一種應(yīng)用于空間氫鐘的C場組件設(shè)計

王文明

(北京無線電計量測試研究所，北京100039)

一種應(yīng)用于空間氫鐘的C場組件設(shè)計

王文明

(北京無線電計量測試研究所，北京100039)

基于零磁環(huán)境下，以空間主動氫脈澤對C場組件實際功能要求為設(shè)計依據(jù)，首先借助電磁理論,同時兼顧工程設(shè)計確定中心場及補償場線圈的繞制方法及圈數(shù);其次通過通電螺線圈的經(jīng)驗公式計算獲得目標(biāo)均勻靜磁場所需要的穩(wěn)恒電流；最后借助仿真優(yōu)化及實驗驗證，確定中心場及補償場線圈電流分別為0.378mA和0.259mA時可實現(xiàn)小于1%的場不均勻度，由此引起的氫鐘磁場不均勻頻移可以忽略。

C場組件；空間氫鐘；磁場

0 引言

氫鐘作為一種時間頻率測量設(shè)備，以其高準(zhǔn)確度和良好的中長期穩(wěn)定度廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星導(dǎo)航與定位、深空探測、基礎(chǔ)理論研究等領(lǐng)域。C場是氫鐘當(dāng)中的關(guān)鍵組件，主要用于產(chǎn)生一個均勻、穩(wěn)恒的弱磁環(huán)境，使氫原子F=1，mf=0態(tài)的磁能級與其他三個磁能級分開[1]，同時保持磁矩處于某一特定取向。其產(chǎn)生磁場的大小尤其均勻度決定著氫鐘的準(zhǔn)確度及穩(wěn)定度水平。

雖然傳統(tǒng)氫鐘C場組件的設(shè)計方案及制作工藝均已固化，但無法滿足工作于空間環(huán)境的氫鐘[2]。這不僅是因為其結(jié)構(gòu)要根據(jù)相關(guān)聯(lián)組件重新做適配設(shè)計，而且其設(shè)計工藝不滿足空間氫鐘內(nèi)的高真空環(huán)境要求。因此，需對C場組件重新做結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計。

1 C場組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計

C場組件位于微波腔與內(nèi)層屏蔽之間，其在泡區(qū)磁場的方向與微波腔磁矢量方向相同，其圓筒狀設(shè)計恰好與H011腔同軸。應(yīng)用于地面氫鐘的C場組件多暴露于大氣環(huán)境，通常采用PCB制作，工藝簡單可靠且線圈均勻(見圖1)，但存在材料放氣及受力易變形引起磁場分布變化的不足?？臻g氫鐘的C場組件工作環(huán)境為高真空，對所選用材料放氣率有特殊要求。設(shè)計中，以鈦材制成的微波腔緊固筒同時作為C場導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)筒，考慮到可靠性設(shè)計要求，選用低放氣率絕緣鍍層材料的導(dǎo)線，在導(dǎo)線與微波腔緊固筒之間包覆一層聚四氟乙烯膜，且膜上等間距刻限位槽以保證導(dǎo)線均勻分布。實際上，導(dǎo)線緊密繞制最理想；但在實際應(yīng)用中該方案不可靠，導(dǎo)線之間容易發(fā)生短路且考慮到工藝實現(xiàn)難度，其產(chǎn)生的磁場并不理想。同時，金屬導(dǎo)線自有的剛性較難實現(xiàn)緊密均勻繞制，且在制作過程中，由于作業(yè)環(huán)境因素難以保持其高真空環(huán)境設(shè)計要求，設(shè)計中導(dǎo)線限位槽間距定為5mm。

圖1 PCB板C場組件實物圖Fig.1 PCB C-field

理想導(dǎo)流線圈的內(nèi)部磁場分布應(yīng)為大小均勻、方向一致，但在實際工程應(yīng)用中受結(jié)構(gòu)尺寸限制，致使C場在泡區(qū)產(chǎn)生的磁場呈現(xiàn)出一定的梯度分布且取向不一致，由此引起原子躍遷中心頻率發(fā)生偏移并伴有譜線增寬，致使整鐘輸出信號指標(biāo)下降[3]。空間氫鐘C場筒對稱兩頭各繞制等間距絕緣導(dǎo)線以消除磁場分布梯度。兩端導(dǎo)線的繞制寬度相對較短，本設(shè)計中繞制長度為20mm。為便于下文分析論述，在C場組件中定義緊固筒上等間距的導(dǎo)線為中心場，兩頭對稱分布導(dǎo)線為補償場，新制作的C場組件如圖2所示。

圖2 空間氫鐘C場組件實物圖Fig.2 Space hydrogen maser C-field

2 C場組件內(nèi)磁場的理論計算

C場組件所產(chǎn)生靜磁場分布滿足畢奧-薩伐爾定律，圖3為過C場筒軸線任一平面與筒的相交面，其中取C場筒軸線為X軸、C場筒中心處為坐標(biāo)原點O，設(shè)中心場截面內(nèi)徑為R，線徑長度為L，單位長度內(nèi)導(dǎo)線圈數(shù)為n，則X軸上任一坐標(biāo)處靜磁場分布為[4]

(1)

其中，μ0=4π×10-7N/A，I表示流經(jīng)導(dǎo)線的直流電數(shù)值

(2)

基于微波腔與內(nèi)層屏蔽的有限空間，該C場筒結(jié)構(gòu)尺寸取L=2R=310mm、n=200，X軸與泡區(qū)界面交點為A、B兩處且關(guān)于坐標(biāo)原點O對稱，圓形泡區(qū)界面直徑大小為180mm，A、B兩處坐標(biāo)分別為(-90，0)(90，0)且兩處磁場分布相同。上述三處對應(yīng)的磁場分布為：

(3)

(4)

圖3 過C場筒軸線任一平面與其相交截面圖Fig.3 The intersect surface of C-Field and the plane over the axis

補償場寬度相較于中心場長度較小，可等效為單股通電導(dǎo)線，其對應(yīng)坐標(biāo)為兩個補償場的中間點，分別為(-145，0)和(145，0)，由單股線圈產(chǎn)生軸線分布場的計算公式[4]

(5)

推知，兩個補償場在X軸上任一坐標(biāo)處靜磁場分布為：

(6)

(7)

由于上文提到計算式將補償場視為單股導(dǎo)線，式(6)、式(7)中I′等于補償場導(dǎo)線中電流I輔與補償場導(dǎo)線匝數(shù)(已知匝數(shù)為40)之積。將兩個場(三個線圈)產(chǎn)生靜磁場疊加，得到O、A、B三處的靜磁場分布為：

(8)

(9)

(10)

由于A、B兩處嚴(yán)格對稱，理論上兩處磁場分布相同。計算中僅取O、A兩點，若X軸線上C場組件產(chǎn)生的磁場均勻，則有

(11)

由量子頻標(biāo)理論知，氫原子實際躍遷頻率與C場有如下關(guān)系

(12)

式中，f為氫原子實際躍遷頻率，f0為氫原子無磁環(huán)境下σ躍遷中心頻率，Hc為泡區(qū)磁場強度。C場組件內(nèi)磁場強度越大，對應(yīng)區(qū)域內(nèi)磁場漲落效應(yīng)越顯著，由此引起的磁不均勻度越大，最終氫鐘輸出頻率變化率就越大。為實現(xiàn)氫鐘10-13量級的準(zhǔn)確度，通常取B≤1×10-7T，現(xiàn)取

(13)

計算求得中心線和補償場導(dǎo)線中的電流分別為：

(14)

3 C場組件仿真優(yōu)化

前文所得結(jié)果，是以X軸線上的兩處代表性的點為研究對象，將式(14)中數(shù)值帶入式(15)

B總=B+B′+B″

(15)

借助仿真軟件得到C場組件X軸線上泡區(qū)內(nèi)靜磁場分布曲線，如圖4所示。

圖4 X軸線上泡區(qū)內(nèi)靜磁場分布曲線Fig.4 The magnetic induction distribution within the storage bubble region

顯然，X軸線上靜磁場分布并不均勻，造成這一結(jié)果的原因正是由于在設(shè)計過程中采用了以點代線的方法，即由特殊性代替一般性，因此取得這一結(jié)果也在情理之中。需要說明的是：雖然基于理論值下求得結(jié)果并不理想，但它具有十分重要的實驗指導(dǎo)意義。

在仿真環(huán)境下，基于前文理論計算結(jié)果，對通入三個線圈的直流電大小在該數(shù)值附近進(jìn)行優(yōu)化調(diào)節(jié)，分析不同取值下的X軸線靜磁場分布曲線，在中心場和補償場導(dǎo)線電流分別為0.378mA、0.259mA時，得到優(yōu)于1%的磁場不均勻度，如圖5所示。

圖5 仿真調(diào)節(jié)后X軸線上泡區(qū)內(nèi)靜磁場分布曲線Fig.5 Optimized magnetic induction distribution within the storage bubble region

式(12)可推得由磁場不均勻度所致的氫鐘輸出頻率相對變化率為

(16)

4 C場組件性能的試驗驗證

將圖2所示的C場組件安裝于驗收合格的磁屏蔽組件內(nèi)并退磁，用直流電源分別給C場組件的三個線圈單獨供電，通電電流分別為0.378mA、0.259mA。在泡區(qū)范圍內(nèi)沿X軸線方向平移磁通門磁強計探頭，同時每移動10mm記錄一個數(shù)值。測試結(jié)果顯示表明該C場組件內(nèi)X軸線上的靜磁場的不均勻度小于1%，但磁場大小大于1mG。

上述結(jié)果可以通過磁屏蔽組件的工作原理解釋。因為磁屏蔽不僅可以將外界雜散磁場通過自身的高磁導(dǎo)率阻止其進(jìn)入屏蔽的內(nèi)環(huán)境，還可以將內(nèi)環(huán)境的磁場封閉在其空間內(nèi)。如此導(dǎo)致C場組件所產(chǎn)生的靜磁場幾乎全部分布在磁屏蔽組件的有限內(nèi)部空間內(nèi)，以至于改變了C場筒內(nèi)的磁場分布，但要量值計算屏蔽筒內(nèi)C場組件磁場分布根本是不可能的[5]。從工程角度講，求解屏蔽對C場組件場分布影響是沒有意義的，因為在氫鐘調(diào)試過程中，C場組件所需直流電的大小是要根據(jù)每臺鐘的不同狀態(tài)做具體調(diào)節(jié)的，甚至于調(diào)試完畢的氫鐘在更換工作場所時都要進(jìn)行細(xì)微調(diào)整。

上述仿真求得的優(yōu)化數(shù)值僅用作證明所設(shè)計C場組件可以實現(xiàn)指標(biāo)要求，具體工程應(yīng)用仍需對所加直流電流進(jìn)行調(diào)試。

5 結(jié)論

本文從氫鐘對C場組件的工作要求出發(fā)，考慮具體工程設(shè)計中的局限性，得到主輔場線圈的繞制結(jié)構(gòu)，然后通過數(shù)值計算及優(yōu)化處理得到其工作參數(shù)，最后通過實驗測定驗證設(shè)計的合理性。

目前，該C場組件已裝配于某型號主動型氫鐘當(dāng)中，脈澤信號最優(yōu)時所對應(yīng)的磁場撥盤值在經(jīng)驗值附近，經(jīng)過調(diào)試后，對該型號氫鐘進(jìn)行指標(biāo)測試，測試數(shù)據(jù)滿足設(shè)計指標(biāo)要求。證明該C場組件已能夠穩(wěn)定可靠地工作。

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A Design of C-field for Space Hydrogen Maser

WANG Wen-ming

(Beijing Institute of Radio Metrology and Measurement，Beijing 100039,China)

Based on the requirement for hydrogen maser design constraints，the C-field is designed without considering the effect of magnetic shield in this paper.First，winding coil method and number of laps are gotten from the basic electromagnetic theory and engineering design point of views，then the target steady current which can generate a uniform magnetic field is calculated by Biot-Savart law，and finally when the main and auxiliary coil current are set at 0.378mA，0.259mA respectively by numerical calculation，simulation and experiment，the magnetic field inhomogeneous is less than 1% which can be neglected.

C-field；Space hydrogen maser；Magnetic field

2015-07-14；

2015-09-22。

王文明(1985-)，男，博士，高工，主要從事地面守時主動氫鐘、空間主動氫鐘及星載被動氫鐘方面的研究。E-mail：wwm_Kingdom@163.com

TH714

A

2095-8110(2016)01-0060-04