CN108287461A - 一种铯束管用钛离子泵阳极筒加固装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铯束管用钛离子泵阳极筒加固装置。使用本发明能够提高了阳极筒的抗冲击与振动的性能。本发明中，阳极铜材料选为钛，降低产品重量，然后采用一块矩形不锈钢薄膜，沿矩形薄膜的长度方向将阳极筒包裹起来，让支架与矩形不锈钢薄膜固定连接；通过用不锈钢薄膜包裹阳极筒的方法，将钛材与钢材之间的焊接转化为钢材与钢材之间的焊接，整体效果提高了阳极筒的抗冲击与振动的性能，并且可以采用廉价的点焊技术，既降低了材料成本又降低了人力成本。

Description

一种铯束管用钛离子泵阳极筒加固装置

技术领域

本发明涉及小型铯原子钟技术领域，包括磁选态铯原子钟、光抽运铯原子钟等铯原子钟，同时涉及真空技术领域，具体涉及一种铯束管用钛离子泵阳极筒加固装置。

背景技术

铯原子钟由铯束管和频标电路组成，其中铯束管提供原子的跃迁信号，是铯原子钟的核心部件，频标电路用于锁定并输出频率。铯束管工作时要求管内真空度优于5×10^{- 5}Pa，否则跃迁信号的信噪比会下降，从而影响铯钟输出频率的指标。为了保证铯束管的真空度，管内装有开放式结构的钛离子泵，离子泵依据潘宁放电的原理，在电场和磁场联合作用下，使电子在较长的一段时间内，局限在某一定空间内运动，形成持续放电，把内部材料释放的各种杂质气体抽走。

离子泵主要由阴极、阳极筒和磁钢等部分组成，如图1所示。其中阴极的材料是金属钛，阳极筒的材料一般为不锈钢，磁钢的材料可选用铝镍钴或钐钴等。铯束管中钛泵的阳极筒通过支架固定在底座上，如图2所示。支架和底座也采用不锈钢材料，三者之间通过焊接的方式连在一起。

从图2可以看出，阳极筒和支架一起相对于底座构成了悬臂粱结构，这种结构在强烈冲击和振动下，如作为星载钟在卫星发射时容易破坏，要么阳极筒从支架脱落，要么支架从底座脱落，导致钛泵无法正常工作。

一种解决该问题的方法是选用更轻的材料制作阳极筒，比如选择金属钛，它的密度约为不锈钢的二分之一。如果阳极筒采用这种材料，那么焊接处承受的力矩将减半，从而提高连接可靠性。尽管采用钛材可以改善悬臂梁的力学性能，但需要解决阳极筒和支架如何焊接的问题。因为不锈钢和钛属于两种不同的材料，它们之间的焊接融合性较差，如果将它们直接焊在一起，连接的可靠性不会提高。

为了解决这个问题，可将支架和底座的材料都换为钛材，采用氩弧焊、激光焊或电子束焊进行焊接，由于同一种材料能够相互融合，从理论上来说连接可靠性将大为提高。但该方法有下述问题，首先由于钛材的价格高于不锈钢，这种方法使材料成本上升。其次对于氩弧焊和激光焊，一定要注意外围气体的保护，否则在焊接时钛材将会氧化，所以最好采用电子束焊，但电子束焊工艺较为复杂，需要放在真空环境中焊接，从而成本进一步提高。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种铯束管用钛离子泵阳极筒加固装置，能够提高了阳极筒的抗冲击与振动的性能。

本发明的铯束管用钛离子泵阳极筒加固装置，所述阳极筒通过支架固定在底座上，其中，还包括矩形不锈钢薄膜，所述阳极筒材料为钛，所述支架材料为不锈钢，所述矩形不锈钢薄膜包裹在阳极筒的外圆周面上，所述支架与矩形不锈钢薄膜固定连接。

进一步的，所述矩形不锈钢薄膜的厚度为0.05～0.10mm。

进一步的，所述矩形不锈钢薄膜的宽为(1/3)h～(1/2)h，h为阳极筒的高；所述矩形不锈钢薄膜的长大于阳极筒圆截面的周长，所述矩形不锈钢薄膜沿其长度包裹阳极筒。

进一步的，所述矩形不锈钢薄膜位于阳极筒的中部。

进一步的，所述矩形不锈钢薄膜包裹阳极筒后，矩形不锈钢薄膜的两端采用电焊的方式固定，且焊点呈均匀分布。

进一步的，所述矩形不锈钢薄膜与支架采用电焊的方式固定，且焊点呈均匀分布。

进一步的，所述矩形不锈钢薄膜包裹阳极筒后，将矩形不锈钢薄膜点焊在阳极筒上。

有益效果：

由于铯束管离子泵的阳极筒和支架一起相对于底座构成了悬臂粱结构，这种结构在强烈冲击和振动下容易破坏，使得要么阳极筒有可能从支架脱落，要么支架有可能从底座脱落。为了解决该问题，本发明提出了一种成本低，但能改善阳极筒悬臂结构力学性能的方法。该方法采用了质量更小的材料，同时为了解决不同材料之间的焊接不牢靠问题，本发明通过用不锈钢薄膜包裹阳极筒的方法，将钛材与钢材之间的焊接转化为钢材与钢材之间的焊接，整体效果提高了阳极筒的抗冲击与振动的性能。

附图说明

图1为钛离子泵的组成与结构。包括两块磁钢、两张钛阴极板和一个阳极筒。

图2为阳极筒与底座的连接。包括阳极筒、支架与底座。

图3为阳极筒和不锈钢薄膜。图中从左至右分别为支架、阳极筒和不锈钢薄膜。

图4为裹紧薄膜的阳极筒。

图5为焊接了支架的阳极筒。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种铯束管用钛离子泵阳极筒加固装置，其中，阳极铜材料选为钛，采用一块矩形不锈钢薄膜，沿矩形薄膜的长度方向将阳极筒卷起来，其中，矩形不锈钢薄膜厚0.05～0.10mm，矩形不锈钢薄膜的宽在(1/3)h～(1/2) h之间，长大约为(5/4)S，其中，h为阳极筒的高，S为阳极筒圆截面的周长，即矩形不锈钢薄膜的宽不超过阳极筒的高的一半，但也不小于高的三分之一，长要大于阳极筒圆截面的周长；在卷的过程中要求不锈钢膜紧贴住阳极筒。由于矩形不锈钢薄膜的长度大于阳极筒的周长，所以膜的两头会发生交叠，采用点焊机将交叠部分焊在一起，这样不锈钢薄膜将阳极筒紧紧包裹起来了；然后，将不锈钢支架的焊接面紧贴在阳极筒外围的不锈钢膜上，用点焊机将两者焊接在一起。

本发明中，首先，阳极筒的材料选为钛材，保证了阳极筒跟支架形成的悬臂粱结构的质量不会过大，提高了悬臂梁的抗冲击与振动性能。并且，

其次，本发明采用矩形不锈钢薄膜包裹阳极筒，将钛材(阳极筒)与钢材 (支架)之间的焊接转化为钢材(矩形不锈钢薄膜)与钢材(支架)之间的焊接，两种同种属性的材料在焊接时相互之间融合较好，从而保证了连接的牢靠性。并且，对矩形不锈钢薄膜的厚度、宽度、长度均提出要求，要求其厚度不应小于0.05mm，否则焊接时容易焊透，失去连接性；并且，厚度也不应大于 0.1mm，否则阳极筒质量的减小效果会减弱，因为矩形不锈钢薄膜本身会带来一定的质量。同时，要求长度稍大于阳极筒的周长，从而卷绕时膜的两头可以搭接，对宽度提出要求以保证不锈钢薄膜与阳极筒的接触面积不应过小。由于不锈钢支架和不锈钢膜都属于薄壁材料，可以采用廉价的点焊技术，这样既降低了材料成本又降低了人力成本。

此外，矩形不锈钢薄膜尽可能卷绕在阳极筒的中间位置，同时为了使阳极筒不易从裹紧的不锈钢膜中脱出，应增大阳极筒和不锈钢膜之间的摩擦力，可以通过两种方式实现，一是要保证两者之间的接触面积，这已在对矩形不锈钢薄膜的长、宽的要求中实现了，二是在不锈钢膜裹的过程中尽可能拉紧。在不锈钢膜交叠部分点焊时，应在多个位置进行点焊，同时保证焊点呈均匀分布状态。

在进行阳极筒与支架焊接时，必须将支架焊接面紧贴在阳极筒的不锈钢膜上，然后通过点焊的方式将支架与不锈钢膜连接起来。为了连接牢靠，首先将焊接部位清洗干净，此外选择多个位置进行点焊，焊点尽可能均匀分布。

本发明将钛材与钢材之间的焊接转化为钢材与钢材之间的焊接，这种转化的实现保证了阳极筒连接的可靠性，且易于实现，解决了铯束管用溅射离子泵阳极筒跟支架两种不同材料部件之间连接不牢靠问题，同时整个过程只采用点焊技术，使离子泵的成本得到降低。

下面给一个具体的实例以说明：

在080401号铯束管上采用了这种加固技术的离子泵。阳极筒选用钛材加工，其尺寸为半径6mm，高9mm，壁厚0.7mm，圆截面周长约38mm，其质量相比于不锈钢由2g减为1g。不锈钢膜的厚度选为0.08mm，膜的宽约为(1/2)× 9＝4.5mm，膜的长取为(5/4)×37≈46mm(见图3)，膜的质量不到0.13g。为了保证点焊的效果，对整个膜的表面用无水酒精进行了擦拭与清洗。

将不锈钢膜尽可能卷绕在阳极筒的中间位置，卷绕时为了增加拉紧的效果，对已经裹紧或卷好的部分提前进行了点焊——点焊电流选为2.5A——使不锈钢膜点焊在阳极筒上。尽管现在是不同材料之间的点焊，但这种点焊的主要作用是使膜在不断拉紧时更容易操作而已。最后再将不锈钢膜的交叠部分点焊在一起，点焊电流选为3A。交叠部分的焊点为14个，基本上呈均匀分布状态(见图4)。

在焊接支架与阳极筒时，支架尽可能焊接在阳极筒的中间位置，并保证焊接在不锈钢膜上。点焊电流选为3.5A，焊点共8个，呈均匀分布状态(见图5)。

对采用该方法的离子泵在三个方向先后分别作了验收级的随机振动与冲击试验，试验完成后进行了仔细检查，没有发现阳极筒及支架有松脱迹象。在铯束管完成排气后，离子泵能够正常启动，工作电流正常。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种铯束管用钛离子泵阳极筒加固装置，所述阳极筒通过支架固定在底座上，其特征在于，包括矩形不锈钢薄膜，所述阳极筒材料为钛，所述支架材料为不锈钢，所述矩形不锈钢薄膜包裹在阳极筒的外圆周面上，所述支架与矩形不锈钢薄膜固定连接。

2.如权利要求1所述的铯束管用钛离子泵阳极筒加固装置，其特征在于，所述矩形不锈钢薄膜的厚度为0.05～0.10mm。

3.如权利要求1所述的铯束管用钛离子泵阳极筒加固装置，其特征在于，所述矩形不锈钢薄膜的宽为(1/3)h～(1/2)h，h为阳极筒的高；所述矩形不锈钢薄膜的长大于阳极筒圆截面的周长，所述矩形不锈钢薄膜沿其长度包裹阳极筒。

4.如权利要求1所述的铯束管用钛离子泵阳极筒加固装置，其特征在于，所述矩形不锈钢薄膜位于阳极筒的中部。

5.如权利要求1所述的铯束管用钛离子泵阳极筒加固装置，其特征在于，所述矩形不锈钢薄膜包裹阳极筒后，矩形不锈钢薄膜的两端采用电焊的方式固定，且焊点呈均匀分布。

6.如权利要求1所述的铯束管用钛离子泵阳极筒加固装置，其特征在于，所述矩形不锈钢薄膜与支架采用电焊的方式固定，且焊点呈均匀分布。

7.如权利要求1所述的铯束管用钛离子泵阳极筒加固装置，其特征在于，所述矩形不锈钢薄膜包裹阳极筒后，将矩形不锈钢薄膜点焊在阳极筒上。