CN115185169A - 一种用于空间氢原子钟上具有抗粉化能力的吸附泵 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于空间氢原子钟上具有抗粉化能力的吸附泵，包括吸附泵外壳、吸附泵底盘，还包括设置在吸附泵底盘上的多组吸气单元，吸气单元包括管状支架、垫片、吸气剂片、加热装置构成；管状支架由内圆到外圆排列成四层设置在吸附泵底盘上，管状支架上贯穿串联设置有吸气剂片形成吸气单元；吸气剂片之间设置有垫片隔开、吸气剂片组顶部通过固定螺母固定；管状支架内设置有加热丝。本发明改善吸气剂的表面强度，实现高吸气性能的同时，不出现吸气片掉粉现象；而且使用寿命长、无磁性、无需额外电源持续供电、对于氢气可在常温下进行吸气过程等特点，有效维持氢原子钟高真空系统，解决空间氢原子钟存在的问题。
Description
技术领域
本发明涉及电子真空领域，特别涉及一种用于空间氢原子钟上具有抗粉化能力的吸附泵。
背景技术
氢原子钟对卫星导航系统非常重要，它的高精密计时和时间频率标准，能为卫星导航系统提供有效的“时标/定位”支持，也被成为卫星的心脏，它在欧洲“伽利略”卫星、美国的“GPS”卫星、俄罗斯的“格洛纳斯”卫星及中国北斗卫星上均被的应用，是保障卫星高精度导航导的关键部件。
当氢原子完成能级跃迁后，不同能级的氢原子均需要被吸氢材料吸收剔除以维持氢原子钟的真空度和稳定性，但在目前的吸附泵中，其中吸气片存在其表面颗粒脱落现象，再加之过量的吸收氢气，会在吸气材料内部造成应力集中而形成小裂纹，并且这种小裂纹会随着吸氢的不断进行而不断扩展，最终碎裂成小颗粒，威胁氢原子钟的服役寿命。
发明内容
本发明的目的是提供不易碎裂及掉粉的一种用于空间氢原子钟上具有抗粉化能力的吸附泵。
本发明的目的是这样实现的：一种用于空间氢原子钟上具有抗粉化能力的吸附泵，包括吸附泵外壳、吸附泵底盘，还包括设置在吸附泵底盘上的多组吸气单元，所述吸气单元包括管状支架、垫片、吸气剂片、加热装置构成；所述管状支架由内圆到外圆排列成四层设置在吸附泵底盘上，所述管状支架上贯穿串联设置有吸气剂片形成吸气单元；所述吸气剂片之间设置有垫片隔开、所述吸气剂片组顶部通过固定螺母固定；所述管状支架内设置有加热丝；所述吸气剂片由具有Zr-Cu合金覆膜的Zr-V-Fe、Ti-Mo、V-Zr-Ti吸气片的一种或多种组成，所述吸气单元由11片具有Zr-Cu合金覆膜的Zr-V-Fe、Ti-Mo、V-Zr-Ti吸气片串联组成；所述Zr-Cu合金的成分为Zr100-XCuX，其中0.5≤X＜25(wt％)，覆膜的厚度为50-150微米。
优选的，所述吸附泵外壳、吸附泵底盘、垫片均采用厚度0.5-2mm钛铝合金加工而成。
优选的，所述吸附泵外壳形状为中空环形圆柱状，圆柱状外径尺寸为203mm，内径为90mm，高度为40mm圆环与外径尺寸为203mm，内径为40mm圆盘底盘焊接而成。
优选的，将所述吸气单元的多个管状支架装于吸附泵底盘，底盘上从内径到外径设置有9层吸气单元，第一层为25个吸气单元，第二层至第九层分别为30个吸气单元，合计有265个吸气单元。
优选的，所述管状支架为空心结构，内部的空心结构装有加热丝，所述加热丝的材质为Ni-Cr。
优选的，顶端所述吸气剂片由钛铝合金紧固螺母紧固，防止串联在钛铝合金管状支架上的吸气片晃动。
与现有技术相比，本发明的有益之处在于：在吸气片Zr-V-Fe、Ti-Mo、V-Zr-Ti的表面上涂覆梯度结构Zr-Cu合金覆膜，随后在真空烧结炉中将膜层烧结固定在吸气片Zr-V-Fe、Ti-Mo、V-Zr-Ti基体表面上，得到一种新的具有抗粉化能力的高强度Zr-V-Fe、Ti-Mo、V-Zr-Ti吸气片，见附图1。因为Zr-Cu合金覆膜膜层的孔隙小于Zr-V-Fe、Ti-Mo、V-Zr-Ti构成基体吸气片颗粒的粒径，从而实现阻断基体Zr-V-Fe、Ti-Mo、V-Zr-Ti吸气片颗粒从膜层孔隙脱落出来可能性。通过这种方法，改善吸气剂的表面强度，实现高吸气性能的同时，不出现吸气片掉粉现象。而且能够吸收氢原子钟服役环境中杂质气体如(低能态H、CO、O2、H2O、CO2等)，使用寿命长、无磁性、无需额外电源持续供电、对于氢气可在常温下进行吸气过程等特点，有效维持氢原子钟高真空系统，解决空间氢原子钟存在的问题。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为本发明吸气单元的结构示意图。
图3为本发明具有Zr-Cu合金覆膜的吸气剂片的结构示意图。
图4为本发明Cu含量分别为5％、10％、15％涂覆在吸气剂片上且真空烧结后表面微观形貌图。
图5为本发明吸气单元分布视图。
其中，1管状支架，2吸气剂片，3垫片，4加热装置，5固定螺母，6吸附泵外壳，7吸附泵底盘。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1-5所示，一种用于空间氢原子钟上具有抗粉化能力的吸附泵，使用的吸气剂为表面上具有Zr-Cu覆膜的Zr-V-Fe、Ti-Mo、V-Zr-Ti吸气剂片一种或多种组合，其中覆膜合金成分为Zr100-XCuX，其中0.5≦X＜25(wt％)，覆膜的厚度为50-150微米；取11个吸气剂片1(Zr-V-Fe、Ti-Mo、V-Zr-Ti)，将其装载于管状支架上，用垫片将11个吸气剂片相互隔开，串在一起，形成吸气单元；每个单元是由Zr-V-Fe、Ti-Mo、V-Zr-Ti吸气剂片中的一种或者两种或者三种吸气剂片混合装配，其吸气单元结构如图2；吸附泵如图1,由吸附泵外壳、吸附泵底盘、吸气剂片(Zr-V-Fe、Ti-Mo、V-Zr-Ti吸气剂片中的一种或者两种或者三种吸气剂片混合装配)、垫片、钛铝合金固定螺母、Ni-Cr加热丝、管状支架组成；其管状支架的内径为3.5mm，高度为40mm的钛铝合金管，内部可以放Ni-Cr电阻丝，用于吸气单元激活。
实施实例1
将Zr粉末与Cu粉末混合，混合时，Zr粉末的质量比为95％，Cu粉末的质量比为5％；将Zr、Cu粉末与乙醚混合，球磨12小时，制备Zr-Cu合金粉末浆料，涂覆在Zr-V-Fe吸气片上，见图3。然后对涂覆Zr95Cu5合金粉末浆料的Zr-V-Fe吸气片进行真空烧结，烧结工艺为900℃真空保温60min，制备成具有Zr94Cu6合金覆膜的Zr-V-Fe吸气片，真空烧结后的涂覆膜层表面颗粒之间均产生了烧结颈，见图4(a)圆圈标注，这样可以保障吸气样品具有高的力学性能和抗粉化能力，膜层表面未发现颗粒的存在。而且膜层表面有足够的孔隙率，这些孔隙结构可以保障样品具有高吸气性能。将这些吸气片装配于图2中，形成吸气单元，将吸气单元装于吸附泵块体中，制备成吸附泵如图1。
实施实例2
将Zr粉末与Cu粉末混合，混合时，Zr粉末的质量比为90％，Cu粉末的质量比为10％；将Zr、Cu粉末与乙醚混合，球磨12小时，制备Zr-Cu合金粉末浆料，涂覆在Zr-V-Fe吸气片上；然后对涂覆Zr95Cu5合金粉末浆料的Zr-V-Fe吸气片进行真空烧结，烧结工艺为900℃真空保温60min，制备成具有Zr90Cu10合金覆膜的Zr-V-Fe吸气片，真空烧结后的涂覆膜层表面颗粒之间亦产生了烧结颈，而且烧结颈的尺寸大于Zr94Cu6合金覆膜层的烧结颈，见图4(b)，膜层表面未发现颗粒的存在。而且膜层表面的孔隙率比Zr94Cu6合金覆膜的孔隙率小，说明其吸气性能不如图4(a)的吸气性能，但其吸气样品的力学性能优于图4(a)，同样，4(b)样品的烧结结构可以保障吸气样品具有高的力学性能和抗粉化能力。将这些吸气片装配于图2中，形成吸气单元，将吸气单元装于吸附泵块体中，制备成吸附泵如图1。
实施实例3
将Zr粉末与Cu粉末混合，混合时，Zr粉末的质量比为85％，Cu粉末的质量比为15％。将Zr、Cu粉末与乙醚混合，球磨12小时，制备Zr-Cu合金粉末浆料，涂覆在Zr-V-Fe吸气片上。然后对涂覆Zr85Cu15合金粉末浆料的Zr-V-Fe吸气片进行真空烧结，烧结工艺为900℃真空保温60min，制备成具有Zr85Cu15合金覆膜的Zr-V-Fe吸气片，真空烧结后的涂覆膜层表面颗粒之间亦产生了烧结颈，而且烧结颈的尺寸大于Zr94Cu6和Zr90Cu10合金覆膜层的烧结颈，见图4(c)，膜层表面未发现颗粒的存在。而且膜层表面的孔隙率比Zr94Cu6合金覆膜的孔隙率小，说明其吸气性能不如图4(a)和图4(b)的吸气性能，但其吸气样品的力学性能优于图4(a)和图4(b)，同样，图4(c)样品的烧结结构可以保障吸气样品具有高的力学性能和抗粉化能力。将这些吸气片装配于图2中，形成吸气单元，将吸气单元装于吸附泵块体中，制备成吸附泵如图1。
上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。
Claims (8)
1.一种用于空间氢原子钟上具有抗粉化能力的吸附泵，包括吸附泵外壳、吸附泵底盘，还包括设置在吸附泵底盘上的多组吸气单元，其特征在于：所述吸气单元包括管状支架、垫片、吸气剂片、加热装置构成；所述管状支架由内圆到外圆排列成四层设置在吸附泵底盘上，所述管状支架上贯穿串联设置有吸气剂片形成吸气单元；所述吸气剂片之间设置有垫片隔开、所述吸气剂片组顶部通过固定螺母固定；所述管状支架内设置有加热丝；所述吸气剂片由具有Zr-Cu合金覆膜的Zr-V-Fe、Ti-Mo、V-Zr-Ti吸气片的一种或多种组成，所述吸气单元由11片具有Zr-Cu合金覆膜的Zr-V-Fe、Ti-Mo、V-Zr-Ti吸气片串联组成；所述Zr-Cu合金的成分为Zr100-XCuX，其中0.5≤X＜25(wt％)，覆膜的厚度为50-150微米。
2.根据权利要求1所述的一种用于空间氢原子钟上具有抗粉化能力的吸附泵，其特征在于：所述吸附泵外壳、吸附泵底盘、垫片均采用厚度0.5-2mm钛铝合金加工而成。
3.根据权利要求1所述的一种用于空间氢原子钟上具有抗粉化能力的吸附泵，其特征在于：所述吸附泵外壳形状为中空环形圆柱状，圆柱状外径尺寸为203mm，内径为90mm，高度为40mm圆环与外径尺寸为203mm，内径为40mm圆盘底盘焊接而成。
4.根据权利要求1所述的一种用于空间氢原子钟上具有抗粉化能力的吸附泵，其特征在于：将所述吸气单元的多个管状支架装于吸附泵底盘，底盘上从内径到外径设置有9层吸气单元，第一层为25个吸气单元，第二层至第九层分别为30个吸气单元，合计有265个吸气单元。
5.根据权利要求1所述的一种用于空间氢原子钟上具有抗粉化能力的吸附泵，其特征在于：所述管状支架为空心结构，内部的空心结构装有加热丝，所述加热丝的材质为Ni-Cr。
6.根据权利要求1所述的一种用于空间氢原子钟上具有抗粉化能力的吸附泵，其特征在于：顶端所述吸气剂片由钛铝合金紧固螺母紧固，防止串联在钛铝合金管状支架上的吸气片晃动。
7.根据权利要求1所述的一种用于空间氢原子钟上具有抗粉化能力的吸附泵，其特征在于：所述Zr-Cu合金覆膜步骤如下：
将Zr粉末与Cu粉末混合，混合时，Zr粉末的质量比为75＜X≤99.5，Cu粉末的质量比为0.5≤X＜25；
将Zr、Cu粉末与乙醚混合，球磨12小时，制备Zr-Cu合金粉末浆料，涂覆在Zr-V-Fe吸气片上；
然后对涂覆Zr100-XCuX合金粉末浆料的吸气剂片进行真空烧结，烧结工艺为900℃真空保温60min，制备成具有Zr100-XCuX合金覆膜的吸气剂片。
8.根据权利要求7所述的一种用于空间氢原子钟上具有抗粉化能力的吸附泵，其特征在于：所述吸气剂片在Zr-Cu合金覆膜真空烧结后的涂覆膜层表面颗粒之间形成有烧结颈。
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