密封銫束管是銫原子鐘的物理部分，也是一種電真空器件。但是有關(guān)銫束管的真空設(shè)計(jì)方法在文獻(xiàn)中很少討論。本文提出了一種設(shè)計(jì)方法，該方法基于物理及使用要求。首先根據(jù)銫原子束流強(qiáng)度與銫束管內(nèi)壓強(qiáng)關(guān)系，得出銫束管的工作壓強(qiáng)應(yīng)當(dāng)滿足的范圍，在此基礎(chǔ)上以銫束管的靜態(tài)放置時(shí)間的要求為依據(jù)，定出材料單位面積平均出氣率，進(jìn)而對(duì)濺射離子泵的抽速和結(jié)構(gòu)提出要求。文章內(nèi)容無(wú)論對(duì)磁選態(tài)還是對(duì)光抽運(yùn)密封銫束管的設(shè)計(jì)都具有參考價(jià)值。

　　磁選態(tài)銫原子鐘是時(shí)間頻率系統(tǒng)的核心設(shè)備，具有準(zhǔn)確度高，長(zhǎng)期穩(wěn)定性好，基本上沒(méi)有頻率漂移的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于守時(shí)、授時(shí)、時(shí)間計(jì)量等領(lǐng)域。銫原子鐘的物理部分———銫束管———屬于電真空器件，它給原子態(tài)的制備、躍遷及躍遷信號(hào)的檢測(cè)等物理過(guò)程提供一個(gè)良好的真空環(huán)境，以輸出高質(zhì)量的鎖頻信號(hào)。

　　磁選態(tài)銫原子鐘的一個(gè)發(fā)展方向是小型化和可搬運(yùn)。相應(yīng)地，銫束管的體積變小，且形成密封結(jié)構(gòu)。這為銫束管的真空設(shè)計(jì)帶來(lái)了復(fù)雜性。不同于大型銫束管外接真空抽氣系統(tǒng)，小型密封銫束管為了維持真空其內(nèi)部安裝了微型濺射離子泵。除此之外，銫束管內(nèi)還安裝了銫爐、A/B 磁鐵、導(dǎo)軌、微波腔、C 場(chǎng)、補(bǔ)償線圈、檢測(cè)器等功能部組件，它們涉及多種材料，如不銹鋼、鎳、鋁、無(wú)氧銅、聚酰亞胺、石墨、陶瓷、坡莫合金等，使得整個(gè)銫束管內(nèi)各種材料的表面積達(dá)到4 ～5m²，從而材料表面的出氣率成為影響銫束管真空度關(guān)鍵因素。銫束管的真空設(shè)計(jì)就是要解決如何定出銫束管的工作真空度或壓強(qiáng)、材料放氣率以及如何根據(jù)材料出氣率的要求確定銫束管的除氣工藝、濺射離子泵的抽速與結(jié)構(gòu)等。然而討論銫束管真空設(shè)計(jì)的文獻(xiàn)很少。

　　之所以如此，原因可能有兩個(gè)：一是銫束管的關(guān)鍵技術(shù)如長(zhǎng)壽命技術(shù)長(zhǎng)期難以突破，對(duì)真空設(shè)計(jì)的關(guān)注反而不高；二是在不計(jì)資金與時(shí)間成本的前提下銫束管的真空設(shè)計(jì)可以通過(guò)經(jīng)驗(yàn)與反復(fù)試驗(yàn)完成。目前國(guó)內(nèi)銫原子鐘的研制取得了突破性進(jìn)展，迫切需要一套完整的銫束管的真空設(shè)計(jì)方法。

　　本文提出了一種基于物理及使用要求的方法，根據(jù)物理要求得到銫束管的工作壓強(qiáng)，根據(jù)使用要求得到材料的出氣率，在二者的基礎(chǔ)上確定濺射離子泵的抽速和方案，本文根據(jù)出氣率還討論了如何確定材料的除氣工藝。本文提出的方法雖然針對(duì)磁選態(tài)密封銫束管，但對(duì)光抽運(yùn)銫束管的的真空設(shè)計(jì)同樣有借鑒作用，并且對(duì)其它電真空器件的設(shè)計(jì)亦有參考價(jià)值。

　　1、實(shí)驗(yàn)銫束管的工作壓強(qiáng)

　　磁選態(tài)銫束管的基本結(jié)構(gòu)見圖1。從銫爐準(zhǔn)直器噴出的銫原子束經(jīng)過(guò)偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)A 選態(tài)后進(jìn)入微波腔，經(jīng)共振相互作用產(chǎn)生躍遷，偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)B 將躍遷的原子選出進(jìn)入檢測(cè)器。在這一過(guò)程中，檢測(cè)器接收的躍遷原子數(shù)越多，信號(hào)也就越強(qiáng)，從而銫束管的信噪比就越高。為了使檢測(cè)器接收較多銫原子，除了合理設(shè)計(jì)銫束管的結(jié)構(gòu)之外，還要保證銫原子經(jīng)過(guò)的路徑上氣體分子盡可能少，也就是銫束管的真空度應(yīng)盡可能高，即壓強(qiáng)盡可能小。另一方面，不管付出多高代價(jià)，銫束管內(nèi)的氣體分子都不可能完全消除，所以對(duì)真空度的要求也即對(duì)壓強(qiáng)的要求應(yīng)在一個(gè)合理的范圍之內(nèi)。

圖1 銫束管的結(jié)構(gòu)示意圖

　　3、濺射離子泵

　　微型濺射離子泵除了保證銫束管在長(zhǎng)時(shí)間斷電后能夠正常開機(jī)之外，還要保證銫束管在加電工作狀態(tài)下能夠長(zhǎng)期維持高真空，即維持小于1 × 10^-4 Pa 的壓強(qiáng)，這對(duì)濺射離子泵的抽速提出了要求。在基于經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法中，對(duì)離子泵的抽速要求是通過(guò)假定的方式提出的，先假定一個(gè)較大的抽速，據(jù)此再定出材料的出氣率，此外為了保證離子泵不落在低抽速范圍，還需要對(duì)離子泵進(jìn)行復(fù)雜的設(shè)計(jì)。下面將看到，本文提出的方法跟基于經(jīng)驗(yàn)的方法不同。

　　為了確定濺射離子泵的抽速，首先應(yīng)分析銫束管在加電情況下的氣體來(lái)源。在加電工作狀態(tài)下，銫爐組件將加熱至120℃附近，檢測(cè)器中組件中的鉭箔工作在800℃附近，因此氣體來(lái)源有兩部分，一是已指出的銫束管內(nèi)部常溫下材料表面放出的氣體，二是個(gè)別材料的高溫出氣，這些材料包括組成銫爐的無(wú)氧銅和不銹鋼，組成檢測(cè)器的鉭箔及鉭箔周圍的磁鋼、純鐵等。

　　4、結(jié)束語(yǔ)

　　本文提出了一種銫束管的真空設(shè)計(jì)方法。該方法從物理和使用要求出發(fā)得到銫束管的工作真空度及單位面積材料出氣率，并根據(jù)材料的出氣率討論了材料除氣和整管排氣工藝，進(jìn)而得到離子泵的抽速和采用的結(jié)構(gòu)，這樣就將銫束管的真空設(shè)計(jì)建立在了堅(jiān)實(shí)的物理及使用的基礎(chǔ)之上。本文提出的方法盡管是針對(duì)銫束管的，但對(duì)其它電真空器件的真空設(shè)計(jì)亦有參考價(jià)值。