影響銫束管壽命因素的分析

成大鵬，馬寅光，王　驥，陳　江，楊　軍

（蘭州空間技術(shù)物理研究所真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000）

影響銫束管壽命因素的分析

成大鵬，馬寅光，王驥，陳江，楊軍

（蘭州空間技術(shù)物理研究所真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000）

壽命問題一直是國內(nèi)小型磁選態(tài)銫束管的重要缺陷，隨著科技的發(fā)展，對銫束管的壽命要求越來越長，目前銫束管壽命問題已成為制約國內(nèi)銫束管發(fā)展的技術(shù)瓶頸。通過介紹磁選態(tài)銫束管的工作原理及影響銫束管壽命的因素，闡述了銫爐內(nèi)銫的消耗和倍增器增益隨工作時(shí)間衰減對銫束管長壽命的影響。

銫原子鐘；銫束管；銫爐；倍增器；壽命

0　引言

銫原子鐘以其優(yōu)異的長期穩(wěn)定性和頻率漂移率在原子頻標(biāo)中有著不可替代的重要作用，在軍事和空間技術(shù)上的作用是非常巨大的［1-2］。目前小型磁選態(tài)銫原子鐘的研制技術(shù)掌握在少數(shù)幾個(gè)國家手中，對我國只開放了一些低端產(chǎn)品，而對軍事和空間領(lǐng)域需要的高端產(chǎn)品，則實(shí)行嚴(yán)格禁運(yùn)，因此，必須走自主研發(fā)、自主研制的道路。

我國從上世紀(jì)60年代就開始了相關(guān)的研制工作，并有多家單位參與，取得了一定的成果，但在壽命方面一直是國內(nèi)小型磁選態(tài)銫原子鐘的短板，是阻礙國內(nèi)銫原子鐘付諸工程實(shí)用的主要原因［3］。小型磁選態(tài)銫原子鐘由頻標(biāo)電路和銫束管兩部分組成，其中銫束管是銫原子鐘的核心部件，在很大程度上決定了銫原子鐘的技術(shù)指標(biāo)和使用壽命。

1　銫束管工作原理

銫束管是最復(fù)雜的真空器件，其工作真空度優(yōu)于5×10-5Pa。在高真空環(huán)境下，銫原子從銫爐準(zhǔn)直器噴出，進(jìn)入選態(tài)磁鐵A，選出，態(tài)和，態(tài)，其中m=0，±l，±2，±3在微波腔中躍遷后，進(jìn)入選態(tài)磁鐵B，選出，態(tài)的原子作為信號原子，未被A、B磁鐵選中的其他態(tài)的銫原子被石墨塊吸收。銫束管的工作原理如圖1所示。

2　影響銫束管壽命的原因分析

銫束管內(nèi)許多的物理過程會影響銫束管壽命，如銫束管內(nèi)部的真空度維持、倍增器增益衰減、吸銫劑吸銫能力、銫爐的儲銫量等［4］。其中內(nèi)部的真空度維持、吸銫劑吸銫等問題隨著結(jié)構(gòu)和工藝的改進(jìn)目前對壽命的影響甚微，從銫束管的工作原理和試驗(yàn)情況來看，目前影響國內(nèi)銫束管壽命的主要問題是：

（1）銫爐。在加熱條件下，銫連續(xù)不斷的從多孔準(zhǔn)直器噴出，加熱溫度越高銫消耗越快，當(dāng)存儲的銫消耗盡，則預(yù)示銫束管壽命結(jié)束；

（2）倍增器。倍增器增益會隨工作時(shí)間下降，其增益衰減的快慢在很大程度上影響了銫束管的壽命。

圖1　銫束管工作原理圖

3　銫爐對壽命的影響

銫爐的設(shè)計(jì)在銫束管中非常重要，由銫爐向各個(gè)方向噴出的銫原子總數(shù)決定銫束管的壽命，沿軸向前的銫原子束強(qiáng)度決定信噪比，而其余分散的銫原子影響銫束管的背景噪聲。

銫原子從銫爐多孔準(zhǔn)直器每秒向各個(gè)方向擴(kuò)散出來的總原子數(shù)Q為［5］：

式中：n為氣室內(nèi)單位體積中的原子數(shù)；vˉ銫原子的平均速率，cm/s；AS是小孔的面積，cm2；P為銫爐內(nèi)的銫飽和蒸氣壓，Pa；T為銫原子的溫度，K；m為一個(gè)銫原子的質(zhì)量，m=2.22×10-22g；k為玻爾茲曼常數(shù)，1.381×10-23J/K。

而在熱平衡條件下，銫的飽和蒸氣壓力P與溫度T的關(guān)系為［5］：

根據(jù)式（1）、（2），銫爐每秒從準(zhǔn)直器擴(kuò)散出來的銫原子數(shù)取決于銫爐的加熱溫度，加熱溫度越高擴(kuò)散的銫原子數(shù)越多。

以目前國內(nèi)研制的銫束管內(nèi)銫爐為例說明銫爐對銫束管壽命的影響，按現(xiàn)有的設(shè)計(jì)，小孔面積為AS=1.207×10-2cm2，儲銫量為4 g。圖2給出了銫爐在工作溫度95～130℃下的工作年限，當(dāng)銫爐工作溫度95℃時(shí)，壽命超過20年，而銫爐工作溫度在130℃時(shí)，銫爐的工作壽命約為3.6年。

圖2　不同工作溫度下4 g銫的工作年限曲線圖

4　倍增器對壽命的影響

銫束管中采用一種盒柵型的多級分離式打拿極倍增器，打拿極材料采用MgO。工作原理如圖3所示，Cs+束轟擊在第一打拿極上，次級電子發(fā)射導(dǎo)致逐級之間的雪崩放大，在陽極上收集到一個(gè)非常大的電子電流，該輸出電流用于銫鐘的電路控制輸入。

圖3　倍增器工作原理圖

銫束管采用的倍增器在產(chǎn)品的使用過程中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)增益隨工作時(shí)間的增長而衰減，這種衰減影響銫束管的使用壽命。國外對于倍增器增益衰減的影響因素進(jìn)行了深入探討，Cutter等［6］通過加速老化試驗(yàn)研究了活性薄膜電子倍增器的老化機(jī)理，發(fā)現(xiàn)電極表面沉積的碳污染層是減少二次電子發(fā)射量、導(dǎo)致增益下降的主要原因。Straka［7］構(gòu)建了銫束管使用電子倍增器性能測試系統(tǒng)，并對其壽命影響因素進(jìn)行了深入分析，指出電子倍增器的壽命取決于第一級倍增極的壽命，只有設(shè)置合理的倍增極數(shù)量及工作電壓，才能使其工作壽命達(dá)到最長。

在銫原子鐘測試過程中，多支倍增器的電壓變化趨勢進(jìn)行了監(jiān)測，圖4給出了2種末打拿極輸出電流下倍增器測試數(shù)據(jù)，其中曲線1為末打拿極輸出電流為100 nA，曲線2為末打拿極輸出電流為40 nA，采用了提高電壓的方法對增益進(jìn)行了調(diào)節(jié)，但從倍增器工作電壓的提升情況可以反映出倍增器增益衰減的快慢程度，即電壓上升越快增益衰減越快，電壓上升越慢增益衰減越慢。

圖4　倍增器測試數(shù)據(jù)曲線圖

從電壓上升的趨勢來看，而曲線1倍增器電壓上升明顯較曲線2倍增器速度快，曲線2倍增器電壓上升明顯變緩。倍增器增益的衰減與入射的離子流大小有關(guān)，小的入射離子流可以減緩倍增器增益的衰減。

5　結(jié)論

銫爐內(nèi)銫的消耗和倍增器增益的衰減影響銫束管的壽命。從上述分析可以得出降低銫爐的工作溫度，從準(zhǔn)直器擴(kuò)散出來的銫原子數(shù)減少，降低銫的消耗，從而提高工作壽命，并且降低溫度使銫爐擴(kuò)散出來的銫原子數(shù)減少，可降低倍增器首個(gè)打拿極入射銫離子的強(qiáng)度，減緩倍增器增益的衰減。因此，降低銫束管內(nèi)銫爐的工作溫度，可以提高銫束管的工作壽命。

［1］王克廷，陳海軍，劉楠.密封小型銫束管的發(fā)展與現(xiàn)狀［C］// 2005年全國時(shí)間頻率學(xué)術(shù)會議組委會編，2005年全國時(shí)間頻率學(xué)術(shù)報(bào)告會論文集，中國西安：中國科學(xué)院國家授時(shí)中心，2005.

［2］翟造成，張為群，蔡勇，等.原子鐘基本原理與時(shí)頻測量技術(shù)［M］.上海：科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，2009.

［3］幸小雷，王超，黃凱，等.替代銫鐘內(nèi)電子倍增器技術(shù)初探［R］.2011全國時(shí)間頻率學(xué)術(shù)會議，2011.

［4］肖冬，邱家穩(wěn)，張滌新，等.高純石墨對銫吸附性能的研究［J］.真空與低溫，2009（2）：99-102.

［5］王義道，王慶吉，傅濟(jì)時(shí)，等.量子頻標(biāo)原理［M］.北京：科學(xué)出版社，1986.

［6］Cutter A D.The“aging”mechanism in electron multipliers and operatinglife［C］//The 42thASMS Conference on Mass SpectroscopyandAlliedTopics，1994.

［7］Straka E R.Performance characteristics of cesium beam tube electron multipliers［C］//The 36thAnnual Frequency Control Symposium，1982：230-235.

STUDY OF THE INFLUENCE FACTORS TO CBT’S LIFE-SPAN

CHENG Da-peng，MAYin-guang，WANG Ji，CHEN Jiang，YANG Jun
（Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Institute of Space Technology and Physics，Lanzhou730000，China）

The life-span limitation of Cesium beam tube（CBT）is the most serious shortage in our research.Along with the development of science and technology，there is many requirements to the CBT’s life-span.Nowadays，the lifespan is the fatal problem in the CBT’s research.In this thesis，we introduced the principle of CBT and the influence factors of CBT’s life-span，especially two factors，one is Cs Oven used up metal cesium，the other is the attenuation of the electron multiplier along with the working time increasing.

Cesium atomic clock；Cesium beam tube（CBT）；Cesium oven；electron multiplier；life-span

TH714.1+4

A

1006-7086（2015）01-0048-03

10.3969/j.issn.1006-7086.2015.01.011

2014-10-23

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51304100，61471183）

成大鵬（1980-），男，湖南省人，工程師，主要從事銫原子頻標(biāo)技術(shù)研究。E-mail：26089636@qq.com。