介紹了一種應用于氫原子鐘的雙真空結構設計，將電子控溫系統(tǒng)置于真空環(huán)境之中。真空絕熱設計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時間。實驗結果表明改進后的氫原子鐘溫度靈敏度由1 ×10 ^-14 /℃提高到2. 5 × 10 ^-15 /℃，與國際最高水平相當( 1 × 10 ^-15 /℃) 。

　　氫原子鐘的核心組件———腔泡( 微波腔和儲存泡) 的構成材料具有一定的膨脹系數(shù)，溫度的變化將導致其幾何尺寸發(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。研究證明，腔牽引效應是引起氫原子鐘輸出頻率變化的主要因素，因此，如何實現(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鍵所在。對于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期頻率穩(wěn)定度( ≤2×10 ^-15 /d) ，由時域頻率穩(wěn)定度公式可近似推知，氫原子鐘相對頻率變化率需滿足

　　根據(jù)腔牽引效應公式

　　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Q 值) ，在實際工程測定中有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)工程測得的腔泡組件溫度系數(shù)500Hz /℃推得，氫原子鐘要達到目標頻率穩(wěn)定度，腔內(nèi)溫度的波動范圍要控制在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等產(chǎn)生的頻移也都是溫度的函數(shù)。因此，嚴格控制氫原子鐘內(nèi)環(huán)境熱平衡是十分必要的，目前國內(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)精密控溫相結合的方式來實現(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)設計

　　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 場線圈、磁屏蔽等) 暴露于大氣環(huán)境之中，通過包裹幾層保溫材料來實現(xiàn)物理絕熱保溫。該設計存在幾個弊端: 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)境溫度變化帶來的影響; 各部分保溫效果一致性差，容易導致內(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，這對實現(xiàn)氫原子鐘小型化無益; 保溫材料形變?nèi)菀讓е麓牌帘位蝿�，致使磁屏蔽效能惡化，從而導致氫原子鐘磁靈敏度下降。因此，對氫原子鐘物理保溫系統(tǒng)改進是十分必要的。

　　熱傳遞共有三種途徑: 接觸傳熱、對流和熱輻射，其中熱輻射的傳熱效率最低。除儲存泡單獨構成一個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真空室之中，實現(xiàn)一種雙真空結構的設計，由原來的接觸傳熱變?yōu)檩椛鋫鳠帷Ｕ婵窄h(huán)境內(nèi)各部件之間盡量減少觸點且在有限的觸點處采用熱阻系數(shù)高的聚四氟乙烯材料隔熱。該設計使氫原子鐘內(nèi)部熱量幾乎只能通過輻射進行傳熱，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構設計的保溫絕熱效果，采用美國Ansys 公司出品的有限元仿真軟件來仿真外界環(huán)境溫度變化引起的氫原子鐘內(nèi)部溫度變化情況。假設氫原子鐘內(nèi)部無任何熱源，當外界環(huán)境溫度升高1℃時，其內(nèi)部溫度變化完全由外環(huán)境溫度變化所致。其內(nèi)部溫度隨時間變化的瞬態(tài)過程曲線如圖1 所示。

　　由圖1 可知，在將近900 s 時間內(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構設計具有良好的保溫絕熱效果，而且這一時間已遠遠超出電子系統(tǒng)的反應時間，電子系統(tǒng)有充足的時間的通過改變加熱功率來補償外界環(huán)境帶來的改變。圖2 是相同實驗條件下采用傳統(tǒng)保溫模式的氫原子鐘內(nèi)部溫度隨時間變化的瞬態(tài)過程曲線。

圖1 外界環(huán)境變化導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構設計還可以有效減少功耗、削弱由加熱電流產(chǎn)生的雜散磁場對原子躍遷頻率產(chǎn)生的影響。

　　當然，從溫度變化趨勢來看，無論哪種保溫方式，如果上述設定溫度變化過程繼續(xù)下去，氫原子鐘內(nèi)部溫度最終也將改變1℃，只是各自需要的時間長短不同而已。因此，真空技術網(wǎng)(http://m.mp99x.cn/)認為真空物理保溫絕熱設計的作用主要體現(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時間，溫度調(diào)節(jié)要靠電路系統(tǒng)來實現(xiàn)。

2、電子溫控系統(tǒng)設計

　　為了研究新設計的真空物理保溫絕熱系統(tǒng)對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)設計。精密溫度控制器由溫度檢測電阻、溫度檢測電橋、微伏放大器、功率放大器、加熱爐體組成( 見溫控原理圖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，當Rt≠Rs時，橋路輸出一個大小、極性對應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，使偏差消除進入恒溫狀態(tài)，實現(xiàn)溫度控制的功能。為便于維修和檢測，電路中設置了TP( 檢測點)( 裝在線路板上) ，TP1為微伏放大輸出檢測，TP2為功率放大器輸出檢測，TP3為地。初始加熱和進入恒溫狀態(tài)時各控溫單元的TP1、TP2值大致如表1 所示。

表1 電路檢測點實驗值

　　另外，面板顯示屏還設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)的設計，需對加熱爐布局做重新設計，為了克服被控系統(tǒng)較大的熱慣性及由于熱傳導所致的腔體溫度波動和溫度梯度大等因素的影響，其結構布局采用內(nèi)外雙層爐且每層分區(qū)控溫的設計。雙真空氫原子鐘內(nèi)部電子學控溫結構布局跟傳統(tǒng)型設計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)，該設計的優(yōu)點在于加熱爐均位于C 場線圈和屏蔽層之外，有效降低了加熱電流產(chǎn)生的雜散磁場對原子躍遷磁環(huán)境的影響。由于內(nèi)爐要實現(xiàn)精密控溫，因此將內(nèi)爐分為底部、筒部及頂部三個單元，每個單元都有它自己獨立的加熱爐體、控溫電阻Rt和溫度控制器。而外層爐主要設計目的是為內(nèi)爐創(chuàng)造一個溫度波動小的近似恒溫的環(huán)境，故將頂部和筒部合并為一個溫控單元，底部單獨一個單元。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)境溫度變化帶來的影響，從而可以省掉原頸部加熱爐的設計。圖4 是雙真空主動型氫原子鐘內(nèi)外加熱爐體實物圖。

　　對設計完成的雙真空氫原子鐘內(nèi)部溫度分布進行仿真，如圖5 所示。

圖4 雙真空結構氫原子鐘內(nèi)外爐體實物圖

圖5 雙真空氫原子鐘內(nèi)部溫度分布仿真圖

　　設定氫原子鐘所處環(huán)境溫度為25℃，內(nèi)部工作目標溫度為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，滿足設計要求。

3、氫原子鐘溫度靈敏度測試實驗

　　雙真空氫原子鐘溫度靈敏度是通過研究外界環(huán)境溫度變化引起其輸出頻率變化的對應關系來測定的。測試原理圖如圖6 所示。

　　將正常運行狀態(tài)下的雙真空結構氫原子鐘放置在高低溫實驗箱內(nèi)，其輸出的10 MHz 信號與參考鐘給出的10 MHz 信號經(jīng)短穩(wěn)比對儀比對后輸入計算機，比對數(shù)據(jù)經(jīng)計算機軟件處理后輸出結果。測試實驗開始后，將高低溫箱溫度設定在27℃，保持一段時間( 一般大于36 h) 待兩原子鐘頻率比對數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，將高低溫箱溫度升高至37℃，同樣再保持一段時間，然后再恢復至27℃。當然，如果時間允許，也可以在27℃ ～37℃之間往復變化多次測量幾組數(shù)據(jù)。下圖是頻率比對值與環(huán)境溫度變化之間的對應關系。

圖6 氫原子鐘溫度靈敏度測試原理圖

圖7 頻率比對值與環(huán)境溫度變化關系

　　如圖7 中所示，環(huán)境溫度為27℃頻率比對值穩(wěn)定后調(diào)節(jié)溫度至37℃后頻率比對值出現(xiàn)明顯波動，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)，溫度變化之初應該不會引起原子鐘內(nèi)部環(huán)境溫度的變化，這應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帶來的影響。一段時間后原子鐘頻率比對值開始趨于平穩(wěn)但與前一設定溫度值下的比對結果有所不同，從反應時間來看該過程應該是環(huán)境溫度變化對氫原子鐘物理部分影響所致。一段時間后再將溫度調(diào)至27℃，溫度變化之初再次出現(xiàn)頻率比對值波動，判斷仍為氫原子鐘電器部分受溫度影響所致，一段時間后比對數(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構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( 1 × 10 ^-14 /℃) 。而且僅從這個測試指標看，跟國外同類產(chǎn)品的溫度系數(shù)( 1 ×10 ^-15 /℃) 水平相當，但也存在是由于個例差異所致的可能，還有待日后批量生產(chǎn)后看是否具有普遍性。此外，在溫度變化過程中前后兩次27℃時對應的頻率相對值來看，雙真空結構氫原子鐘的一致性更好。

4、總結

　　為進一步改善氫原子鐘溫度靈敏度，設計了一種雙真空結構，將電子控溫系統(tǒng)置于真空環(huán)境中。這樣的真空絕熱結構設計，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時間。仿真結果及實驗測試數(shù)據(jù)均表明該真空物理保溫絕熱設計達到了預期，使氫原子鐘溫度靈敏度得到明顯改善，與國外同類產(chǎn)品水平相當。下一步擬將該設計結合復合泵技術用于氫原子鐘小型化和空間化研究方面。