CN103429062A - 一种磁屏蔽系统以及提高原子频标磁屏蔽性能的方法 - Google Patents

一种磁屏蔽系统以及提高原子频标磁屏蔽性能的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种磁屏蔽系统以及提高原子频标磁屏蔽性能的方法。该系统包括原子储存泡；容置所述原子储存泡的由微波腔上盖、微波腔筒和微波腔下盖首尾相连围成的微波腔；围绕所述微波腔的外壁设置的工作磁场线圈；还包括：由内向外以嵌套式结构彼此间隔开设置的经过真空高温热处理的第一磁屏蔽层、第二磁屏蔽层和第三磁屏蔽层；所述第一磁屏蔽层位于所述工作磁场线圈和所述第二磁屏蔽层之间。该方法包括对所述磁屏蔽系统的各层磁屏蔽层进行真空高温热处理。本发明解决了现有技术中的磁屏蔽系统体积大、重量重的问题，同时保证良好的磁屏蔽性能，还提高了对环境磁场的适应性，降低原子频标对空间环境磁场要求的苛刻程度。

Description

一种磁屏蔽系统以及提高原子频标磁屏蔽性能的方法
技术领域
本发明涉及一种屏蔽系统，具体涉及一种磁屏蔽系统，还涉及一种提高原子频标磁屏蔽性能的方法。
背景技术
目前，国内的磁屏蔽材料可以分为许多牌号。在原子频标领域，用于屏蔽外磁场所采用的磁屏蔽层的材料是高初始磁导率坡莫合金，牌号是1J79与1J85。
根据各类原子频标的结构尺寸的不同，磁屏蔽系统的具体尺寸也会不同。原子频标所采用的磁屏蔽系统大多是由多层闭合的圆筒形磁屏蔽层嵌套形成，从而起到对外界磁场的屏蔽作用，由于该在各屏蔽层的两极端面上的开口面积较小，所以基本认为每层磁屏蔽还是闭合的。图1A中的20示出了这类结构。个别较考究的设计中可能还会采用圆筒的上下两级端面为凸锥面的结构，如图1B中的30所示。具体结构参数根据实际情况会有所不同。现有的原子频标采用的磁屏蔽系统的层数一般为4层。根据加工工艺、系统本身抗震性、重量和性能等综合考虑各屏蔽层的厚度的要求：由内到外依次为：0.6mm、0.6mm、0.6mm、1mm。由于加工工艺的偏差，各层的厚度允许有±0.1mm的偏差。
目前采用的工艺方法是用牌号为1J85（部分采用1J79）的磁屏蔽材料按结构尺寸要求加工成型。利用氢保护高温炉进行磁屏蔽的热处理，冷却后取出，并在原子频标上集成，最终采用相应的方法进行退磁。各热处理厂家的处理工艺基本相同，高温峰值在1100-1150℃。
严格意义上磁屏蔽系数定义为磁屏蔽系统外界磁场与内部空间磁场的比值，磁屏蔽系数越大，磁屏蔽效果则越好；系数越小，则屏蔽效果越差。Gn＝H内H外
即：
Figure BDA00001651719200021
其中：Gn代表n层磁屏蔽系统的磁屏蔽系数；
H外代表n层磁屏蔽系统外部空间附近的磁场强度（Gs）；
H内代表n层磁屏蔽系统内部空间的磁场强度（Gs）；
由原子频标原理可知，在工作的过程中，其对客户给出的频率输出稳定度是会受到环境磁场的影响的。通常可以用磁敏感系数δv/v来说明环境磁场的影响程度，δv/v——指的是因为外界环境磁场的变化而引起的原子频标的输出频率的相对变化。相应根据公式GN=H外/H内，可知因环境磁场相应变化引起的磁屏蔽系统内的磁场变化ΔH，原子钟的磁敏感系数δv/v=3.9×10-6H2(ΔH/H)。
然而，现有技术中的磁屏蔽系统并不能满足上海天文台被动型氢原子频标的体积和重量限制这一要求，而且现有的磁屏蔽系统的热处理工艺也不能满足性能上的需求，同时氢原子频标对空间环境磁场强度要求较为苛刻，因此，有必要研究出一种能够解决这些问题的磁屏蔽系统，以及提高原子频标磁屏蔽性能的方法。
发明内容
本发明解决的技术问题就是提供一种磁屏蔽系统以及提高原子频标磁屏蔽性能的方法，解决现有技术中的磁屏蔽系统体积大、重量重的问题，同时保证良好的磁屏蔽性能，并且降低氢原子频标对空间环境磁场要求的苛刻程度。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
本发明提供一种磁屏蔽系统，包括：原子储存泡；容置所述原子储存泡的由微波腔上盖、微波腔筒和微波腔下盖首尾相连围成的微波腔；围绕所述微波腔的外壁设置的工作磁场线圈；该磁屏蔽系统还包括：由内向外以嵌套式结构彼此间隔开设置的经过真空高温热处理的第一磁屏蔽层、第二磁屏蔽层和第三磁屏蔽层；其中，所述第一磁屏蔽层位于所述工作磁场线圈和所述第二磁屏蔽层之间。
该磁屏蔽系统还包括设置在所述第二磁屏蔽层和第三磁屏蔽层之间的真空钟罩，以及设置在所述钟罩的底板下方的真空泵，所述微波腔通过连接支撑件固定在所述真空钟罩的钟罩的底板上。
所述第一磁屏蔽层的圆柱形侧面的壁厚为1mm，所述第二磁屏蔽层和第三磁屏蔽层的圆柱形侧面的壁厚分别为0.6mm。
各所述磁屏蔽层的顶部与底部端面分别呈平面或凸锥面。
各所述磁屏蔽层的顶部与底部端面的壁厚分别各加厚一倍。
本发明还提供一种提高原子频标磁屏蔽性能的方法，包括：提供原子储存泡；将所述原子储存泡容置于微波腔中，该微波腔包括微波腔上盖、微波腔筒和微波腔下盖；围绕所述微波腔的外壁设置工作磁场线圈；该方法进一步包括：由内向外以嵌套式结构彼此间隔开地设置经过真空高温热处理的第一磁屏蔽层、第二磁屏蔽层和第三磁屏蔽层；其中，所述第一磁屏蔽层位于所述工作磁场线圈和所述第二磁屏蔽层之间。
所述真空高温热处理是在保持真空环境的高温炉内对所述第一磁屏蔽层、第二磁屏蔽层和第三磁屏蔽层进行高温热处理。
所述高温炉内的真空度始终满足P≤10-3Pa。
所述真空高温热处理包括将所述第一磁屏蔽层、第二磁屏蔽层和第三磁屏蔽层加热到高温峰值1200℃。
所述真空高温热处理还包括在到达所述高温峰值时进行保温操作，保温时间t≥8小时。
所述真空高温热处理还包括采用耐高温陶瓷片将所述第一磁屏蔽层、第二磁屏蔽层和第三磁屏蔽层隔离。
所述原子频标是氢原子频标。
本发明所带来的有益效果在于：将磁屏蔽层相对现有技术减少一层，实现了体积和重量的减小，同时在该磁屏蔽系统的加工处理时，采用真空高温热处理，使得在满足上海天文台被动型氢原子频标的体积与重量的限制性要求的同时，磁屏蔽性能达标；
其次，本发明所提供的系统和方法使得外界空间环境磁场在一定大小的范围内变化时氢原子频标都能有较好的工作性能，即提高了对环境磁场的适应性，同时降低了氢原子频标对空间环境磁场要求的苛刻程度。不仅适用于氢原子频标，同样还适用于其它原子频标。
附图说明
参考随后的作为本发明的典型实施例示出的附图，该说明将更容易理解，但不应理解为对本发明范围的限制。
图1A和图1B示出了现有技术的磁屏蔽系统的结构示意图；
图2示出了本发明的原子频标结构示意图；
图3示出了本发明磁屏蔽系统的结构示意图；
图4示出了本发明磁屏蔽系统热处理时的状态示意图。
其中，主要附图标记的含义：
1、微波腔上盖  2、工作磁场线圈  3、原子储存泡  4、微波腔筒  5、微波腔下盖  6、第三磁屏蔽层  7、第二磁屏蔽层  8、第一磁屏蔽层  9、真空钟罩  10、连接支撑件  11、钟罩底板  12、真空泵  13、陶瓷片
具体实施方式
为使进一步深入了解本发明的技术手段与特征，谨配合附图再予举例进一步具体说明于后：
如图2所示，示出了根据本发明一个优选实施例的用于原子频标的磁屏蔽系统，该系统包括由内向外依次设置的：原子储存泡3；容置所述原子储存泡3的微波腔，该微波腔由微波腔上盖1、微波腔筒4和微波腔下盖5首尾相连围成；围绕所述微波腔的外壁设置的工作磁场线圈2；第一磁屏蔽层8；第二磁屏蔽层7；真空钟罩9；第三磁屏蔽层6。其中，所述第一磁屏蔽层8和第二磁屏蔽层7相邻设置，微波腔通过连接支撑件10固定在所述真空钟罩9的钟罩底板11上。该系统还包括位于钟罩底板11下方的真空泵12。
根据本发明的一个优选实施例，第一磁屏蔽层8的壁厚为1mm，所述第二磁屏蔽层7和第三磁屏蔽层6的壁厚为0.6mm，由于加工工艺的偏差，各层的壁厚要求在±0.1mm之内。
根据本发明的一个优选实施例，所述磁屏蔽层的顶部和底部端面和现有技术一样，也可以是选自平面和凸锥面中的一种。
由于原子钟磁场屏蔽系统主要是屏蔽轴线方向的磁场，因此只要加厚磁屏蔽各层的顶部与底部的厚度就可带来相应的效果。根据本发明的一个优选实施例，所述各层的磁屏蔽层的顶部与底部的壁厚各加厚一倍，即外两层的磁屏蔽层的顶部与底部的壁厚加厚至1.2mm，最内层的磁屏蔽层的顶部与底部的壁厚加厚至2mm。
根据本发明的一个优选实施例，所述磁屏蔽层的材料采用坡莫合金。
本发明还提供一种提高原子频标磁屏蔽性能的方法，该方法包括：提供原子储存泡；将所述原子储存泡容置于微波腔中，该微波腔包括微波腔上盖、微波腔筒和微波腔下盖；围绕所述微波腔的外壁设置工作磁场线圈；该方法进一步包括：由内向外以嵌套式结构彼此间隔开地设置经过真空高温热处理的第一磁屏蔽层、第二磁屏蔽层和第三磁屏蔽层；其中，所述第一磁屏蔽层位于所述工作磁场线圈和所述第二磁屏蔽层之间。
各层磁屏蔽层进行真空高温热处理，冷却取出后，在原子频标上集成，之后将微波腔作为导体并通过导线与外界电路连接，调控轴向退磁电流，产生频率为50Hz的幅值可变的交变磁场对各磁屏蔽层退磁，最终提高原子频标磁屏蔽系统的磁屏蔽系数。
在整个真空高温热处理的过程中，对高温炉内的真空度采取了严格的控制措施，始终满足P≤10-3Pa。而现有技术中该工艺的真空度并不需要严格控制，仅是保持炉内的氢气环境，目的是隔离氧，因此真空度只需满足≤1atm即可。
其次，根据本发明的一个优选实施例，热处理时的高温峰值由现有技术的1100~1150℃提高至1200℃。
在进行真空高温热处理时，在所述第一磁屏蔽层、第二磁屏蔽层和第三磁屏蔽层底部的叠套部分采用耐高温陶瓷片13将所述各层隔离，具体实施方法如图4所示。所述耐高温陶瓷片的材料为Al2O3，主要目的是将各屏蔽层相互隔开，防止高温中产生粘联。在整个高温处理过程中都采用了耐高温陶瓷片隔离。
根据本发明的一个优选实施例，在到达高温峰值1200℃时采用保温操作，保温时间t≥8小时，使整个磁屏蔽工件都处在理想的温度氛围内，并保证充分的作用时间。
该发明带来的效果最终在原子频标的整机工作性能上得以体现，由于原子频标作为时间频率标准设备，根据客户要求，应对外输出某一路或者多路相对稳定的特征频率。由原子频标原理可知，在工作的过程中，其对客户给出的频率输出稳定度是会受到环境磁场的影响的。通常可以用磁敏感系数δv/v来说明环境磁场的影响程度，δv/v——指的是因为外界环境磁场的变化而引起的原子频标的输出频率的相对变化。本发明提升了磁屏蔽的磁屏蔽性能即磁屏蔽系数G，从而改善了原子钟的磁敏感系数，减少环境磁场对原子钟的输出频率的影响。其原理是通过在高温热处理的过程中，严格控制氛围真空度，达到提升部件磁屏蔽的屏蔽性能的目的。如图3所示，分别测量出该磁屏蔽系统内部空间的磁场强度H内和该磁屏蔽系统外部空间附近的磁场强度H外。相应根据公式GN=H外/H内，可知因环境磁场相应变化引起的磁屏蔽系统内的磁场变化ΔH，原子钟的磁敏感系数δv/v=3.9×10-6H2(ΔH/H)，经实验证实，对于现在的3层屏蔽结构的原子钟，磁敏感系数现可以达到2×10-13/Gs。此时，原子频标的工作环境磁场需满足H外的幅值范围0～2Gs。
本发明所提供的磁屏蔽系统以及提高原子频标磁屏蔽性能的方法不仅适用于氢原子频标，还适用于其它原子频标的磁屏蔽系统。
本发明所提供的工艺方法使得被动型氢原子频标的磁屏蔽系统性能得到了很大提高。在其它条件不变的情况下，使得磁屏蔽系统的磁屏蔽系数提高了1倍，对于附图2中给出的结构，磁屏蔽系数达到100000。对于附图1A中给出的结构，磁屏蔽系数达到200000。本发明是基于要减小上海天文台原有的被动型氢原子频标的体积与重量这一特殊需求背景的，所以采用的结构比之前少一层磁屏蔽，即现发明中采用的结构。但是原来的工艺方法已不能满足性能上的需求，通过该发明使磁屏蔽性能达标。所以该发明的最初目标是为了解决怎样在满足性能的情形下对被动型氢原子频标减重。之后我们又将该工艺方法推广应用到原先采用的4层屏蔽结构上，使其磁屏蔽系数提高，因此比本发明中3层结构的系数高。且整机的磁敏感系数从原来的1~2×10-13/Gs提升至10-14/Gs，从而提高了氢原子频标的抗外界环境磁场干扰的能力，使得外界环境静磁场的约束条件可放宽至在0~2Gs的范围。该方法可适用于其它需要屏蔽外界环境磁场干扰的氢原子频标与时间频标。
目前，上海天文台一共在2台被动型氢原子频标上完成了应用实验，实验结果是2台被动型氢原子频标经测试，磁屏蔽系统的磁屏蔽系数均在100000以上，且在0~2Gs的外界环境磁场的条件下，各项测试指标均能满足相关技术要求。具体来说，在图2所示的氢原子频标中，通过磁屏蔽系统对外界环境的磁的屏蔽，使得微波腔区域内的磁场约10-10～10-9nT，即使外界环境磁场产生变化（0～2Gs以内）微波腔区域内的磁场变化也很小（≤2nT）。
本发明所带来的有益效果在于：将磁屏蔽层相对现有技术减少一层，实现了体积和重量的减小，同时在该磁屏蔽系统的加工处理时，采用真空高温热处理，使得在满足上海天文台被动型氢原子频标的体积与重量的限制性要求的同时，磁屏蔽性能达标；
其次，本发明所提供的系统和方法使得外界空间环境磁场在一定大小的范围内变化时氢原子频标都能有较好的工作性能，即提高了对环境磁场的适应性，同时降低了氢原子频标对空间环境磁场要求的苛刻程度。不仅适用于氢原子频标，同样还适用于其它原子频标。
以上虽然描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种磁屏蔽系统，包括：
原子储存泡；
容置所述原子储存泡的由微波腔上盖、微波腔筒和微波腔下盖首尾相连围成的微波腔；
围绕所述微波腔的外壁设置的工作磁场线圈；其特征在于，该磁屏蔽系统还包括：由内向外以嵌套式结构彼此间隔开设置的经过真空高温热处理的第一磁屏蔽层、第二磁屏蔽层和第三磁屏蔽层；其中，所述第一磁屏蔽层位于所述工作磁场线圈和所述第二磁屏蔽层之间。
2.如权利要求1所述的磁屏蔽系统，其特征在于，该磁屏蔽系统还包括设置在所述第二磁屏蔽层和第三磁屏蔽层之间的真空钟罩，以及设置在所述钟罩的底板下方的真空泵，所述微波腔通过连接支撑件固定在所述真空钟罩的钟罩的底板上。
3.如权利要求1所述的磁屏蔽系统，其特征在于，所述第一磁屏蔽层的圆柱形侧面的壁厚为1mm，所述第二磁屏蔽层和第三磁屏蔽层的圆柱形侧面的壁厚分别为0.6mm。
4.如权利要求1所述的磁屏蔽系统，其特征在于，各所述磁屏蔽层的顶部与底部端面分别呈平面或凸锥面。
5.如权利要求1所述的磁屏蔽系统，其特征在于，各所述磁屏蔽层的顶部与底部端面的壁厚分别各加厚一倍。
6.一种提高原子频标磁屏蔽性能的方法，包括：
提供原子储存泡；
将所述原子储存泡容置于微波腔中，该微波腔包括微波腔上盖、微波腔筒和微波腔下盖；
围绕所述微波腔的外壁设置工作磁场线圈；其特征在于，该方法进一步包括：
由内向外以嵌套式结构彼此间隔开地设置经过真空高温热处理的第一磁屏蔽层、第二磁屏蔽层和第三磁屏蔽层；
其中，所述第一磁屏蔽层位于所述工作磁场线圈和所述第二磁屏蔽层之间。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述真空高温热处理是在保持真空环境的高温炉内对所述第一磁屏蔽层、第二磁屏蔽层和第三磁屏蔽层进行高温热处理。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述高温炉内的真空度始终满足P≤10-3Pa。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述真空高温热处理包括将所述第一磁屏蔽层、第二磁屏蔽层和第三磁屏蔽层加热到高温峰值1200℃。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述真空高温热处理还包括在到达所述高温峰值时进行保温操作，保温时间t≥8小时。
11.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述真空高温热处理还包括采用耐高温陶瓷片将所述第一磁屏蔽层、第二磁屏蔽层和第三磁屏蔽层隔离。
12.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述原子频标是氢原子频标。
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