CN103389234B - 用于铷量高精度测试的铷光谱灯灯泡赶铷装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于铷量高精度测试的铷光谱灯灯泡赶铷装置，它由泡筒、支撑板、隔热盖板、水槽、顶压螺钉、弹簧、隔热垫圈、冷端杆、水槽组成。灯泡和隔热垫圈装在泡筒中，冷端杆穿过隔热垫圈，通过旋压顶压螺杆和弹簧，将灯泡端面与冷端杆接触，泡筒与隔热盖板用螺钉连接，隔热盖板与支撑板用M2.5螺钉连接，支撑板放置在水槽上，泡筒周围绕制聚酯亚胺康铜丝，冷端杆的一端浸入水槽中。本发明结构简单，使用方便，利用这种装置，灯泡受热均匀，冷端控制精准，所得吸热峰尖锐，铷量测试结果准确，不存在铷量非正常消耗的问题。该方法还具有操作容易、工艺一致性好、便于批量处理的优点。可直接用于铷光谱灯灯泡铷量测试中的赶铷环节。

Description

用于铷量高精度测试的铷光谱灯灯泡赶铷装置

技术领域

本发明涉及铷光谱灯灯泡铷量测试领域，更具体涉及一种用于铷量高精度测试的铷光谱灯灯泡赶铷装置，利用此装置可使灯泡中的铷集中在灯泡端面一点，从而使铷量测试更精确。

背景技术

使用寿命是铷原子频标的一项重要指标。在卫星环境的使用，对频标的使用寿命有相当严格的要求。影响铷原子频标使用寿命最主要的因素之一是铷原子频标中铷光谱灯的失效。其主要原因是铷光谱灯灯泡中金属铷原子的耗尽。铷原子是谱灯的发光物质，铷光谱灯在使用过程中，灯泡中的铷会逐渐减少。谱灯中金属铷的损耗是由铷和杂质气体的化学反应和铷向玻璃泡壁扩散导致的，减少到一定程度时，则不能够形成足够的饱和蒸气压，光强急剧减小，不能满足正常使用要求，此时就判定为谱灯失效。

评估铷光谱灯的寿命就成为评估铷原子频标寿命的主要问题。谱灯寿命的评估的主要内容是评估灯泡的寿命。具体做法是，在谱灯制作完成后，让其在正常条件下点亮工作，隔一段时间将灯泡取出，对灯泡内的铷量进行测试，得到谱灯在工作过程中铷随时间的消耗量。再采用合理的铷量消耗模型对消耗量进行拟合，得出谱灯的铷量消耗随时间变化的公式，最后根据此公式计算出铷量耗尽所对应的时间，这就是谱灯的寿命。根据此公式，一方面可预期出在充铷量一定时所对应的使用寿命，另一方面，由于在满足寿命的情况下，灯泡内铷量越少越好，故还可用来根据铷频标寿命的设计要求，对灯泡内的充铷量提出要求，对灯泡充铷量的设计提供指导。铷量测试是铷光谱灯寿命评估的关键。测试数据应尽可能准确，误差及离散性要小。测试误差过大直接导致得出的铷量耗随时间变化的公式不准确，从而影响对谱灯的使用寿命的预估。

灯泡内铷量的测量一般采取差示扫描量热法（DSC）。铷量测试时，充有铷的被测泡和质量相同但未充铷的参考泡均放入样品池中。被测泡中的铷被“驱赶”到泡的底面。在计算机程序控制下，对样品池进行温度扫描，当温度恰好等于铷的熔化温度～39℃时，被测泡中的铷由固态变为液态，于是要吸收一定的热量。此时被测泡和参考泡之间的热量差要发生变化，热量测试曲线出现一个吸热峰。吸热峰所包围的面积S即为铷发生相变所吸收的热量。用热量即吸热峰所包围的面积S除以铷的熔解热ΔH，就得到了铷的质量：

$m=\frac{S}{\mathrm{\ΔH}}$

为了得到精确的铷量测试结果，在测试过程中被测泡中金属铷应尽可能同时发生相变，从而使吸热峰尖锐，这样才能更准确地测量出热量并准确计算出铷量。否则吸热峰会宽化，影响测量精度，严重时甚至会观察不到吸热峰。

要保证测试过程中灯泡内所有金属铷能同时发生相变，必须设法使被测泡中的铷尽可能集中在灯泡内壁上一个很小的区域。这个过程称为“赶铷”。如果灯泡内的铷不是分布在一个很小的区域，甚至是布满了灯泡内表面，就会使得不同位置的金属铷相变时间有先有后。这样得到的吸热峰就会变宽，吸热量测量误差变大，严重时甚至无法得到吸收热。所以，铷量测试方法包括了两个环节：赶铷和测铷。

传统的赶铷方法用到浸水棉花尖、酒精灯等工具。浸水棉花尖与灯泡端面接触形成冷端，用酒精灯火焰将整个灯泡加热，使泡中金属铷逐渐气化，经过一段时间后，灯泡内的金属铷集中于冷端，从而完成赶铷的过程。

火焰赶铷方法有明显的缺点。第一，这是一个复杂的手工操作过程，操作者必须具备足够的经验。如果棉球上的水过多，灯泡上沾染了水，在酒精灯对灯泡加热过程中，灯泡容易破裂。若棉球中水量过少，则不容易形成冷端，灯泡内的金属铷不容易集中，金属铷分布的面积较大。第二个缺点是一致性很难保证，每次得到的铷分布面积都不一样，从而导致铷量测量结果的离散性。第三，酒精灯火焰温度可高达500℃以上，在此高温作用下，铷原子会加速与灯泡内的杂质和灯泡玻璃材料进行物理和化学反应，从而引入铷量的非正常消耗量。这样，申请人就很难得到正常工作条件下灯泡内铷量随时间消耗的规律。第四，酒精灯对灯泡的多次加热会使灯泡材料发黄变色，从而影响谱灯灯泡的透光率，这不利于申请人同时研究谱灯的发光特性。

发明内容

本发明的目的是在于提供了一种用于铷量高精度测试的铷光谱灯灯泡赶铷装置，结构简单，使用方便，利用这种装置，灯泡受热均匀，冷端控制精准，所得吸热峰尖锐，铷量测试结果准确，不存在铷量非正常消耗的问题。该方法还具有操作容易、工艺一致性好、便于批量处理的优点。可直接用于铷光谱灯灯泡铷量测试中的赶铷环节。

为了实现上述的目的，本发明采用以下技术措施：

一种用于铷量高精度测试的铷光谱灯灯泡赶铷装置，它由泡筒、隔热垫圈、灯泡、弹簧、顶压螺钉、隔热盖板、支撑板、冷端杆、M2.5螺钉、水槽构成，其连接关系是：灯泡和隔热垫圈装在泡筒中，冷端杆穿过隔热垫圈，通过旋压顶压螺杆和弹簧，将灯泡端面与冷端杆紧密接触，泡筒与隔热盖板用螺钉连接，隔热盖板与支撑板用M2.5螺钉连接，支撑板放置在水槽上。在泡筒周围绕制聚酯亚胺康铜丝，用于泡筒加热，泡筒表面安装热敏电阻以便监测泡筒温度。用直流稳压源对康铜丝加电，使泡筒加热，泡筒内灯泡中的金属铷被气化。控制直流稳压源电压，使泡筒温度控制在138℃－142℃，与铷光谱灯实际工作时，灯泡的工作温度相当。隔热垫圈和隔热盖板采用聚酰亚胺这种热阻较大的材料制作，保证泡筒的温度不传递给冷端杆及水槽，冷端杆的另外一端浸入装满水的水槽中，保持冷端杆温度与水槽中的水温度一致，为常温18℃－22℃。赶铷操作时，灯泡端面中心处与冷端杆接触的地方温度较低，泡内铷蒸气原子在此处不断凝结。

通过赶铷过程，申请人总是希望将全部的铷集中到灯泡内表面的某个小的区域（一般为灯泡底面中心区域），定义此区域为S₁；同时希望泡内表面除S1以外的其他区域不要残留有铷，此区域定义为S₂。设S₁区域温度为T₁，S₂区域的温度为T₂。要将所有的铷都集中到S₁，应满足两个条件，第一，T₂＞＞T₁的条件应维持足够长的时间；第二，撤除T₂＞＞T₁条件的过程应足够缓慢。

本发明的特点在于：利用此赶铷装置赶铷时，当加热停止后，由于泡筒的热容量较大，T₂将缓慢地过度到常温，第一个条件和第二个条件都很容易满足，因而不会造成铷在S₂区域的再凝结，S₂区域就显得透明，赶铷效果集中。

赶铷操作时，水槽中注入适量的水，将冷端杆的下部淹没。用直流稳压源对康铜丝加电，使泡筒加热，泡筒内灯泡中的金属铷被气化。灯泡低面中心处温度较低，泡内铷蒸气原子在此处不断凝结。泡筒温度在138℃－142℃保持2个小时，全部铷将凝结于灯泡底面中心处。此时停止加热，待泡筒的温度降至铷溶解温度以下（30℃左右）时,取出灯泡，赶铷过程结束。

本发明与现有赶铷方法相比，最显著的优点是得到金属铷连续分布在一个直径约2mm的区间，后者的铷分布面积更小，界面也更清晰。不存在铷量非正常消耗的问题。此赶铷装置还可以一次性地为多个灯泡“赶铷”，对于大批量的灯泡铷量测试来说这也是非常必要的。

附图说明

图1为一种用于铷量高精度测试的铷光谱灯灯泡赶铷装置剖面图。

图2为一种用于铷量高精度测试的铷光谱灯灯泡赶铷装置俯视图。

其中：泡筒1、隔热垫圈2、灯泡3、弹簧4、顶压螺钉5、隔热盖板6、支撑板7、冷端杆8、M2.5螺钉9、水槽10。

具体实施方式

根据图1可知，用于铷光谱灯灯泡赶铷装置由一种赶铷装置，它由泡筒1、隔热垫圈2、灯泡3、弹簧4、顶压螺钉5、隔热盖板6、支撑板7、冷端杆8、M2.5螺钉9、水槽10组成，其特征在于：将灯泡3放入泡筒1中，上端采用顶压螺杆5和弹簧4将灯泡3端面连接，冷端杆8穿过隔热垫圈2，冷端杆8一端与灯泡3端面良好接触，另一端浸入水槽10中，保证冷端杆8的温度较低，使灯泡内的金属铷在此处凝结。

在泡筒1周围用康铜丝绕制，用于加热，泡筒1表面安装热敏电阻以便监测泡筒温度。赶铷操作时，将灯泡3装入泡筒1中，用直流稳压源对康铜丝加电，使泡筒1加热，泡筒1内灯泡3中的金属铷被气化。控制直流稳压源电压，使泡筒1温度控制在138℃－142℃，与铷光谱灯实际工作时，灯泡的工作温度相当。泡筒1与隔热盖板6用螺钉连接，隔热盖板6与支撑板7用M2.5螺钉9连接，支撑板7放置在水槽10上。冷端杆8的一端穿过隔热垫圈2，与灯泡3端面紧密接触，隔热垫圈2和隔热盖板6采用聚酰亚胺这种热阻较大的材料制作，保证泡筒1的温度不传递给冷端杆8和水槽10，冷端杆8的另外一端浸入装满水的水槽10中，保持冷端杆8温度与水槽10中的水温度一致，为常温18℃－22℃左右。灯泡3端面中心处与冷端杆8接触的地方温度较低，泡内铷蒸气原子在此处不断凝结。

泡筒温度在约140℃保持约2个小时，全部铷将凝结于灯泡底面中心处。此时停止加热，待泡筒的温度缓慢降至铷溶解温度以下（30℃左右）时,取出灯泡，赶铷过程结束。

利用此赶铷装置，即可实现铷光谱灯灯泡赶铷，保证后续铷光谱灯灯泡铷量测试的精确性，用于铷光谱灯灯泡铷量测试。

Claims (1)

1.一种用于铷量高精度测试的铷光谱灯灯泡赶铷装置，它由泡筒(1)、隔热垫圈(2)、灯泡(3)、隔热盖板(6)、支撑板(7)、冷端杆(8)、水槽(10)构成，其特征在于：灯泡(3)和隔热垫圈(2)装在泡筒(1)中，冷端杆(8)穿过隔热垫圈(2)，通过旋压顶压螺杆(5)和弹簧(4)，将灯泡(3)端面与冷端杆(8)接触，泡筒(1)与隔热盖板(6)用螺钉连接，隔热盖板(6)与支撑板(7)用M2.5螺钉(9)连接，支撑板(7)放置在水槽(10)上；

所述的泡筒(1)周围绕制聚酯亚胺康铜丝；

所述的隔热垫圈(2)和隔热盖板(6)采用聚酰亚胺材料制作；

所述的冷端杆(8)的一端浸入水槽(10)中。