銣鐘光譜燈老化的實驗研究和壽命評估

馮浩，崔敬忠，翟浩，楊世宇

（蘭州空間技術(shù)物理研究所，蘭州730000）

銣鐘光譜燈老化的實驗研究和壽命評估

馮浩，崔敬忠，翟浩，楊世宇

（蘭州空間技術(shù)物理研究所，蘭州730000）

銣光譜燈（銣燈）是汽泡式銣原子鐘的關(guān)鍵部件。銣燈內(nèi)金屬銣的損耗是決定銣原子鐘使用壽命的主要因素。為了預(yù)測銣燈使用壽命期內(nèi)的銣消耗量，采用差示掃描量熱技術(shù)對6個銣光譜燈開展了8 a的銣消耗量測量。依據(jù)銣消耗模型的經(jīng)驗公式對銣消耗量數(shù)據(jù)用最小二乘法線性擬合，得到了一種肖特耐堿金屬玻璃銣光譜燈銣消耗模型的各項參數(shù)。數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明：銣與燈泡內(nèi)所含雜質(zhì)的反應(yīng)消耗量在20～60 μg之間，銣的消耗率穩(wěn)定在0.18～0.28μg/之間。以正常工作時銣消耗量最多的銣燈的擬合參數(shù)計算，10 a使用壽命期的銣消耗量約為127μg。與相應(yīng)時間內(nèi)實際的銣量消耗的比較表明，使用該模型預(yù)測的結(jié)果是相對保守和可靠的。

銣原子鐘；銣光譜燈；銣消耗量；銣燈壽命

0 引言

傳統(tǒng)的光抽運汽泡式銣原子鐘具有體積小、質(zhì)量輕、功耗低、短期穩(wěn)定性好等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于時間同步和通信等領(lǐng)域，特別是用于衛(wèi)星的導(dǎo)航定位。銣光譜燈（銣燈）由射頻激勵電路、銣燈泡和控溫?zé)羟唤M成，為銣原子超精細(xì)能級躍遷提供穩(wěn)定的抽運光，是光抽運銣原子鐘的關(guān)鍵部件之一。通常，銣燈泡內(nèi)充入適量的金屬銣和一定壓力的起輝氣體。在射頻電場的激勵下燈泡內(nèi)的緩沖氣體分子發(fā)生電離，通過碰撞將能量傳遞給銣原子，使銣原子處于激發(fā)態(tài)，再由激發(fā)態(tài)自發(fā)躍遷到基態(tài)發(fā)光。由于銣燈的預(yù)期使用壽命較長（大于10 a），無法在較短時間內(nèi)通過直接測量獲得光譜燈的壽命數(shù)據(jù)。GPS在軌遙測數(shù)據(jù)以及其他實驗數(shù)據(jù)證明，銣燈失效的主要原因是金屬銣原子的損耗[1]。銣燈中金屬銣原子的損耗通?？杀憩F(xiàn)在兩個方面：一是銣原子與燈泡內(nèi)雜質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)，二是金屬銣原子向玻璃泡壁的物理擴(kuò)散。這兩種相互作用在銣燈的使用壽命期內(nèi)長期存在，是決定銣燈使用壽命的主要原因[2]。銣原子鐘作為二級頻標(biāo)與氫鐘和銫鐘相比，存在長期穩(wěn)定性差的缺點，其主要原因是光頻移。光頻移是由交流電場的二級斯塔克效應(yīng)引起的頻率隨光電場的波動而變化。產(chǎn)生光電場波動的原因是光譜燈的光強(qiáng)隨外界環(huán)境的變化或隨時間的長期衰減[3]。光強(qiáng)波動和光譜線型變化引起的光頻移機(jī)理非常復(fù)雜，尚無明確的物理模型可以解釋，只能用唯象的方法處理。

大量的實驗研究表明，銣燈的光強(qiáng)波動（穩(wěn)定度）和老化漂移（漂移率）是決定銣原子鐘頻率穩(wěn)定度的主要因素之一。以銣鐘物理部分的光頻移系數(shù)1×10-12/%計算（光強(qiáng)每變化1%，頻率變化為1× 10-12/d），要達(dá)到1×10-14/d的天穩(wěn)定度和1×10-14/d的天漂移率，光強(qiáng)的天穩(wěn)定度和天漂移率要優(yōu)于1 ×10-3/d。為了得到老化漂移率低、光強(qiáng)穩(wěn)定的銣光譜燈，銣燈真空制備完成后需要長期點燈和老化篩選。通過監(jiān)測燈激勵電壓、燈工作電流和光檢測電壓等工作參數(shù)，判斷老化過程中光強(qiáng)天穩(wěn)定度和天漂移率是否滿足光譜燈篩選的技術(shù)要求。同時，需要考核銣燈長期工作的可靠性，剔除早期失效、光強(qiáng)穩(wěn)定度較差和銣量消耗異常的銣燈[4]。當(dāng)然也不能為了滿足銣燈的長期使用壽命而充入過多金屬銣。因為銣量過多，工作時呈液態(tài)的金屬銣在燈泡內(nèi)表面的分布因重力或振動沖擊會發(fā)生變化，從而影響銣燈輸出光強(qiáng)的穩(wěn)定性[5]。所以為了對銣燈使用壽命期內(nèi)的銣量消耗進(jìn)行預(yù)測，在銣燈老化過程中，需要定期測量銣燈的銣量消耗，得到在特定工作條件下銣量消耗模型的各項參數(shù)，并以此作為銣燈充制時銣量控制和老化篩選的判據(jù)。在早期GPS銣原子鐘的研制過程中已經(jīng)對銣光譜燈的可靠性做了充分研究，得到如下銣量消耗的經(jīng)驗公式[1]：

式（1）中，A是金屬銣原子與雜質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的銣消耗量；B是銣原子在銣燈泡玻璃內(nèi)表面的擴(kuò)散系數(shù)，取決于具體的銣燈工作條件，反映了長期的物理擴(kuò)散過程。式（1）中等號右邊第1項是個小量，隨時間的變化逐漸趨于飽和，銣量消耗主要由等號右邊第2項決定，在銣燈使用壽命期內(nèi)始終存在。本文通過對6個銣光譜燈長期點燈老化的實驗研究，開展了8 a銣消耗量跟蹤測量。依據(jù)式（1），對銣量消耗數(shù)據(jù)擬合得到了一種肖特耐堿金屬玻璃銣光譜燈的銣消耗模型，并預(yù)測了銣光譜燈的使用壽命。

1 測量原理及實驗方法

1.1 銣量測量的原理

由于銣燈在真空充制前后的玻璃封接工藝不同，無法用稱重的方法無損地測量微克量級的、已封裝在燈泡內(nèi)金屬銣的質(zhì)量。20世紀(jì)70年代銣原子鐘研制廠家EG&G公司的工作人員提出用量熱法，即采用差示掃描量熱儀（DSC）對光譜燈的銣量進(jìn)行測量。測量中，待測樣品和參比物以相同的升溫速率被加熱。當(dāng)樣品發(fā)生相變時，儀器可以敏感地檢測到兩者之間的熱流差，從而獲得以溫度（或時間）為橫坐標(biāo)，以待測樣品與參比物間溫差為零時所吸收的熱量為縱坐標(biāo)的掃描曲線[6]。由于固體在熔融過程中所吸收的熱量與樣品質(zhì)量成正比，如果已知銣的熱焓值，用DSC測量樣品銣所吸收的熱量即可推算其質(zhì)量。

為了扣除銣燈泡殼的熱阻效應(yīng)對銣量測量的影響，先將兩個完全相同的空玻璃泡（玻璃材質(zhì)、外形尺寸與待測銣燈泡相同）放入爐體內(nèi)，進(jìn)行基線修正，然后換成銣燈泡進(jìn)行樣品測試。這樣不僅可以扣除玻璃吸熱的影響，而且可獲得較佳的基線和峰型。作為參比未充銣的空玻璃泡和待測銣量的樣品泡在升溫過程中，當(dāng)溫度達(dá)到銣的熔點38.9℃時，樣品銣燈泡中的金屬銣吸熱熔化，出現(xiàn)吸熱峰。該吸熱峰面積代表樣品銣燈泡中熔化全部金屬銣所吸收的熱量，通過計算吸熱峰的面積并除以金屬銣的標(biāo)準(zhǔn)熔解熱（25.54 J/g）便可得出銣燈中金屬銣的質(zhì)量。圖1是典型的銣光譜燈銣量測量DSC曲線。

圖1　典型的銣光譜燈銣量的DSC測量曲線

1.2 實驗方法

銣燈泡內(nèi)銣量的跟蹤測量采用德國耐馳（NETZSCH）公司的DSC-204F1差示掃描量熱儀，每次測量采用相同的實驗條件和數(shù)據(jù)處理方法。為了保證儀器的測量精度和測試結(jié)果的重復(fù)性，差示掃描量熱儀每年按照檢定規(guī)程進(jìn)行檢定和儀器校準(zhǔn)。每次測試前用標(biāo)準(zhǔn)樣品銦（In）單點校準(zhǔn)，測量得到的熔融焓與標(biāo)準(zhǔn)值的誤差小于±0.5%方可進(jìn)行測試[7]。對每個銣燈泡分別多次（≥3次）測量，將最大值與最小值的差值除以最小值，得到的相對誤差應(yīng)小于4‰。即對于銣量為1 mg的銣燈泡，銣消耗量在4 μg以上，DSC可分辨。每個銣燈泡多次測量的平均值為最終的銣量。

銣燈的泡殼材料選用德國肖特（Schott8436）耐堿金屬玻璃制作，在真空下充入約2 Torr的氪氣（純度≥99.999%）和適量的金屬87Rb（純度≥99.5%）。銣量測量前先將銣燈內(nèi)彌散分布的銣用風(fēng)焊槍加熱并局部冷卻聚集在燈內(nèi)泡殼某一點上，然后根據(jù)燈泡殼外形尺寸放入特制的鋁坩堝內(nèi)。

銣燈老化在恒溫的銣光譜燈老化機(jī)柜中進(jìn)行，溫度設(shè)定25℃。維持燈發(fā)光的射頻激勵電壓為15 V（DC），每個燈的功耗限定在2～3 W之間。銣燈老化機(jī)柜所帶的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)可采集光檢測電壓和負(fù)載電流等燈工作參數(shù)，具備實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)處理功能。自2005年10月以來我們對6個銣光譜燈的銣量消耗進(jìn)行了跟蹤測量，在老化初期每隔10 d左右進(jìn)行一次銣量測量，2個月后改為每月監(jiān)測一次銣消耗量。6個銣光譜燈點燈老化和銣量消耗的情況如表1所示。

表1　6個銣光譜燈點燈老化和銣量消耗情況

2 實驗結(jié)果和數(shù)據(jù)分析

截止數(shù)據(jù)整理和統(tǒng)計分析前，6個銣光譜燈已經(jīng)先后工作了6.5～8 a以上。銣燈的銣量隨時間的變化如圖2所示，銣的總消耗量從63 μg至142 μg不等，其中包含了老化初期銣與雜質(zhì)的反應(yīng)消耗和在玻璃泡壁內(nèi)長期的擴(kuò)散消耗。其中編號為051010 s1和051015 s12的銣燈因測量時操作不慎而破損，使得數(shù)據(jù)提前中斷，并非銣燈工作失效所致。

圖2　銣燈的銣量隨時間的變化

在老化初始階段銣的消耗以銣和雜質(zhì)的反應(yīng)消耗為主，而銣量消耗的經(jīng)驗式（1）是經(jīng)由物理擴(kuò)散模型推導(dǎo)得出的[8]，所以按照消耗模型進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合時，應(yīng)剔除老化開始最初1 kh的銣量消耗數(shù)據(jù)。對公式（1）進(jìn)行適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)變換，以為橫坐標(biāo)用最小二乘法的一元線性模型對編號為051015 s12和 051015 s13的銣燈的銣量消耗數(shù)據(jù)線性擬合的結(jié)果如圖3所示。在數(shù)據(jù)擬合前已將最初1 kh的銣量消耗數(shù)據(jù)扣除，得到的擬合曲線與銣量消耗數(shù)據(jù)線性相關(guān)性較好，符合Fick擴(kuò)散模型[9]。

圖3　編號051015 s12和051015 s13的銣燈的銣量消耗數(shù)據(jù)與時間的1/2次方線性擬合曲線（數(shù)據(jù)擬合時已扣除最初1 kh的銣量消耗數(shù)據(jù)）

表2是選取95%的置信度分別對6個銣燈的銣量消耗數(shù)據(jù)用最小二乘法線性擬合的結(jié)果，其中擬合曲線的截距A反映的是扣除最初1 kh銣量消耗數(shù)據(jù)后，銣與雜質(zhì)的反應(yīng)消耗量，單位為μg；擬合曲線的斜率B反映的是銣消耗率，單位為μg/。R為線性回歸系數(shù)，反映該組數(shù)據(jù)擬合的線性度。

表2　按照銣消耗模型擬合得到的各參數(shù)項

2.1 銣的反應(yīng)消耗

由表1和表2可以看到，銣燈在點燈老化的前幾百個小時，化學(xué)性質(zhì)活潑的銣與自身所含雜質(zhì)以及生產(chǎn)過程中引入的雜質(zhì)的反應(yīng)消耗較為明顯，隨后逐漸減少，并趨于飽和。銣與雜質(zhì)的反應(yīng)消耗由2部分組成。第1部分以老化初期銣與燈泡內(nèi)所含雜質(zhì)的反應(yīng)消耗為主，與銣的純度和燈泡制作中引入的雜質(zhì)含量有關(guān)。經(jīng)過約1 kh點燈老化后消耗約10～35 μg金屬銣，且與燈泡內(nèi)的初始充銣量成比例，反映了在工藝條件制約下銣燈泡制作和銣還原提純等生產(chǎn)過程中雜質(zhì)的控制水平[8]；第2部分銣量消耗由銣消耗模型中的擬合參數(shù)A決定，隨老化時間增加最終趨于飽和。在射頻電場和約130℃工作溫度的共同作用下，玻璃組分中少量的析出雜質(zhì)，造成這部分銣長期緩慢的消耗，反應(yīng)持續(xù)時間在1 a以上，消耗約10～25 μg金屬銣。以上2部分銣的反應(yīng)消耗量共計約20～60 μg。燈泡內(nèi)的各種雜質(zhì)不僅消耗過多的金屬銣，減少光譜燈的使用壽命，而且會增加光噪聲，降低銣原子鐘的信噪比和短期穩(wěn)定度[10]。因此，泡坯制作和充制過程中玻璃的潔凈度以及銣的純度對銣光譜燈的性能指標(biāo)有非常重要的影響。

2.2 銣的擴(kuò)散消耗

從表2中6個被監(jiān)測銣燈的擬合參數(shù)可知，除了編號051010 s3的銣燈外，其他銣燈的銣消耗率穩(wěn)定在0.18～0.28μg/之間。以編號051010 s2的銣燈為例，擬合參數(shù)隨老化時間的變化規(guī)律如圖4所示。圖4中，銣與雜質(zhì)的反應(yīng)消耗量A隨時間增加逐漸趨于飽和，達(dá)到23 μg；以物理擴(kuò)散為主的銣消耗率B則呈逐年遞減的趨勢，逐漸趨于穩(wěn)定，達(dá)到0.25μg/。

圖4　擬合參數(shù)隨時間的變化曲線（銣燈編號051010 s2）

對于編號051010 s3的銣燈，其銣消耗率和總的銣消耗量明顯多于其他銣燈。究其原因主要有以下幾點：1）因銣量較多，與雜質(zhì)的反應(yīng)消耗了約50 μg金屬銣；2）系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，燈激勵電路的工作參數(shù)發(fā)生變化，使燈的功耗有所增加；3）用放大鏡對燈的表面微觀檢查發(fā)現(xiàn)，燈的內(nèi)表面有少量微小的藍(lán)色斑點，可能由玻璃成分析出造成銣的過多消耗。

2.3 銣光譜燈壽命預(yù)測

表3是扣除了老化初期1 kh的銣消耗量實測值與通過擬合參數(shù)計算得到的銣消耗量預(yù)測值的對照表。比較這2組數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)：實測的銣量消耗較用擬合參數(shù)計算所得的銣量消耗預(yù)測值普遍偏少，說明應(yīng)用該模型進(jìn)行銣消耗量預(yù)測是相對保守且可靠的。

依據(jù)消耗模型數(shù)據(jù)擬合得到的參數(shù)A和B以及銣燈的預(yù)期使用壽命可以預(yù)測銣消耗總量。采用最壞情況分析（worst-case analysis），以正常工作條件下銣量消耗最多，編號051010 s2的銣燈的擬合參數(shù)計算，10 a使用壽命期的銣消耗量約127 μg。

影響銣消耗量的主要因素是燈的工作溫度，這與燈的實際功耗、燈的結(jié)構(gòu)和熱設(shè)計有關(guān)。另外，在制作過程中引入的雜質(zhì)和燈泡玻璃缺陷也是造成銣量消耗的原因之一。通過控制燈腔溫度和射頻激勵電壓，維持射頻穩(wěn)定性，可以保證經(jīng)仔細(xì)篩選和裝配調(diào)試的銣燈的功耗和工作溫度具有較好的一致性。但是，由于燈泡制作工藝和實際工作情況不同以及測量誤差，導(dǎo)致6個銣燈的銣量消耗數(shù)據(jù)具有一定的離散性，但長期銣量消耗符合式（1）描述的銣消耗規(guī)律。

表3　減去最初1 kh銣消耗量的實測值與經(jīng)擬合參數(shù)計算所得銣消耗量理論值對照表

3 結(jié)語

采用差示掃描量熱技術(shù)對6個銣光譜燈開展了8 a的銣量消耗跟蹤測量。依據(jù)銣消耗模型對銣量消耗數(shù)據(jù)用最小二乘法線性擬合，得到了特定工作條件下銣燈的銣消耗模型的各項參數(shù)。由擬合參數(shù)A和實測的老化初期1 kh銣消耗量可得，銣與雜質(zhì)的反應(yīng)消耗大約在20～60 μg之間；除了編號051010 s3的銣燈外，其它銣燈的銣消耗率在0.18～0.28μg/之間。

以正常工作條件下銣消耗量最多，編號051010 s2的銣燈的擬合參數(shù)計算，10 a使用壽命期內(nèi)總的銣消耗量約127 μg。

減去最初1 kh的銣消耗量后實測的銣消耗量較用擬合參數(shù)計算所得的銣消耗量普遍偏少，說明應(yīng)用該模型進(jìn)行銣量消耗預(yù)測是相對保守且可靠的。

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Aging study and lifetime estimation of rubidium spectrum lamp

FENG Hao，CUI Jing-zhong，ZHAI Hao，YANG Shi-yu
（Lanzhou Space Technology Institute of Physics，Lanzhou 730000，China）

The rubidium spectrum lamp（Rb lamp） is a key component of the Rb gas cell atomic frequency standard，and the most important factor which determines the lifetime of rubidium frequency standards is the loss of metal rubidium in the lamp.For predicting the rubidium consumption in the lifetime of Rb lamp，the rubidium consumption measurements for six Rb lamps have been carried out by using the differential scanning calorimetry technique for 8 years.Based on the empirical formula of rubidium consumption model and the measured rubidium consumption data，the model parameters for a particular type of Rb lamp made of SCHOTT 8436 glass have been obtained with a least-square linear fitting procedure.The results show that the rubidium consumption due to the reaction between the Rb atoms and the impurities within the lamp accounts for 20～60 μg metal rubidium and the rubidium consumption rate is within 0.18～0.28μg/（microgram/per square root of hour）.The total rubidium consumption for the Rb lamp after 10 years of operation has been predicted as～127 μg，resulting from the fitting parameters for the Rb lamp with the maximum loss of Rb in normal working conditions.Comparison with the actual consumption amount in the same time span，the Rb consumption predicted with the consumption model is conservative and reliable.

rubidium frequency standards； rubidium spectrum lamp； rubidium consumption； lifetimeof Rb lamp

TH714

A

1674-0637（2015）01-0001-07

10.13875/j.issn.1674-0637.2015-01-0001-07

2014-03-19

“十二五”新建可靠性增長項目（WB0547820）

馮浩，男，博士，高級工程師，主要從事量子頻標(biāo)的研究。