銣鐘光譜燈熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

湯超，黃劍龍，秦蕾，金鑫，盛榮武，余鈁

（中國科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所，武漢 430071）

銣鐘光譜燈熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

湯超，黃劍龍，秦蕾，金鑫，盛榮武，余鈁

（中國科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所，武漢 430071）

光譜燈作為銣原子頻標(biāo)物理系統(tǒng)的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特別是熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅關(guān)系到光譜燈工作的穩(wěn)定性和效率，而且還直接影響其自身的工作模式、光譜輪廓和光強(qiáng)穩(wěn)定性，從而對整機(jī)的頻率輸出性能產(chǎn)生重要影響。針對原有結(jié)構(gòu)的銣光譜燈所存在的燈溫高、激勵(lì)電路穩(wěn)定性低、激勵(lì)功率大以及加熱效率低下等問題，結(jié)合熱仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，重新設(shè)計(jì)了一款優(yōu)化熱結(jié)構(gòu)的光譜燈。相比原有結(jié)構(gòu)光譜燈，其燈溫降低10℃，激勵(lì)功耗降低50%，加熱功耗減小0.55 W，且更加穩(wěn)定可靠，更適合應(yīng)用于小型銣原子頻標(biāo)。

銣頻標(biāo)；銣光譜燈；熱結(jié)構(gòu)

0 引言

目前，銣原子鐘的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，在電子、通信、國防、航空航天等領(lǐng)域均具有極大的應(yīng)用價(jià)值和非常廣闊的市場，對很多設(shè)備的性能指標(biāo)起著決定性的作用[1]。

銣頻標(biāo)物理系統(tǒng)作為量子鑒頻器提供參考頻率，是整機(jī)的關(guān)鍵部件[2]。物理系統(tǒng)的性能和可靠性決定了銣原子鐘整機(jī)性能指標(biāo)和使用壽命。銣原子鐘的物理系統(tǒng)由光譜燈和腔泡系統(tǒng)組成。其中光譜燈作為整機(jī)的泵浦光源，其工作溫度直接影響自身的工作模式、光譜輪廓以及光強(qiáng)穩(wěn)定性，最終影響整機(jī)的輸出頻率信號性能[3]。另外，光譜燈作為整機(jī)中工作溫度最高的部件，其熱量直接耗散到整機(jī)，直接影響整機(jī)的熱環(huán)境。因此，光譜燈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化是銣原子頻標(biāo)研制的重要內(nèi)容[4]。

光譜燈的熱源不僅包括加熱功率，還包括自身激勵(lì)功率中元件的直流耗散和射頻功率耗散，是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的熱耦合體。為了便于解決此復(fù)雜的熱耦合問題，我們使用一款基于有限體積法的熱仿真軟件FLOTHERM對光譜燈中的關(guān)鍵點(diǎn)溫度進(jìn)行仿真，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)對關(guān)鍵點(diǎn)溫度進(jìn)行采樣驗(yàn)證的方法對整個(gè)光譜燈進(jìn)行熱結(jié)構(gòu)分析，針對原有熱設(shè)計(jì)中存在的問題，重新設(shè)計(jì)了一款優(yōu)化熱結(jié)構(gòu)的光譜燈。優(yōu)化后的光譜燈熱結(jié)構(gòu)更加合理，在光譜燈燈溫、功耗和工作穩(wěn)定性方面均有提升。

1 原有光譜燈設(shè)計(jì)

1.1 原有光譜燈模型

原有光譜燈的設(shè)計(jì)是光譜燈激勵(lì)電路與燈室集成一體化設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)主要是為了使光譜燈激勵(lì)電路處于和燈室相同的恒溫區(qū)以穩(wěn)定光譜燈的激勵(lì)電流，從而獲得穩(wěn)定的光強(qiáng)輸出[5]。

圖1　光譜燈結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示，原有光譜燈具體結(jié)構(gòu)由燈室、燈泡、線圈、PCB板、晶體管和散熱底座等幾部分組成。模型各部件之間均緊密接觸。

1.2 原有光譜燈參數(shù)及結(jié)果驗(yàn)證

光譜燈供電電源為20 V，激勵(lì)電流100 mA，總激勵(lì)功耗為2 W。經(jīng)計(jì)算，其中交流功耗為0.465 W，直流功耗為1.535 W。燈室恒溫溫度120℃。FLOTHERM仿真估算初始條件為整鐘處于20℃環(huán)境溫度，整鐘內(nèi)部空氣溫度為50℃。模型網(wǎng)格劃分統(tǒng)一采用medium（中等）精度，考慮輻射，進(jìn)行仿真計(jì)算得到光譜燈熱分布云圖，如圖2所示。

圖2　光譜燈剖面溫度分布云圖

在圖2中，光譜燈泡區(qū)溫度最高，為153℃，泡尾底部溫度128℃，PCB板溫度為121℃。為了驗(yàn)證仿真的正確性，我們分別對光譜燈泡區(qū)，泡尾底部和PCB板溫度進(jìn)行了測量。其中，泡區(qū)溫度測量采用的是勝利儀器的非接觸式紅外測溫儀VICTOR 303B，其測量范圍為-20℃～550℃，測量誤差為±2℃；泡尾底部和PCB板溫度測量采用的是熱敏電阻采樣。實(shí)驗(yàn)測量溫度數(shù)據(jù)與仿真溫度數(shù)據(jù)對比示于表1。

表1　光譜燈仿真溫度與實(shí)驗(yàn)溫度對比

表1結(jié)果顯示，測溫點(diǎn)的仿真溫度略高于實(shí)驗(yàn)溫度，仿真和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果基本吻合。

1.3 原有光譜燈結(jié)果分析

從泡區(qū)溫度的仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，光譜燈燈泡泡區(qū)溫度在150℃左右。一般情況下，銣光譜燈正常發(fā)光控溫溫度為120℃左右[6]，由于光譜燈泡區(qū)存在射頻激勵(lì)加熱作用，實(shí)際的光譜燈泡區(qū)溫度為140～150℃，這對于光譜燈燈泡內(nèi)維持一定的銣蒸汽壓、發(fā)出足夠強(qiáng)度的抽運(yùn)光是有利的。若泡區(qū)溫度太低，銣蒸汽壓會(huì)過低，發(fā)出的光大部分為起輝氣體譜線；而泡區(qū)溫度太高，會(huì)導(dǎo)致光譜燈工作模式發(fā)生轉(zhuǎn)變，從而影響發(fā)光效率[7]。

從PCB板溫度的仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，光譜燈PCB板和晶體管所處區(qū)域的溫度為121℃左右。光譜燈激勵(lì)電路晶體管和各元件長時(shí)間工作于超過120℃的環(huán)境中，嚴(yán)重影響了半導(dǎo)體器件的穩(wěn)定性和壽命。而且過高的工作溫度，不僅不利于銣光譜燈激勵(lì)電路靜態(tài)工作點(diǎn)的穩(wěn)定，還會(huì)增加電路的直流功耗，對降低光譜燈激勵(lì)功耗，提高工作效率是不利的。

同時(shí)，此光譜燈為集成型，所有器件、電路板和固定螺絲都置于燈室內(nèi)部，這無形中增加了被加熱部分的熱容量，影響了光譜燈的加熱效率。

光譜燈總激勵(lì)功耗為2 W，且大部分耗散在光譜燈內(nèi)部，要想降低此區(qū)域溫度十分困難。

2 改進(jìn)光譜燈設(shè)計(jì)

針對以上光譜燈存在的問題，在重新設(shè)計(jì)光譜燈時(shí)，作出以下調(diào)整：

1）針對激勵(lì)電路溫度過高的問題，采取將光譜燈激勵(lì)電路置于燈室外，使激勵(lì)電路處于恒溫區(qū)外，避免長時(shí)間工作于較高的恒溫溫度120℃的環(huán)境中。

2）針對光譜燈激勵(lì)功耗大的問題，采取對激勵(lì)電路晶體管加金屬散熱器的方法，以穩(wěn)定激勵(lì)電流，并同時(shí)改變線圈的繞制方式以提高與燈泡的耦合效率。

3）針對光譜燈加熱效率低的問題，采取僅對燈室進(jìn)行恒溫的方式，并縮小燈室體積。

2.1 改進(jìn)型光譜燈模型

改進(jìn)型光譜燈結(jié)構(gòu)由燈室、燈泡、線圈、PCB板、晶體管和散熱底座等部分組成。各部件均緊密接觸。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　改進(jìn)型光譜燈結(jié)構(gòu)圖

2.2 改進(jìn)型光譜燈的參數(shù)和結(jié)果驗(yàn)證

改進(jìn)型光譜燈供電電源為10 V，激勵(lì)電流100 mA，總功耗1 W。其中交流功耗為0.295 W，直流功耗為0.705 W。燈室恒溫溫度110℃。將光譜燈所處環(huán)境溫度設(shè)定為50℃。模型網(wǎng)格劃分統(tǒng)一采用medium（中等）精度，考慮輻射，仿真計(jì)算得到光譜燈熱分布云圖，如圖4所示。

圖4　改進(jìn)型光譜燈剖面溫度分布云圖

從圖4可以看出，改進(jìn)型光譜燈泡區(qū)溫度149℃，泡尾底部溫度119℃，PCB板溫度為89.1℃。采用同樣的方法，我們對泡面，泡尾和PCB板3個(gè)測試點(diǎn)進(jìn)行測試。實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對比如表2所示。

表2　光譜燈仿真溫度與實(shí)驗(yàn)溫度對比

從表2可以看出，泡面、泡尾2個(gè)測試點(diǎn)的仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相近，PCB板的實(shí)驗(yàn)溫度比仿真溫度高4.2%，分析表明可能是由實(shí)際情況下PCB板上功率晶體管熱結(jié)構(gòu)與仿真模型之間的差異導(dǎo)致的。

2.3 改進(jìn)型光譜燈結(jié)果分析

從改進(jìn)型光譜燈的溫度分布來看，其燈泡處于150℃左右的高溫工作區(qū)，滿足光譜燈工作的泡區(qū)溫度條件。相較于原光譜燈結(jié)構(gòu)中120℃的PCB板溫度，改進(jìn)型光譜燈PCB板溫度為90℃左右，根據(jù)器件當(dāng)環(huán)境溫度每升高10℃，其失效率增大一倍以上的10℃法則[8]，光譜燈的失效率降低了約8倍，其工作的穩(wěn)定性大大提高。

改進(jìn)型光譜燈中晶體管工作溫度僅為90℃左右，其激勵(lì)電路靜態(tài)工作點(diǎn)降低，同時(shí)，由于采取新繞制方法的激勵(lì)線圈與燈泡耦合加強(qiáng)，整個(gè)激勵(lì)電路交流功耗所占比例提升，僅需要提供1 W的激勵(lì)功率就能維持光譜燈正常發(fā)光。并且，激勵(lì)功耗的降低也減小了由于光譜燈射頻激勵(lì)功率泄漏帶來的對整機(jī)電子線路的干擾。

光譜燈的加熱功耗方面，在光譜燈與外界熱阻一定的前提下，改進(jìn)后的光譜燈由于燈室尺寸的縮減、被恒溫對象的減少以及恒溫溫度從原來的120℃降低到110℃，根據(jù)仿真結(jié)果，光譜燈總的加熱功耗較原光譜燈減小0.55 W。

3 結(jié)語

熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對于銣原子頻標(biāo)光譜燈至關(guān)重要，熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅影響光譜燈工作穩(wěn)定性，并且對光譜燈激勵(lì)功耗和加熱功耗也有重要影響。對于像銣原子頻標(biāo)光譜燈這類具有多種熱源和結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的熱偶合體，采用熱分析軟件輔以合理的熱結(jié)構(gòu)模型能得到較為精確和直觀的熱分布云圖，對其熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和改進(jìn)起到指導(dǎo)作用，大大提高熱設(shè)計(jì)效率。

[1] WANG Xin-qi, WANG Yu-zhu.Proposal of a new space atomic frequency standard[J].Chin.Phys.Lett., 1999, 16(7): 479-480.

[2] 王義遒, 王慶吉, 董太乾.量子頻標(biāo)原理[M].北京: 科學(xué)出版社, 1986: 367-370.

[3] CAMPARO J, MACKAY R.Spectral mode changes in an alkali rf discharge[J].Journal of Applied Physics, 2007, 101 (5): 16, 053303.

[4] BELL W E, BLOOM A L, LYNCH J.Alkali metal vapor spectral lamps[J].The Review of Scientific Instruments, 1961, 3(6): 688.

[5] VANIER J, AUDOIN C.The Quantum Physics of Atomic Frequency Standards[M].Bristol: Adam Hilger, 1989: 1310.

[6] VANIER J, KUNSKI R, PAULIN P, et al.On the light shift in optical pumping of rubidium 87: the techniques of separated and integrated hyperfine filtering[J].Canadian Journal of Physics, 1982, 60(10): 82-188.

[7] CAMPARO J, SEGUNDO El, MACKAY R.A mechanism of rubidium atomic clock degradation: ring-mode to red-mode transition in rf-discharge lamps[J].Frequency Control Symposium, IEEE, 2007: 45-48.

[8] 電子工業(yè)部標(biāo)準(zhǔn)化研究所.可靠性工程師熱設(shè)計(jì)指南[S].1985: 30-37.

A design of thermal structure of rubidium spectrum lamp

TANG Chao, HUANG Jian-long, QIN Lei, JIN Xin, SHENG Rong-wu, YU Fang
(Wuhan Institute of Physics and Mathematics, Chinese Academy of Science, Wuhan 430071, China)

The rubidium spectrum lamp is one of the key parts of the rubidium frequency standard.The design of the structure of the rubidium spectrum lamp, especially the design of its thermal structure, have direct impacts on the stability and efficiency of the rubidium spectrum lamp, and directly influence the working mode，spectrum line shape and light stability, so as to greatly influence the performance of the rubidium frequency standards.In this article, based on simulation and experiment results we proposed a new lamp with an optimized thermal structure to avoid the disadvantages of an existing model, such as high lamp-temperature, worse stability of exciting circuit, high exciting power, low heating efficiency, etc.Compared with the original lamp, the lamp temperature, the power consumption and heating efficiency decrease by 10℃, 50%, and 0.55 W respectively for this new rubidium spectrum lamp, and it is more stable and reliable, being more suitable for being used in miniature rubidium frequency standards.

rubidium frequency standard; rubidium spectrum lamp; thermal structure

TM935.11+5

A

1674-0637（2015）01-0008-05

10.13875/j.issn.1674-0637.2015-01-0008-05

2014-03-07

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（11304361）

湯超，男，博士，主要從事小型化銣原子頻標(biāo)研究。