一种具有加热吸附泵的氢原子频标制造技术

本发明专利技术提供一种具有加热吸附泵的氢原子频标，包括彼此连通的吸附泵和氢原子钟主体，以及环绕所述吸附泵的外壁设置的高频加热线圈；所述吸附泵内设置有吸附剂，所述吸附剂的材质为金属；所述高频加热线圈与一交流电源连接，以在高频加热线圈上注入感应电流，实现电磁感应加热。本发明专利技术的氢原子频标的高频感应加热吸附泵采用了高频感应加热方式，内外部效率是接近的，所以加热梯度小，加热效率高，对加热温度的需求大幅度的降低，降低了对氢钟主体的散热需求，客观上降低了吸附剂需要的激活温度，增加了整体激活效率。增加了整体激活效率。增加了整体激活效率。

【技术实现步骤摘要】
一种具有加热吸附泵的氢原子频标


[0001]本专利技术属于氢原子钟领域，具体涉及一种具有加热吸附泵的氢原子频标。

技术介绍

[0002]频标是指能给出较高准确度的单一频率基准的一类装置。在氢原子钟领域，使用吸附剂配合其他真空泵如分子泵、钛泵实现超高真空是目前工业领域常用的技术手段。具体来说，可采用钛或者锆单金属作为吸附剂也可以采用合金(通常由吸氢能力强的A元素和吸氢能力弱或者基本不吸氢的B元素组成，考虑其他物理因素亦可添加C甚至D元素)作为吸附剂；通常这些吸附剂会做成和泵形状匹配的几何形状(也可以镀膜)放置在泵体内部，然后在真空环境下对吸附剂进行加热使其表面氧化膜溶解，吸附剂裸露新鲜外表后获得活性具有吸附气体能力；不同的吸附剂需加热的温度不同，根据合金成分、氧化层厚度200
‑
725℃不等。
[0003]氢钟吸附泵是氢钟维持内真空的重要组成部件，吸附泵维持真空的功能主要是由纯钛或者合金的吸附剂吸附氢气来实现的。
[0004]目前氢原子频标的吸附泵主要采用两类方式：一类是主体泵，另一类是分体泵。主体泵就是吸附泵本身作为氢钟的主体结构，一方面起着力学支撑作用，另一方面是吸附气体作用；分体泵是独立于氢钟主体结构，通过法兰结构连接只负责吸附气体作用。目前两类方式都是通过电热丝加热传导对泵体内填充的吸附剂进行加热激活。
[0005]目前氢钟上使用的吸附泵主要是作为氢钟主体结构，承担支撑连接氢钟其他物理部分并作为吸气的使用，对于吸附剂的激活采用内外加热方式。
[0006]内部加热方式主要将加热钨丝、绝缘部件和热屏蔽部件放入真空室内，把加热丝埋在吸附剂中间，然后引出加热电极通过加热丝升温达到激活温度实现激活过程；该方式的优点是内部加热隔热屏蔽对外壳能起较好的隔热防氧化作用。然而，电热丝加热传导方式如果放置在泵体内部(泵结构使得电热丝截面积受限)，其加热速率受限于加热丝的功耗和热应力，这两个因素前者影响的是电热丝氧化速率，后者影响的是泵结构带来的热应力对加热丝的剪切力，整体加热至激活温度垫消耗时间长(大于24小时)，这对供电和散热设施都提出了额外的要求。此外还存在机械加工带来的应力使得这类内部加热方式加热速率低且电热丝容易断裂失效，提高了成本降低了整体的力学可靠性。
[0007]外部加热方式通过加热丝或者加热棒的方式通过外壳传热方式对吸附剂进行加热，理论上外部加热功率可以远超需要的加热功率，但实际上，如果电热丝放置在泵体外部，那么必须经过泵体外壳向内部传导；泵体内部真空越好传导速率越低，所以外壳需承受较高的温度才能完成内部热传导；氢钟泵体外壳是钛材料，如果外加热过程中加热丝传热温度过高且不对外壳进行氧化保护那么话，外壳就会氧化，氧化后泵的整体力学性能就会大幅度的下降。此外如果是外接法兰吸附泵，法兰连接处是不能承受超过250℃的高温，毕竟法兰散热面有限。因此，受到加热器与泵体的接触面和泵壳向内部热通路的制约以及泵体耐热温度的限制，使得外部电热丝加热功率不能太高，需要采用激活温度较低的吸附剂
满足外向内传热损失带来的泵体内部极限温度降低和外壳避免温度过高的对材料力学性能降低的影响；由于需要良好的向内部传热，并没有内部热屏蔽，所以吸附泵的热梯度非常大，吸附剂的整体激活率并不那么理想。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的在于提供一种具有加热吸附泵的氢原子频标，以实现对吸附剂的加热效率高效且整体温度均匀。
[0009]为了实现上述目的，本专利技术提供一种具有加热吸附泵的氢原子频标，包括彼此连通的吸附泵和氢原子钟主体，以及环绕所述吸附泵的外壁设置的高频加热线圈；所述吸附泵内设置有吸附剂，所述吸附剂的材质为金属；所述高频加热线圈与一交流电源连接，以在高频加热线圈上注入感应电流，实现电磁感应加热。
[0010]所述吸附泵的直径至多为感应电流的电流穿透深度的两倍。
[0011]感应电流的电流穿透深度d为：
[0012][0013]其中，μ为吸附剂的金属磁导率，γ为吸附剂的金属电导率，ω是感应电流的角频率。
[0014]所述感应电流的频率范围为50Hz
‑
20KHz。
[0015]所述吸附泵和氢原子钟主体通过过渡管道连接。
[0016]所述吸附泵和所述氢原子钟主体的形状均为圆柱体，所述过渡管道是矩形体管道，且连接于所述吸附泵和所述氢原子钟主体的侧壁之间。
[0017]所述过渡管道的长度L大于10mm，且所述过渡管道的横截面S至少为5cm2。
[0018]所述吸附泵的直径D大于2.5cm且至多为7cm，容积大于35cm3，所述过渡管道的宽度W大于7.1mm，所述吸附泵和过渡管道的高度均为7cm。
[0019]高频加热线圈为内径为3mm且外径为6mm的空心铜管，且所述高频加热线圈的内部通水冷却。
[0020]所述高频加热线圈由多个由外至内依次排布的单匝线圈串联形成，每个单匝线圈由两个彼此相对的U型线段、连接于两个U型线段的第一顶端之间的第一直线段、连接于其中一个U型线段的第二顶端和下一单匝线圈的其中一个U型线段的第二顶端之间的第二直线段组成。
[0021]所述吸附剂的表面覆盖有氧化物；所述吸附剂的材料为钛，所述氧化物为Ti02、Ti0中的至少一种。
[0022]本专利技术的氢原子频标的高频感应加热吸附泵采用了高频感应加热方式，内外部效率是接近的，不需要类似传导方式进行热传导，所以加热梯度小，加热效率高，对加热温度的需求大幅度的降低，降低了对氢钟主体的散热需求，客观上降低了吸附剂需要的激活温度，增加了整体激活效率；和现有的加热方式相比，在功率相同的情况下大幅度缩短了吸附泵的激活加热时间且整体升温均匀，且加热装置简单；后续如果对泵体再次激活也能无伤处理。
[0023]由于本专利技术的氢原子频标的高频感应加热吸附泵对加热温度的需求大幅度的降
低且加热时间缩短，因此，减少或者终止了对外壳的氧化程度，提升了该吸附泵的可靠性。
[0024]再者，本专利技术的高频感应加热吸附泵不作为氢钟的支撑件，吸附泵和氢钟主体通过过渡矩形槽进行连接，提高了散热面，在满足吸气效率的同时降低了加热激活对氢钟主体的散热需求，提高了该吸附泵单体激活的成功率；另一方面，可以切换不同体积的泵体来适应不同吸气量的需求，而无需改变主体结构。
附图说明
[0025]图1是根据本专利技术的一个实施例的具有加热吸附泵的氢原子频标在除去高频加热线圈后的立体结构示意图。
[0026]图2是根据本专利技术的一个实施例的具有加热吸附泵的氢原子频标在除去高频加热线圈后的俯视结构图。
[0027]图3是如图1所示的具有加热吸附泵的氢原子频标在除去高频加热线圈的高频加热线圈的结构示意图。
[0028]图4是一种典型的感应加热原理图。
[0029]图5是本专利技术的具有加热吸附泵的氢原子频标的吸附泵的温度分布图，Z向是吸附泵的轴向，R向是吸附泵的径向。
[0030]图6是本专利技术的具有加热吸附泵的氢原子本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有加热吸附泵的氢原子频标，其特征在于，包括彼此连通的吸附泵和氢原子钟主体，以及环绕所述吸附泵的外壁设置的高频加热线圈；所述吸附泵内设置有吸附剂，所述吸附剂的材质为金属；所述高频加热线圈与一交流电源连接，以在高频加热线圈上注入感应电流，实现电磁感应加热。2.根据权利要求1所述的具有加热吸附泵的氢原子频标，其特征在于，所述吸附泵的直径至多为感应电流的电流穿透深度的两倍。3.根据权利要求2所述的具有加热吸附泵的氢原子频标，其特征在于，感应电流的电流穿透深度d为：其中，μ为吸附剂的金属磁导率，γ为吸附剂的金属电导率，ω是感应电流的角频率。4.根据权利要求1所述的具有加热吸附泵的氢原子频标，其特征在于，所述感应电流的频率范围为50Hz
‑
20KHz。5.根据权利要求1所述的具有加热吸附泵的氢原子频标，其特征在于，所述吸附泵和氢原子钟主体通过过渡管道连接。6.根据权利要求5所述的具有加热吸附泵的氢原子频标，其特征在于，所述吸附泵和所述氢原子钟主体的形状均为圆柱体，所述过渡管道是矩形体管道，且连接于所述吸...

【专利技术属性】
技术研发人员：裴雨贤，徐昊天，帅涛，谢勇辉，陈鹏飞，潘晓燕，赵阳，张朋军，夏天，
申请(专利权)人：中国科学院上海天文台，
类型：发明
国别省市：