CN114173464B - 一种制备氢原子频标的氢等离子体的系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种制备氢原子频标的氢等离子体的系统，包括氢源控制装置、与所述氢源控制装置连接的等离子体作用装置以及与所述等离子体作用装置连接的真空维持装置，其中，所述等离子体作用装置包括电离泡、不接地的法拉第环和射频线圈，所述法拉第环紧贴于所述电离泡的外壁，所述电离泡的一部分和所述法拉第环的一部分容置在所述射频线圈内部，且所述射频线圈与一振荡电路连接。本发明能够高效快速地制备出氢等离子体，且整个工作过程稳定可靠。并且，本发明能够节省能源、简化装置。
Description
技术领域
本发明涉及氢原子频标领域，更具体地涉及一种制备氢原子频标的氢等离子体的系统。
背景技术
近年来，我国致力于发展北斗三号卫星导航系统且已全面建成并投入使用，作为北斗系统的“心脏”，原子频标决定了导航系统的定位、测速和授时精度。北斗三号卫星采用了更高性能的铷原子频标和氢原子频标，其中氢原子钟作为主钟服务于北斗系统。电离源是氢原子频标的关键部件，通过制造氢等离子体实现制备氢原子频标工作所必须的氢原子，同时也是氢原子频标故障分析中的重点研究对象。氢原子频标的故障模式分为：电离源停止工作和氢原子产生率降低。对于地面氢原子频标，电离源故障可调试维修；对于星载应用，电离源利用通讯信号远程控制点亮，必须确保氢等离子体的工作可靠性。
等离子体是指由离子、电子、原子和分子组成的近似电中性的离子化气体状物质，氢原子频标的氢等离子体是指氢气电离后形成的等离子体，电离源点亮是指气体在电离源的电离泡容器内被击穿放电，伴随着产生原子、分子发光以及光强增加的瞬间。制备等离子体时，需要控制电磁场的功率、负载气体的流量等参数。其中，电磁场可以通过通电电感线圈或者平行电容极片产生。电磁场的功率通过调节线圈电流大小、距离或者电容充放电的电荷量、电容极片的距离等参数控制。氢气作为负载气体，其流量控制需满足电离泡容器内的真空度在0.05-0.8mmHg范围内。
电离源在电感耦合的工作方式下，一方面点亮时必须使激励线圈满足一定的功率，即激励线圈通电的电流必须足够大，使得氢气在电磁场的作用下瞬间大量电离形成氢等离子体，从而为氢原子频标的物理系统源源不断地提供基态氢原子。另一方面，点亮后维持氢等离子体的线圈功率较小，并不需要与其点亮相同的功率。
射频耦合感性等离子体(Inductively Coupled Plasma，ICP)存在两种放电方式：容性放电模式(E模式)和感性放电模式(H模式)。当调节外界放电参数(如：线圈电流、输入功率、匹配网络中串联电容、放电频率及气压等)时，等离子体放电模式会发生转换，等离子体参数(如等离子体密度、电子温度等)以及放电回路电学参数(如线圈电流、电压以及等效回路阻抗等)会发生突变。因此，研究ICP源的模式转换，对控制和优化电离泡内氢等离子体瞬间产生即电离泡的点亮工艺具有重要意义。具体来说，当射频输入功率较低时，放电主要由容性耦合产生的静电场来维持，为E放电模式，当功率超过一定值时，放电主要由线圈电流产生的感应电场来维持，为H放电模式。当射频功率(线圈电流)从小变大的过程中，气体首先是E模式放电，这时候电子密度较低，并且等离子体光谱强度较弱。当射频功率(线圈电流)达到某一特定值，放电转为H模式，感性功率沉积占主导，电子密度比较高，等离子体光谱强度较强，光强从暗突变至亮的状态即是E模到H模的转变。
由于线圈高度的不同会导致其产生的射频电磁场的不同，从而影响氢气与电磁场的耦合体积，进一步影响氢气分子及其内部电子的运动，影响等离子体的制备。因而电离源在电离泡点亮过程中需手动调节线圈高度，操作难度较高且效率较低。并且，在电离泡点亮过程中，线圈需要很大的输入功率才能使光强从暗变亮。同时，在模式转换发生时，还会产生不稳定性的现象。
发明内容
为解决上述现有技术中的问题，本发明提供一种制备氢原子频标的氢等离子体的系统，能够快速高效地制备出氢等离子体，且无需很大的射频线圈输入功率，也较为稳定。
本发明提供的一种制备氢原子频标的氢等离子体的系统，包括氢源控制装置、与所述氢源控制装置连接的等离子体作用装置以及与所述等离子体作用装置连接的真空维持装置，其中，所述等离子体作用装置包括电离泡、不接地的法拉第环和射频线圈，所述法拉第环紧贴于所述电离泡的外壁，所述电离泡的一部分和所述法拉第环的一部分容置在所述射频线圈内部，且所述射频线圈与一振荡电路连接。
进一步地，所述氢源控制装置包括氢气瓶，所述氢气瓶与一镍提纯器相连，所述镍提纯器与一直流电源相连。
进一步地，所述镍提纯器与所述电离泡相连。
进一步地，所述真空维持装置包括吸附泵以及与所述吸附泵固定连接的离子泵，所述吸附泵与所述电离泡密封连接。
进一步地，所述吸附泵的内部设有吸气剂。
进一步地，所述氢气瓶为采用镧镍合金储氢技术的氢气瓶。
进一步地，所述法拉第环由网状或片状金属卷为金属圆柱形成。
进一步地，所述法拉第环由网状或片状的金属薄膜固定在一非金属圆柱支架上形成。
进一步地，所述射频线圈采用铜制导线绕制而成。
进一步地，所述铜制导线的表面镀金。
本发明在电离泡外壁上设置法拉第环，来屏蔽射频线圈产生的等离子体中的部分电场，使电离泡在低功率、低氢气量的条件下便可点亮即快速进入所需的H放电模式中，从而高效快速地制备出氢等离子体。同时，点亮后的氢等离子体光谱参数与高电离源功率、高镍管功率条件下获取的氢等离子体光谱参数基本相同，而且维持氢等离子体的功率一般低于点亮其所需功率，因此不需要先高功率激发等离子体再降低功率，整个工作过程稳定可靠。可见，本发明解决了电离源射频线圈输入功率无法一次性实现点亮和维持的问题。并且，法拉第环具有安装不需外界供能、无功率消耗且对其它参数无影响的优点，能够大大节省能源、简化装置。
附图说明
图1是按照本发明的一种制备氢原子频标的氢等离子体的系统的结构。
图2(a)是射频线圈上未设置法拉第环产生的电场示意图，图2(b)是射频线圈上设置法拉第环产生的电场示意图。
图3是构建的观测平台的结构示意图。
图4是实验中氢等离子体的光谱对比图4。
具体实施方式
下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。
如图1所示，本发明提供的制备氢原子频标的氢等离子体的系统，包括氢源控制装置1、与氢源控制装置1连接的等离子体作用装置2以及与等离子体作用装置2连接的真空维持装置3。
其中，氢源控制装置1包括彼此连接的氢气瓶11和镍提纯器12。氢气瓶11用于产生氢气，与镍提纯器12的进氢接口相连；镍提纯器12用于提纯氢气并控制氢气流量，通过导线与直流电源13相连，同时，镍提纯器12的出氢接口与等离子体作用装置2相连。直流电源13通过给镍提纯器12内部的镍管输入一定功率来对镍提纯器12进行加热，加热后的氢气分子扩散速率变大，并在镍管表面解离为氢原子，渗透变大的镍原子间隙，达到提纯的效果。通过镍提纯器12，不稳定的氢原子会迅速复合为氢气进入等离子体作用装置2。通过调节直流电源13输出的电流大小可以控制氢气流量：在不损坏镍管的电流阈值下，电流越大，功率越高，镍温度越高，氢气流量越大。在本实施例中，氢气瓶11为采用镧镍合金储氢技术的氢气瓶，并通过采用不锈钢材质的结构件连接至镍提纯器12。
等离子体作用装置2包括电离泡21、法拉第环22和射频线圈23，其中，法拉第环22无缝隙地紧贴于电离泡21的外壁上，且不能接地。电离泡21和紧贴其外壁的法拉第环22作为一个整体，一部分容置在射频线圈23内部。射频线圈23用于产生电场，与一振荡电路(图未示)连接。并且，电离泡21的进氢接口与上述镍提纯器12的出氢接口相连，使得提纯后的氢气进入电离泡21，当氢气量达到一定值时，电离泡21能被瞬间点亮。需要说明的是，在其他实施例中，法拉第环22可以使用真空胶固定在电离泡21的外壁上，射频线圈23位于电离泡21的正上方2～5cm处。
由于射频线圈23产生的电场包括静电场和感应电场，使得电离泡21会同时存在ICP(电感耦合等离子体)模式和CCP(电容耦合等离子体)模式，因而为提高ICP源进入H放电模式的效率，本发明在电离泡21的外壁上设置法拉第环22。法拉第环22依照法拉第笼的原理制成。法拉第笼是防止电磁场进入或逃脱的金属外壳，其表面上带有的电荷在相互作用下重新排布，仅存在于导体的表面。法拉第笼也为等势体，其内部完全不受外部电场的影响。由于法拉第环22不接地，因而其会形成与电离泡21内大小相同、方向相反的电场，从而屏蔽射频线圈23产生的部分电场(主要为静电场)，进而屏蔽CCP模式。射频线圈23上未设置法拉第环22产生的电场与射频线圈23上设置法拉第环22产生的电场的对比如图2(a)和图2(b)所示。屏蔽后，氢气分子在感应电场的作用下相互碰撞，ICP源快速进入H放电模式，大量电离形成氢等离子体。如此，电离泡21在低功率、低氢气量(即低镍管功率下)便可点亮。
在本实施例中，法拉第环22由网状或片状金属直接卷为金属圆柱形成，或由网状或片状的金属薄膜固定在非金属圆柱支架上形成，法拉第环22的直径为31mm、高为31mm、厚度为0.1mm～0.3mm，且表面平滑。射频线圈23采用1.6mm直径的铜制导线绕制成内直径为4mm、相邻间隔为2.5mm的共6圈的平面线圈，为防止高温氧化，在铜制导线的表面镀金。
真空维持装置3包括吸附泵31以及与吸附泵31固定连接的小离子泵32，吸附泵31与电离泡21密封连接，且吸附泵31的内部设有一定数量的吸气剂33。吸附泵31和小离子泵32共同作用，复合维持电离泡21内的真空度。需要说明的是，在真空维持装置3开始工作前，吸气剂33需采用特殊工艺进行高温激活。在本实施例中，小离子泵32为抽速2L/s的小型离子泵。
为进一步说明本发明的技术效果，构建了如图3所示的观测平台，对采用现有装置获得的氢等离子体光谱和采用本发明获得的氢等离子体光谱进行比较。
实验条件为：激活吸气剂33建立本底真空，镍提纯器12供电加热电流为2.5A，电离源输入电压为24V。在此条件下，不加法拉第环22且电离泡21未点亮时，氢等离子体中红色光谱(656.82nm)强度为7772，紫色光谱(433.90nm)强度为38.1，蓝色光谱(486.14nm)强度为661.3；不加法拉第环22而调整射频线圈23角度使电离泡21点亮时，氢等离子体中红色光谱(656.82nm)强度为56942，紫色光谱(433.90nm)强度为381.3，蓝色光谱(486.14nm)强度为5467.3；加法拉第环22且电离泡21点亮时，氢等离子体中红色光谱(656.82nm)强度为61234，紫色光谱(433.90nm)强度为397.1，蓝色光谱(486.14nm)强度为5779.9。从实验数据可见，加法拉第环之后的电离泡光谱与不加法拉第环调整线圈角度点亮后的电离泡光谱基本相同，光谱强度相较于未点亮提高了10倍左右，如图4所示。
本发明在电离泡外壁上设置法拉第环，来屏蔽射频线圈产生的等离子体中的部分电场，使电离泡在低功率、低氢气量的条件下便可点亮即快速进入所需的H放电模式中，从而高效快速地制备出氢等离子体。同时，点亮后的氢等离子体光谱参数与高电离源功率、高镍管功率条件下获取的氢等离子体光谱参数基本相同，而且维持氢等离子体的功率一般低于点亮其所需功率，因此不需要先高功率激发等离子体再降低功率，整个工作过程稳定可靠。可见，本发明解决了电离源射频线圈输入功率无法一次性实现点亮和维持的问题。并且，法拉第环具有安装不需外界供能、无功率消耗且对其它参数无影响的优点，能够大大节省能源、简化装置。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。
Claims (9)
1.一种制备氢原子频标的氢等离子体的系统，其特征在于，包括氢源控制装置、与所述氢源控制装置连接的等离子体作用装置以及与所述等离子体作用装置连接的真空维持装置，其中，所述等离子体作用装置包括电离泡、不接地的法拉第环和射频线圈，所述法拉第环紧贴于所述电离泡的外壁，所述法拉第环由网状或片状金属卷为金属圆柱形成，所述射频线圈位于电离泡的正上方2~5cm处，且所述射频线圈与一振荡电路连接；所述射频线圈产生的电场包括静电场和感应电场，使得电离泡同时存在电感耦合等离子体模式和电容耦合等离子体模式的等离子体，所述法拉第环不接地，因而其会形成与电离泡内大小相同、方向相反的电场，从而屏蔽射频线圈产生的部分电场，进而屏蔽电容耦合等离子体模式的等离子体；氢气分子在感应电场的作用下相互碰撞，使得电感耦合等离子体快速进入感性放电模式，大量电离形成等离子体，使得电离泡在低功率、低氢气量下点亮。
2.根据权利要求1所述的制备氢原子频标的氢等离子体的系统，其特征在于，所述氢源控制装置包括氢气瓶，所述氢气瓶与一镍提纯器相连，所述镍提纯器与一直流电源相连。
3.根据权利要求2所述的制备氢原子频标的氢等离子体的系统，其特征在于，所述镍提纯器与所述电离泡相连。
4.根据权利要求1所述的制备氢原子频标的氢等离子体的系统，其特征在于，所述真空维持装置包括吸附泵以及与所述吸附泵固定连接的离子泵，所述吸附泵与所述电离泡密封连接。
5.根据权利要求4所述的制备氢原子频标的氢等离子体的系统，其特征在于，所述吸附泵的内部设有吸气剂。
6.根据权利要求2所述的制备氢原子频标的氢等离子体的系统，其特征在于，所述氢气瓶为采用镧镍合金储氢技术的氢气瓶。
7.根据权利要求1所述的制备氢原子频标的氢等离子体的系统，其特征在于，所述法拉第环由网状或片状的金属薄膜固定在一非金属圆柱支架上形成。
8.根据权利要求1所述的制备氢原子频标的氢等离子体的系统，其特征在于，所述射频线圈采用铜制导线绕制而成。
9.根据权利要求8所述的制备氢原子频标的氢等离子体的系统，其特征在于，所述铜制导线的表面镀金。
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| 主动型氢原子钟的研究进展;何克亮;张为群;林传富;;天文学进展(第03期);全文 * |
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