汞離子微波頻標汞光譜燈設(shè)計

王暖讓 陳 星 趙 環(huán) 葛 軍

(北京無線電計量測試研究所，計量與校準技術(shù)重點實驗室，北京100039)

1 引 言

離子微波頻標對中國軍事武器裝備的研制具有重要意義。近年來，氫鐘、銣鐘和銫鐘等傳統(tǒng)原子頻標已廣泛應(yīng)用于科學(xué)實驗、國家/國防守時授時、深空探測和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)等領(lǐng)域[1-4]。隨著星載空間環(huán)境下對高精度長壽命守時、戰(zhàn)場環(huán)境下武器裝備移動高可靠守時等對原子頻標的新需求不斷涌現(xiàn)，在氫、銣、銫等傳統(tǒng)頻率標準之外，發(fā)達國家正在開展離子微波頻標等新型原子頻標的研制和應(yīng)用工作，未來5～30年內(nèi)可以預(yù)見離子微波頻標的地位尤為重要，將成為中長期內(nèi)軍事高精度量子頻率標準的研究主體，也是有望應(yīng)用于時間頻率計量校準以及下一代導(dǎo)航定位和空間探測的空間星載和地面的最高時間頻率標準。離子微波頻標種類較多，汞離子微波頻標是唯一能夠同時具備高性能指標和體積重量優(yōu)勢的離子微波頻標[5-7]，但是研制難度較大，很多關(guān)鍵技術(shù)尚未突破，其中最關(guān)鍵的技術(shù)就是高穩(wěn)定、高可靠性、窄線寬光抽運譜燈的設(shè)計。高效光抽運譜燈的研制是實現(xiàn)高性能、高可靠和小型化汞離子微波頻標的必要條件，并且可大大提高汞離子微波頻標的壽命，有效降低使用成本。

2 汞光譜燈理論分析

汞離子微波頻標的工作物質(zhì)為199Hg+，其能級示意圖如圖1(a)所示。202Hg+能級示意圖如圖1(b)所示，其具有波長194.2nm的D1譜線[8]，其波長與199Hg+的2S1/2態(tài)的超精細能級F=1和激發(fā)態(tài)2P1/2的初始態(tài)之間的躍遷頻率波長比較接近，可用來進行光抽運，抽空199Hg+基態(tài)超精細結(jié)構(gòu)F=1態(tài)上的離子。然后離子通過自發(fā)輻射從激發(fā)態(tài)回到2S1/2態(tài)，再通過抽運光進行抽運，最終完成態(tài)的制備，此時絕大部分離子在2S1/2的F=0態(tài)。再通過喇叭天線施加40.5GHz微波場，離子即會發(fā)生微波共振，利用外加的微波場使離子由F=0態(tài)躍遷到F=1態(tài)，則F=1態(tài)離子數(shù)量增多，通過收集此過程的熒光數(shù)量，即可得到躍遷譜線。

202Hg+汞燈能夠作為199Hg+抽運的光源，取代深紫外激光器，因為深紫外激光器研究難度巨大，體積也很龐大，這也是199Hg+頻標能夠進行小型化的的原因之一。但增強汞燈的光強、提高譜線的穩(wěn)定度是亟需解決的關(guān)鍵技術(shù)。

在低壓高頻等離子體中，引起光譜線增寬的主要是多普勒效應(yīng)，與原子溫度有關(guān)。因此，原子的速度滿足麥克斯韋分布，譜線形狀為高斯型。

(1)

(2)

式中：ΔνG——高斯的半峰寬；ν——頻率；ν0——中心頻率；T——輻射原子的溫度；μ——質(zhì)量數(shù)。

當T=333K，μ=199，波長為λ=194.2nm的多普勒寬度為

ΔνG=1.67GHz

且

由自然加寬Δνnat，共振加寬Δνres和周圍粒子的相互作用引起的增寬Δνint都可以用洛侖茲函數(shù)表示

(3)

其中，

ΔνL=Δνnat+Δνres+Δνint

(4)

汞離子譜線194.2nm的洛侖茲寬度大約為0.002cm-1。根據(jù)1/δ=Δν/c，洛侖茲寬度為

Δν=3×108×0.2Hz=0.06GHz

所有進程都會產(chǎn)生高斯和洛侖茲型增寬。因此，同時考慮這兩種增寬，可由Voigt函數(shù)表示

(5)

其中，

(6)

(7)

(8)

通過理論分析，可以發(fā)現(xiàn)所需194.2nm譜線線寬主要受限于汞離子與其他粒子之間的相互作用，要達到理想的指標，需要控制發(fā)光泡內(nèi)的殘余氣體，即發(fā)光泡內(nèi)的真空度需要達到E-6Pa量級，并且充入的起輝氣體的量要適中(可通過實驗確定)。在此基礎(chǔ)上通過實驗進行其它參數(shù)的優(yōu)化，即可得到滿足使用需求的汞燈。

3 汞光譜燈實驗研究

汞燈由汞蒸汽泡和高頻激勵源組成。汞蒸汽泡中起輝氣體成份和壓強直接影響汞燈的所需譜線的強度、穩(wěn)定性和壽命等性能指標，可通過優(yōu)化設(shè)計并通過反復(fù)實驗來確定燈泡的配氣比以得到滿足需求的汞蒸汽泡。汞蒸汽泡是無極燈發(fā)光的核心部分，輻射譜線的性質(zhì)很大程度上由其決定，尤其受到充汞和氬氣量的影響。汞泡的設(shè)計主要包括如下四個方面。

1)發(fā)光泡材料選擇：由于汞離子光譜燈的特殊要求，因此所用材料不能使用普通玻璃，必須選擇石英材料，并且發(fā)光端面為平面，需采用JGS1材料，對194.2nm光的透過率在90%以上。在此基礎(chǔ)上可嘗試使用藍寶石材料，此材料純度較高，不易與汞發(fā)生反應(yīng)，但是其介電系數(shù)較大，損耗會稍大；

2)發(fā)光泡形狀設(shè)計：發(fā)光泡照片如圖2所示，由于汞燈離子譜線激發(fā)需要功率較大，并且發(fā)光泡內(nèi)的汞處于液體狀態(tài)，因此需要設(shè)計發(fā)光泡冷端并進行溫控，使汞穩(wěn)定在冷端，以免影響光強。因此，設(shè)計了如圖2(b)的發(fā)光泡，該形狀更適合用于汞燈，其中內(nèi)徑為8mm，長度為20mm。其中，難點之一是發(fā)光泡與冷端的連接處需要控制在1mm以內(nèi)，難點之二是JGS1與普通石英的連接；

圖2 發(fā)光泡實物圖Fig.2 The picture of bulb

3)發(fā)光泡充制工藝流程設(shè)計：基于當前的充泡工藝，需要重新設(shè)計工藝流程，流程如下。

第一步：清洗發(fā)光泡。具體包括：10%左右氫氟酸容易浸泡外殼10min左右；蒸餾水稀釋清洗5次；氨水中和沖洗；蒸餾水沖洗；超聲波清洗半小時左右；蒸餾水清洗；

第二步：清除發(fā)光泡內(nèi)其它雜質(zhì)氣體。具體如下：利用真空泵組對泡進行除氣，使泡內(nèi)真空度達到5E-6Pa左右；利用烤箱/加熱帶加熱烘烤，烘烤時間24h左右，烘烤溫度400℃左右；

第三步：充入緩沖氣體。通過調(diào)節(jié)微漏閥，向泡里充入氬氣，利用壓力規(guī)檢測充入氣體的壓強；

第四步：注入汞。充入緩沖氣體后，關(guān)閉閥門，將發(fā)光泡和裝汞的玻璃管一起切下，將玻璃管里的汞通過玻璃管緩慢倒入泡里，然后將玻璃管切下去，將泡密封，完成制泡；

4)發(fā)光泡內(nèi)配氣比設(shè)計：汞原子譜線(254nm)和離子譜線(194nm)輻射強度隨著氬氣壓的變化，參數(shù)為輸入功率15W，管徑尺寸8mm，如圖3所示。

圖3 輸入功率為15W，194nm和254nm譜線強度(相對值)Fig.3 The light power of 194nm and 254nmchanges with argon pressure

通過調(diào)整電壓、電流值，改變輸入的功率，得到194.2nm譜線的強度，如圖4所示。經(jīng)測試，在輸入功率3W時，汞光抽運譜燈開始發(fā)光。

圖4 不同功率下194.2nm譜線強度曲線圖Fig.4 The intensity of 194nm changes with the power of RF circuits

同時，對汞燈進行溫度測試，找到汞燈工作的最佳點，其變化圖形如圖5所示。

圖5 不同溫度下194nm譜線強度曲線圖Fig.5 The intensity of 194nm changes with the bulb temperature

為了驗證汞燈的性能，測試了20min曲線，如圖6所示，進行了3天不間斷測量，經(jīng)計算其強度穩(wěn)定度約為±2.5%。

圖6 194nm譜線穩(wěn)定性測量圖Fig.6 The power stability of 194nm

設(shè)計加工的新型汞燈如圖7和圖8所示。結(jié)構(gòu)為邊長50mm的正方體，經(jīng)測試，指標穩(wěn)定，達到使用需求。

圖7 新型汞燈結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 The sketch map of the new mercury lamp

圖8 新型汞燈實物圖Fig.8 The picture of the new mercury lamp

4 結(jié)束語

高性能、小型化及高環(huán)境適應(yīng)性的汞離子微波頻標有許多潛在的應(yīng)用需求，而其最關(guān)鍵組件——汞光譜燈的研制尤為重要。汞燈的設(shè)計需要經(jīng)過大量的實驗，發(fā)光泡的研制工藝復(fù)雜，所需周期較長；汞燈激勵電路需要功率和頻率較高，需要大量調(diào)試；激勵電路與發(fā)光泡的耦合也需要反復(fù)設(shè)計和實驗，通過長時間的大量的實驗研究，我們已經(jīng)基本把握了汞燈的關(guān)鍵技術(shù)。但是目前仍有幾個問題需要解決，一是194nm譜線的精確測量，以完善對汞燈的性能評價；二是汞燈長時間工作后，會對泡壁產(chǎn)生污染，影響汞燈的使用壽命，有待繼續(xù)進行深入研究，期待盡快取得突破性進展。