計算可知，當壓力小于1×10-5Pa時，會有99.94%的銫原子不與氣體分子發(fā)生碰撞，可以從準直器到達離化絲，滿足銫束管對壓力的要求。進一步降低壓力，對銫原子束流強度的改善效果越來越小。

在銫束管內(nèi)必須安裝濺射離子泵來長期維持銫束管內(nèi)的真空度。濺射離子泵依據(jù)潘寧放電原理，在電場和磁場的聯(lián)合作用下，較長的一段時間內(nèi)形成持續(xù)放電，把各種氣體埋在濺射沉積的鈦層中[2]。潘寧放電是一種在很低壓力下仍能自持的放電，故能在高真空與超高真空環(huán)境使用。由于濺射離子泵抽速小，銫束管內(nèi)零部件多，因此，不僅對材料選擇、真空除氣工藝等有嚴格的要求，還要特別注意零部件的真空保護存放、銫束管組裝環(huán)境和真空潔凈度等，以免造成對各零部件的污染。

2 銫束管超高真空維持特性測試

銫束管工作時，從材料表面釋放的氣體和從銫爐噴射出的銫原子被濺射離子泵抽除，當放氣量與濺射離子泵的抽速相等時，達到動態(tài)平衡。在銫束管貯存期間，材料表面釋放的氣體逐漸累積，壓力升高，但管內(nèi)壓力不能大于濺射離子泵的啟動壓力，需定期給銫束管加電抽除氣體。因此，濺射離子泵的抽速，啟動壓力對銫束管的真空設(shè)計具有重要的參考意義。

2.1 濺射離子泵抽速測試系統(tǒng)及測試方法

濺射離子泵抽速測試系統(tǒng)主要由氣體流量計、校準室、真空規(guī)、抽氣系統(tǒng)、烘烤系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成[3]。

圖2 濺射離子泵抽速校準裝置工作原理圖Fig.2 Schematic diagram of pumping speed calibration standard device

濺射離子泵抽速測試采用流量計法[4]，其工作原理圖如圖3所示。

圖3 流量計法抽速測試原理圖Fig.3 Schematic diagram of pumping speed test by flow meter method

當校準室處于高真空時，將恒定氣體流量Q引入校準室，進入校準室的氣體被待測濺射離子泵抽走，當校準室內(nèi)壓力保持不變時，即達到動態(tài)平衡，pb為校準室的平衡壓力。在理想狀態(tài)下（校準室沒有漏放氣），進入校準室的氣體流量Q等于濺射離子泵抽走的氣體流量，濺射離子泵抽速S可用式（3）計算：

由式（3）可知，濺射離子泵的抽速就是氣體流量與校準室平衡壓力比，提高流量計微小流量測量精度和壓力測量精度是流量計法測試濺射離子泵抽速的關(guān)鍵。在非理想狀態(tài)下，校準室內(nèi)的氣體流量應(yīng)考慮材料放氣率[5]和真空計抽速的影響。因此，校準室使用全金屬材料，并對材料進行高溫除氣處理來減小放氣率。

2.2 銫束管超高真空維持測試

銫束管內(nèi)不能直接測量壓力，因此銫束管的超高真空維持測試，需要對濺射離子泵在不同壓力下的工作電流進行測試，根據(jù)工作電流與壓力的關(guān)系來判斷銫束管內(nèi)的壓力。

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 濺射離子泵抽速測試

抽速測試按照如下步驟進行：首先將待測濺射離子泵安裝在校準裝置上，并進行檢漏；然后啟動抽氣機組抽氣，當校準室內(nèi)的壓力小于1.0×10-3Pa時，對校準室及濺射離子泵進行烘烤除氣24 h，烘烤溫度300℃；當烘烤結(jié)束后，啟動濺射離子泵，關(guān)閉抽氣機組閥門，打開流量計閥門使氮氣以恒定流量進入校準室，測量校準室進氣后的平衡壓力，用式（3）計算濺射離子泵的抽速。

抽速測試結(jié)果如圖4所示，濺射離子泵對氮氣的最大抽速為0.184 L/s，是對干燥空氣抽速的90%[6]。

圖4 濺射離子泵抽速曲線Fig.4 Pumping speed curve of sputtering ion pump

由于電離真空計本身也具有一定的抽速，抽速在10-2～10-1L/s[7]之間，因此上述測量方法只適用于1.0×10-4Pa以上壓力的精確測量[8]。

濺射離子泵抽速測量在微型真空泵校準裝置上完成，測量誤差主要來源于測試室內(nèi)壁放氣、壓力的測量、流導(dǎo)的測量等，在不同壓力范圍，其對應(yīng)的測量誤差也不一樣[3]。

3.2 濺射離子泵工作電流與壓力的關(guān)系

濺射離子泵工作電流與壓力的關(guān)系如圖5所示，當壓力小于2.0×10-6Pa時，電流趨近于0.1μA。密封型銫束管內(nèi)無法直接測量壓力，可以用圖5來判斷銫束管內(nèi)的壓力[9]。

圖5 濺射離子泵工作電流與壓力的關(guān)系曲線Fig.5 Relationship between working current and pressure of sputtering ion pump

3.3 壓力測量

測試室內(nèi)壓力為1.0×10-1Pa時，啟動濺射離子泵，在115 s后，測試室內(nèi)的壓力即可達到5.0×10-5Pa。當壓力大于1.0×10-1Pa時，濺射離子泵高壓電源啟動保護功能，無法工作。銫束管內(nèi)壓力在1.0×10-3～1.0×10-1Pa之間時，濺射離子泵工作電流增大會導(dǎo)致大量的鈦沉積到絕緣陶瓷板上，使絕緣陶瓷板金屬化，絕緣強度降低，壽命降低。

3.4 銫爐溫度與壓力的關(guān)系

銫原子鐘通過提高銫爐溫度來提升性能。在銫束管內(nèi)零部件表面放氣量不變的情況下，銫爐溫度決定了銫束管內(nèi)的壓力。銫爐采用多孔準直通道，單位時間內(nèi)從銫爐溢出的原子數(shù)為[1]：

實驗測試了銫爐溫度在90～150℃之間變化時濺射離子泵的工作電流，如表2所列，從工作電流可以推導(dǎo)出銫束管內(nèi)的壓力。當銫爐溫度在90～130℃之間時，銫束管內(nèi)的壓力在10-6Pa量級，當銫爐溫度升至140℃時，濺射離子泵最大電流為0.8μA，對應(yīng)的壓力約為2.0×10-5Pa。

表2 銫爐溫度與濺射離子泵電流的關(guān)系Tab.2 The relationship between temperature of Cesium oven and working current

3.5 銫束管真空保持實驗

實驗用銫束管貯存期超過1年，銫束管真空保持實驗數(shù)據(jù)如表3所列。數(shù)據(jù)表明，銫束管經(jīng)過真空高溫烘烤后，管內(nèi)放氣量很小，長期儲存后真空保持較好，濺射離子泵啟動電流沒有超出設(shè)計值，初始電流為4μA，20 s后，工作電流達到0.1μA，對應(yīng)的壓力達到了10-6Pa量級。

表3 濺射離子泵工作電流Tab.3 Current of sputtering ion pump

4 結(jié)論

銫束管的工作壓力應(yīng)小于1×10-5Pa，此時銫原子相對束流強度達到了99.94%，進一步降低壓力，對銫原子束流強度的改善效果越來越小。濺射離子泵測試結(jié)果表明，壓力為1.0×10-3Pa左右時抽速最大，最大啟動壓力為1.0×10-1Pa。銫爐溫度在90～130℃之間時，濺射離子泵抽速可滿足使用要求，當銫爐溫度升高至140℃以上時，壓力變大，信噪比降低，必須提高濺射離子泵的抽速來保持銫束管內(nèi)的真空。銫束管封裝過程中，必須通過真空高溫烘烤除氣工藝減小銫束管內(nèi)的材料放氣率。銫束管長期儲存后，濺射離子泵仍然可以正常啟動，且在20 s內(nèi)即可將銫束管壓力抽至1.0×10-5Pa以下，達到銫束管正常工作所需的真空度。由于濺射離子泵有最大啟動壓力，因此，銫束管在儲存期間，須定期啟動濺射離子泵抽除管內(nèi)氣體以維持銫束管內(nèi)真空環(huán)境。