介紹了一種應(yīng)用于氫原子鐘的雙真空結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將電子控溫系統(tǒng)置于真空環(huán)境之中。真空絕熱設(shè)計(jì)大大改善了氫原子鐘物理保溫性能，為電子控溫系統(tǒng)創(chuàng)造了更為寬裕的反應(yīng)時(shí)間。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明改進(jìn)后的氫原子鐘溫度靈敏度由1 ×10 ^-14 /℃提高到2. 5 × 10 ^-15 /℃，與國(guó)際最高水平相當(dāng)( 1 × 10 ^-15 /℃) 。

　　氫原子鐘的核心組件———腔泡( 微波腔和儲(chǔ)存泡) 的構(gòu)成材料具有一定的膨脹系數(shù)，溫度的變化將導(dǎo)致其幾何尺寸發(fā)生變化，而尺寸的改變將引起腔泡中心頻率的變化，從而加劇氫原子鐘的腔牽引效應(yīng)。研究證明，腔牽引效應(yīng)是引起氫原子鐘輸出頻率變化的主要因素，因此，如何實(shí)現(xiàn)氫原子鐘腔泡組件的恒溫控制將成為穩(wěn)定氫原子鐘輸出頻率的關(guān)鍵所在。對(duì)于f0 = 1. 4 × 10⁹ Hz 的氫原子躍遷頻率而言，要得到好的氫原子鐘中長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度( ≤2×10 ^-15 /d) ，由時(shí)域頻率穩(wěn)定度公式可近似推知，氫原子鐘相對(duì)頻率變化率需滿足

　　根據(jù)腔牽引效應(yīng)公式

　　式中，Δf0為氫原子鐘輸出頻率變化量，Δfc為腔泡中心頻率變化值，Qc為腔泡有載Q 值，Q1為脈澤信號(hào)Q 值) ，在實(shí)際工程測(cè)定中有Qc = 3 × 10⁴，Q1 = 1.5 × 10⁹。腔泡組件中心頻率變化量需滿足Δfc≤0. 5Hz，再根據(jù)工程測(cè)得的腔泡組件溫度系數(shù)500Hz /℃推得，氫原子鐘要達(dá)到目標(biāo)頻率穩(wěn)定度，腔內(nèi)溫度的波動(dòng)范圍要控制在0. 001℃ 以內(nèi)。此外，由氫原子引起的碰撞、原子自旋交換及多普勒效應(yīng)等產(chǎn)生的頻移也都是溫度的函數(shù)。因此，嚴(yán)格控制氫原子鐘內(nèi)環(huán)境熱平衡是十分必要的，目前國(guó)內(nèi)外普遍采用物理保溫絕熱與反饋放大式橋路閉環(huán)分區(qū)精密控溫相結(jié)合的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)氫原子鐘內(nèi)環(huán)境溫度的穩(wěn)定控制。

1、真空物理保溫絕熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　傳統(tǒng)的保溫絕熱方法是將腔泡組件置于真空環(huán)境之中，用于實(shí)現(xiàn)恒溫控制的電路系統(tǒng)及其它必要的氫原子鐘腔泡外圍系統(tǒng)( C 場(chǎng)線圈、磁屏蔽等) 暴露于大氣環(huán)境之中，通過(guò)包裹幾層保溫材料來(lái)實(shí)現(xiàn)物理絕熱保溫。該設(shè)計(jì)存在幾個(gè)弊端: 保溫材料雖然在一定程度上減少了熱量的耗散，但接觸傳熱依然存在，電路系統(tǒng)很容易受到外界環(huán)境溫度變化帶來(lái)的影響; 各部分保溫效果一致性差，容易導(dǎo)致內(nèi)環(huán)境同一區(qū)域溫度梯度的存在; 厚厚的保溫材料一定程度上增加了氫原子鐘物理部分的體積，這對(duì)實(shí)現(xiàn)氫原子鐘小型化無(wú)益; 保溫材料形變?nèi)菀讓?dǎo)致磁屏蔽晃動(dòng)，致使磁屏蔽效能惡化，從而導(dǎo)致氫原子鐘磁靈敏度下降。因此，對(duì)氫原子鐘物理保溫系統(tǒng)改進(jìn)是十分必要的。

　　熱傳遞共有三種途徑: 接觸傳熱、對(duì)流和熱輻射，其中熱輻射的傳熱效率最低。除儲(chǔ)存泡單獨(dú)構(gòu)成一個(gè)真空室為原子躍遷提供高真空度外，將氫原子鐘物理系統(tǒng)其余部分置于另一個(gè)真空室之中，實(shí)現(xiàn)一種雙真空結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，由原來(lái)的接觸傳熱變?yōu)檩椛鋫鳠�。真空環(huán)境內(nèi)各部件之間盡量減少觸點(diǎn)且在有限的觸點(diǎn)處采用熱阻系數(shù)高的聚四氟乙烯材料隔熱。該設(shè)計(jì)使氫原子鐘內(nèi)部熱量幾乎只能通過(guò)輻射進(jìn)行傳熱，大大降低了熱傳遞效率，有效降低了真空熱環(huán)境與外界環(huán)境間的熱交換，與傳統(tǒng)型氫原子鐘在大氣環(huán)境下采用保溫材料保溫隔熱相比，更有利于降低由于環(huán)境溫度變化、熱沖擊等對(duì)氫原子鐘熱平衡狀態(tài)產(chǎn)生的影響。

　　為了研究該雙真空結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的保溫絕熱效果，采用美國(guó)Ansys 公司出品的有限元仿真軟件來(lái)仿真外界環(huán)境溫度變化引起的氫原子鐘內(nèi)部溫度變化情況。假設(shè)氫原子鐘內(nèi)部無(wú)任何熱源，當(dāng)外界環(huán)境溫度升高1℃時(shí)，其內(nèi)部溫度變化完全由外環(huán)境溫度變化所致。其內(nèi)部溫度隨時(shí)間變化的瞬態(tài)過(guò)程曲線如圖1 所示。

　　由圖1 可知，在將近900 s 時(shí)間內(nèi)，外界環(huán)境改變1℃引起內(nèi)環(huán)境改變0. 00035℃，這不僅表明該雙真空結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有良好的保溫絕熱效果，而且這一時(shí)間已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出電子系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間，電子系統(tǒng)有充足的時(shí)間的通過(guò)改變加熱功率來(lái)補(bǔ)償外界環(huán)境帶來(lái)的改變。圖2 是相同實(shí)驗(yàn)條件下采用傳統(tǒng)保溫模式的氫原子鐘內(nèi)部溫度隨時(shí)間變化的瞬態(tài)過(guò)程曲線。

圖1 外界環(huán)境變化導(dǎo)致雙真空氫原子鐘內(nèi)溫度變化曲線

圖2 外界環(huán)境變化導(dǎo)致傳統(tǒng)保溫模式氫原子鐘內(nèi)部溫度變化曲線

　　與圖1 比較，在相同時(shí)間內(nèi)采用傳統(tǒng)保溫模式的氫原子鐘內(nèi)部溫度改變量是雙真空氫原子鐘內(nèi)溫度該變量的5 倍，證明雙真空氫原子鐘物理保溫效果更好。此外，該真空物理保溫絕熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還可以有效減少功耗、削弱由加熱電流產(chǎn)生的雜散磁場(chǎng)對(duì)原子躍遷頻率產(chǎn)生的影響。

　　當(dāng)然，從溫度變化趨勢(shì)來(lái)看，無(wú)論哪種保溫方式，如果上述設(shè)定溫度變化過(guò)程繼續(xù)下去，氫原子鐘內(nèi)部溫度最終也將改變1℃，只是各自需要的時(shí)間長(zhǎng)短不同而已。因此，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.lalazzu.cn/)認(rèn)為真空物理保溫絕熱設(shè)計(jì)的作用主要體現(xiàn)在延緩內(nèi)環(huán)境溫度變化并為電子系統(tǒng)創(chuàng)造了更為寬裕的反應(yīng)時(shí)間，溫度調(diào)節(jié)要靠電路系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2、電子溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　為了研究新設(shè)計(jì)的真空物理保溫絕熱系統(tǒng)對(duì)氫原子鐘溫度靈敏度的改善效果，電路系統(tǒng)依然采用之前的反饋放大式橋路閉環(huán)設(shè)計(jì)。精密溫度控制器由溫度檢測(cè)電阻、溫度檢測(cè)電橋、微伏放大器、功率放大器、加熱爐體組成( 見(jiàn)溫控原理圖3) 。

圖3 溫控電路原理圖

　　圖3 中Rs由所需的工作溫度而定，控溫體的溫度由Rt檢測(cè)，當(dāng)Rt≠Rs時(shí)，橋路輸出一個(gè)大小、極性對(duì)應(yīng)于溫度偏差的偏差電壓V1，V1經(jīng)微伏放大器，功率放大器放大后提供一直流加熱電流，使偏差消除進(jìn)入恒溫狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)溫度控制的功能。為便于維修和檢測(cè)，電路中設(shè)置了TP( 檢測(cè)點(diǎn))( 裝在線路板上) ，TP1為微伏放大輸出檢測(cè)，TP2為功率放大器輸出檢測(cè)，TP3為地。初始加熱和進(jìn)入恒溫狀態(tài)時(shí)各控溫單元的TP1、TP2值大致如表1 所示。

表1 電路檢測(cè)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)值

　　另外，面板顯示屏還設(shè)置了各恒溫單元的加熱電壓指示。由于雙真空物理保溫絕熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，需對(duì)加熱爐布局做重新設(shè)計(jì)，為了克服被控系統(tǒng)較大的熱慣性及由于熱傳導(dǎo)所致的腔體溫度波動(dòng)和溫度梯度大等因素的影響，其結(jié)構(gòu)布局采用內(nèi)外雙層爐且每層分區(qū)控溫的設(shè)計(jì)。雙真空氫原子鐘內(nèi)部電子學(xué)控溫結(jié)構(gòu)布局跟傳統(tǒng)型設(shè)計(jì)的不同之處在于將最內(nèi)層和次外層屏蔽作為內(nèi)外雙層爐加熱絲的布線區(qū)，該設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于加熱爐均位于C 場(chǎng)線圈和屏蔽層之外，有效降低了加熱電流產(chǎn)生的雜散磁場(chǎng)對(duì)原子躍遷磁環(huán)境的影響。由于內(nèi)爐要實(shí)現(xiàn)精密控溫，因此將內(nèi)爐分為底部、筒部及頂部三個(gè)單元，每個(gè)單元都有它自己獨(dú)立的加熱爐體、控溫電阻Rt和溫度控制器。而外層爐主要設(shè)計(jì)目的是為內(nèi)爐創(chuàng)造一個(gè)溫度波動(dòng)小的近似恒溫的環(huán)境，故將頂部和筒部合并為一個(gè)溫控單元，底部單獨(dú)一個(gè)單元。此外，雙真空氫原子鐘頸部波紋管置于真空之中，可有效減弱由外界環(huán)境溫度變化帶來(lái)的影響，從而可以省掉原頸部加熱爐的設(shè)計(jì)。圖4 是雙真空主動(dòng)型氫原子鐘內(nèi)外加熱爐體實(shí)物圖。

　　對(duì)設(shè)計(jì)完成的雙真空氫原子鐘內(nèi)部溫度分布進(jìn)行仿真，如圖5 所示。

圖4 雙真空結(jié)構(gòu)氫原子鐘內(nèi)外爐體實(shí)物圖

圖5 雙真空氫原子鐘內(nèi)部溫度分布仿真圖

　　設(shè)定氫原子鐘所處環(huán)境溫度為25℃，內(nèi)部工作目標(biāo)溫度為50℃。由圖中可知，氫原子鐘內(nèi)環(huán)境溫度變化梯度規(guī)則、各區(qū)溫度分布均勻，滿足設(shè)計(jì)要求。

3、氫原子鐘溫度靈敏度測(cè)試實(shí)驗(yàn)

　　雙真空氫原子鐘溫度靈敏度是通過(guò)研究外界環(huán)境溫度變化引起其輸出頻率變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系來(lái)測(cè)定的。測(cè)試原理圖如圖6 所示。

　　將正常運(yùn)行狀態(tài)下的雙真空結(jié)構(gòu)氫原子鐘放置在高低溫實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)，其輸出的10 MHz 信號(hào)與參考鐘給出的10 MHz 信號(hào)經(jīng)短穩(wěn)比對(duì)儀比對(duì)后輸入計(jì)算機(jī)，比對(duì)數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算機(jī)軟件處理后輸出結(jié)果。測(cè)試實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后，將高低溫箱溫度設(shè)定在27℃，保持一段時(shí)間( 一般大于36 h) 待兩原子鐘頻率比對(duì)數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，將高低溫箱溫度升高至37℃，同樣再保持一段時(shí)間，然后再恢復(fù)至27℃。當(dāng)然，如果時(shí)間允許，也可以在27℃ ～37℃之間往復(fù)變化多次測(cè)量幾組數(shù)據(jù)。下圖是頻率比對(duì)值與環(huán)境溫度變化之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖6 氫原子鐘溫度靈敏度測(cè)試原理圖

圖7 頻率比對(duì)值與環(huán)境溫度變化關(guān)系

　　如圖7 中所示，環(huán)境溫度為27℃頻率比對(duì)值穩(wěn)定后調(diào)節(jié)溫度至37℃后頻率比對(duì)值出現(xiàn)明顯波動(dòng)，考慮到雙真空較之前傳統(tǒng)型氫原子鐘保溫絕熱性能更優(yōu)，溫度變化之初應(yīng)該不會(huì)引起原子鐘內(nèi)部環(huán)境溫度的變化，這應(yīng)該是由于氫原子鐘外接電氣部分受溫度大幅突變影響所致，該現(xiàn)象也說(shuō)明不僅原子鐘部分需要保持溫度平衡，而且氫原子鐘外接電器部分也要考慮溫度波動(dòng)帶來(lái)的影響。一段時(shí)間后原子鐘頻率比對(duì)值開(kāi)始趨于平穩(wěn)但與前一設(shè)定溫度值下的比對(duì)結(jié)果有所不同，從反應(yīng)時(shí)間來(lái)看該過(guò)程應(yīng)該是環(huán)境溫度變化對(duì)氫原子鐘物理部分影響所致。一段時(shí)間后再將溫度調(diào)至27℃，溫度變化之初再次出現(xiàn)頻率比對(duì)值波動(dòng)，判斷仍為氫原子鐘電器部分受溫度影響所致，一段時(shí)間后比對(duì)數(shù)據(jù)再次趨于平穩(wěn)。經(jīng)分析換算后可以得到雙真空結(jié)構(gòu)氫原子鐘溫度靈敏度如表2 所示

表2 雙真空氫原子鐘溫度靈敏度

　　將圖中數(shù)據(jù)處理后得到其溫度靈敏度為2. 5 ×10 ^-15 /℃，優(yōu)于目前指標(biāo)( 1 × 10 ^-14 /℃) 。而且僅從這個(gè)測(cè)試指標(biāo)看，跟國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品的溫度系數(shù)( 1 ×10 ^-15 /℃) 水平相當(dāng)，但也存在是由于個(gè)例差異所致的可能，還有待日后批量生產(chǎn)后看是否具有普遍性。此外，在溫度變化過(guò)程中前后兩次27℃時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率相對(duì)值來(lái)看，雙真空結(jié)構(gòu)氫原子鐘的一致性更好。

4、總結(jié)

　　為進(jìn)一步改善氫原子鐘溫度靈敏度，設(shè)計(jì)了一種雙真空結(jié)構(gòu)，將電子控溫系統(tǒng)置于真空環(huán)境中。這樣的真空絕熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不僅改善了氫原子鐘的物理保溫性能，也為電子控溫系統(tǒng)創(chuàng)造了更為寬裕的反應(yīng)時(shí)間。仿真結(jié)果及實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)均表明該真空物理保溫絕熱設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期，使氫原子鐘溫度靈敏度得到明顯改善，與國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品水平相當(dāng)。下一步擬將該設(shè)計(jì)結(jié)合復(fù)合泵技術(shù)用于氫原子鐘小型化和空間化研究方面。