一種應(yīng)用于空間氫鐘的C場(chǎng)組件設(shè)計(jì)

王文明

(北京無(wú)線(xiàn)電計(jì)量測(cè)試研究所，北京100039)

一種應(yīng)用于空間氫鐘的C場(chǎng)組件設(shè)計(jì)

王文明

(北京無(wú)線(xiàn)電計(jì)量測(cè)試研究所，北京100039)

基于零磁環(huán)境下，以空間主動(dòng)氫脈澤對(duì)C場(chǎng)組件實(shí)際功能要求為設(shè)計(jì)依據(jù)，首先借助電磁理論,同時(shí)兼顧工程設(shè)計(jì)確定中心場(chǎng)及補(bǔ)償場(chǎng)線(xiàn)圈的繞制方法及圈數(shù);其次通過(guò)通電螺線(xiàn)圈的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算獲得目標(biāo)均勻靜磁場(chǎng)所需要的穩(wěn)恒電流；最后借助仿真優(yōu)化及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，確定中心場(chǎng)及補(bǔ)償場(chǎng)線(xiàn)圈電流分別為0.378mA和0.259mA時(shí)可實(shí)現(xiàn)小于1%的場(chǎng)不均勻度，由此引起的氫鐘磁場(chǎng)不均勻頻移可以忽略。

C場(chǎng)組件；空間氫鐘；磁場(chǎng)

0 引言

氫鐘作為一種時(shí)間頻率測(cè)量設(shè)備，以其高準(zhǔn)確度和良好的中長(zhǎng)期穩(wěn)定度廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星導(dǎo)航與定位、深空探測(cè)、基礎(chǔ)理論研究等領(lǐng)域。C場(chǎng)是氫鐘當(dāng)中的關(guān)鍵組件，主要用于產(chǎn)生一個(gè)均勻、穩(wěn)恒的弱磁環(huán)境，使氫原子F=1，mf=0態(tài)的磁能級(jí)與其他三個(gè)磁能級(jí)分開(kāi)[1]，同時(shí)保持磁矩處于某一特定取向。其產(chǎn)生磁場(chǎng)的大小尤其均勻度決定著氫鐘的準(zhǔn)確度及穩(wěn)定度水平。

雖然傳統(tǒng)氫鐘C場(chǎng)組件的設(shè)計(jì)方案及制作工藝均已固化，但無(wú)法滿(mǎn)足工作于空間環(huán)境的氫鐘[2]。這不僅是因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)要根據(jù)相關(guān)聯(lián)組件重新做適配設(shè)計(jì)，而且其設(shè)計(jì)工藝不滿(mǎn)足空間氫鐘內(nèi)的高真空環(huán)境要求。因此，需對(duì)C場(chǎng)組件重新做結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計(jì)。

1 C場(chǎng)組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

C場(chǎng)組件位于微波腔與內(nèi)層屏蔽之間，其在泡區(qū)磁場(chǎng)的方向與微波腔磁矢量方向相同，其圓筒狀設(shè)計(jì)恰好與H011腔同軸。應(yīng)用于地面氫鐘的C場(chǎng)組件多暴露于大氣環(huán)境，通常采用PCB制作，工藝簡(jiǎn)單可靠且線(xiàn)圈均勻(見(jiàn)圖1)，但存在材料放氣及受力易變形引起磁場(chǎng)分布變化的不足。空間氫鐘的C場(chǎng)組件工作環(huán)境為高真空，對(duì)所選用材料放氣率有特殊要求。設(shè)計(jì)中，以鈦材制成的微波腔緊固筒同時(shí)作為C場(chǎng)導(dǎo)線(xiàn)的結(jié)構(gòu)筒，考慮到可靠性設(shè)計(jì)要求，選用低放氣率絕緣鍍層材料的導(dǎo)線(xiàn)，在導(dǎo)線(xiàn)與微波腔緊固筒之間包覆一層聚四氟乙烯膜，且膜上等間距刻限位槽以保證導(dǎo)線(xiàn)均勻分布。實(shí)際上，導(dǎo)線(xiàn)緊密繞制最理想；但在實(shí)際應(yīng)用中該方案不可靠，導(dǎo)線(xiàn)之間容易發(fā)生短路且考慮到工藝實(shí)現(xiàn)難度，其產(chǎn)生的磁場(chǎng)并不理想。同時(shí)，金屬導(dǎo)線(xiàn)自有的剛性較難實(shí)現(xiàn)緊密均勻繞制，且在制作過(guò)程中，由于作業(yè)環(huán)境因素難以保持其高真空環(huán)境設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)中導(dǎo)線(xiàn)限位槽間距定為5mm。

圖1 PCB板C場(chǎng)組件實(shí)物圖Fig.1 PCB C-field

理想導(dǎo)流線(xiàn)圈的內(nèi)部磁場(chǎng)分布應(yīng)為大小均勻、方向一致，但在實(shí)際工程應(yīng)用中受結(jié)構(gòu)尺寸限制，致使C場(chǎng)在泡區(qū)產(chǎn)生的磁場(chǎng)呈現(xiàn)出一定的梯度分布且取向不一致，由此引起原子躍遷中心頻率發(fā)生偏移并伴有譜線(xiàn)增寬，致使整鐘輸出信號(hào)指標(biāo)下降[3]。空間氫鐘C場(chǎng)筒對(duì)稱(chēng)兩頭各繞制等間距絕緣導(dǎo)線(xiàn)以消除磁場(chǎng)分布梯度。兩端導(dǎo)線(xiàn)的繞制寬度相對(duì)較短，本設(shè)計(jì)中繞制長(zhǎng)度為20mm。為便于下文分析論述，在C場(chǎng)組件中定義緊固筒上等間距的導(dǎo)線(xiàn)為中心場(chǎng)，兩頭對(duì)稱(chēng)分布導(dǎo)線(xiàn)為補(bǔ)償場(chǎng)，新制作的C場(chǎng)組件如圖2所示。

圖2 空間氫鐘C場(chǎng)組件實(shí)物圖Fig.2 Space hydrogen maser C-field

2 C場(chǎng)組件內(nèi)磁場(chǎng)的理論計(jì)算

C場(chǎng)組件所產(chǎn)生靜磁場(chǎng)分布滿(mǎn)足畢奧-薩伐爾定律，圖3為過(guò)C場(chǎng)筒軸線(xiàn)任一平面與筒的相交面，其中取C場(chǎng)筒軸線(xiàn)為X軸、C場(chǎng)筒中心處為坐標(biāo)原點(diǎn)O，設(shè)中心場(chǎng)截面內(nèi)徑為R，線(xiàn)徑長(zhǎng)度為L(zhǎng)，單位長(zhǎng)度內(nèi)導(dǎo)線(xiàn)圈數(shù)為n，則X軸上任一坐標(biāo)處?kù)o磁場(chǎng)分布為[4]

(1)

其中，μ0=4π×10-7N/A，I表示流經(jīng)導(dǎo)線(xiàn)的直流電數(shù)值

(2)

基于微波腔與內(nèi)層屏蔽的有限空間，該C場(chǎng)筒結(jié)構(gòu)尺寸取L=2R=310mm、n=200，X軸與泡區(qū)界面交點(diǎn)為A、B兩處且關(guān)于坐標(biāo)原點(diǎn)O對(duì)稱(chēng)，圓形泡區(qū)界面直徑大小為180mm，A、B兩處坐標(biāo)分別為(-90，0)(90，0)且兩處磁場(chǎng)分布相同。上述三處對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)分布為：

(3)

(4)

圖3 過(guò)C場(chǎng)筒軸線(xiàn)任一平面與其相交截面圖Fig.3 The intersect surface of C-Field and the plane over the axis

補(bǔ)償場(chǎng)寬度相較于中心場(chǎng)長(zhǎng)度較小，可等效為單股通電導(dǎo)線(xiàn)，其對(duì)應(yīng)坐標(biāo)為兩個(gè)補(bǔ)償場(chǎng)的中間點(diǎn)，分別為(-145，0)和(145，0)，由單股線(xiàn)圈產(chǎn)生軸線(xiàn)分布場(chǎng)的計(jì)算公式[4]

(5)

推知，兩個(gè)補(bǔ)償場(chǎng)在X軸上任一坐標(biāo)處?kù)o磁場(chǎng)分布為：

(6)

(7)

由于上文提到計(jì)算式將補(bǔ)償場(chǎng)視為單股導(dǎo)線(xiàn)，式(6)、式(7)中I′等于補(bǔ)償場(chǎng)導(dǎo)線(xiàn)中電流I輔與補(bǔ)償場(chǎng)導(dǎo)線(xiàn)匝數(shù)(已知匝數(shù)為40)之積。將兩個(gè)場(chǎng)(三個(gè)線(xiàn)圈)產(chǎn)生靜磁場(chǎng)疊加，得到O、A、B三處的靜磁場(chǎng)分布為：

(8)

(9)

(10)

由于A、B兩處嚴(yán)格對(duì)稱(chēng)，理論上兩處磁場(chǎng)分布相同。計(jì)算中僅取O、A兩點(diǎn)，若X軸線(xiàn)上C場(chǎng)組件產(chǎn)生的磁場(chǎng)均勻，則有

(11)

由量子頻標(biāo)理論知，氫原子實(shí)際躍遷頻率與C場(chǎng)有如下關(guān)系

(12)

式中，f為氫原子實(shí)際躍遷頻率，f0為氫原子無(wú)磁環(huán)境下σ躍遷中心頻率，Hc為泡區(qū)磁場(chǎng)強(qiáng)度。C場(chǎng)組件內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度越大，對(duì)應(yīng)區(qū)域內(nèi)磁場(chǎng)漲落效應(yīng)越顯著，由此引起的磁不均勻度越大，最終氫鐘輸出頻率變化率就越大。為實(shí)現(xiàn)氫鐘10-13量級(jí)的準(zhǔn)確度，通常取B≤1×10-7T，現(xiàn)取

(13)

計(jì)算求得中心線(xiàn)和補(bǔ)償場(chǎng)導(dǎo)線(xiàn)中的電流分別為：

(14)

3 C場(chǎng)組件仿真優(yōu)化

前文所得結(jié)果，是以X軸線(xiàn)上的兩處代表性的點(diǎn)為研究對(duì)象，將式(14)中數(shù)值帶入式(15)

B總=B+B′+B″

(15)

借助仿真軟件得到C場(chǎng)組件X軸線(xiàn)上泡區(qū)內(nèi)靜磁場(chǎng)分布曲線(xiàn)，如圖4所示。

圖4 X軸線(xiàn)上泡區(qū)內(nèi)靜磁場(chǎng)分布曲線(xiàn)Fig.4 The magnetic induction distribution within the storage bubble region

顯然，X軸線(xiàn)上靜磁場(chǎng)分布并不均勻，造成這一結(jié)果的原因正是由于在設(shè)計(jì)過(guò)程中采用了以點(diǎn)代線(xiàn)的方法，即由特殊性代替一般性，因此取得這一結(jié)果也在情理之中。需要說(shuō)明的是：雖然基于理論值下求得結(jié)果并不理想，但它具有十分重要的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)意義。

在仿真環(huán)境下，基于前文理論計(jì)算結(jié)果，對(duì)通入三個(gè)線(xiàn)圈的直流電大小在該數(shù)值附近進(jìn)行優(yōu)化調(diào)節(jié)，分析不同取值下的X軸線(xiàn)靜磁場(chǎng)分布曲線(xiàn)，在中心場(chǎng)和補(bǔ)償場(chǎng)導(dǎo)線(xiàn)電流分別為0.378mA、0.259mA時(shí)，得到優(yōu)于1%的磁場(chǎng)不均勻度，如圖5所示。

圖5 仿真調(diào)節(jié)后X軸線(xiàn)上泡區(qū)內(nèi)靜磁場(chǎng)分布曲線(xiàn)Fig.5 Optimized magnetic induction distribution within the storage bubble region

式(12)可推得由磁場(chǎng)不均勻度所致的氫鐘輸出頻率相對(duì)變化率為

(16)

4 C場(chǎng)組件性能的試驗(yàn)驗(yàn)證

將圖2所示的C場(chǎng)組件安裝于驗(yàn)收合格的磁屏蔽組件內(nèi)并退磁，用直流電源分別給C場(chǎng)組件的三個(gè)線(xiàn)圈單獨(dú)供電，通電電流分別為0.378mA、0.259mA。在泡區(qū)范圍內(nèi)沿X軸線(xiàn)方向平移磁通門(mén)磁強(qiáng)計(jì)探頭，同時(shí)每移動(dòng)10mm記錄一個(gè)數(shù)值。測(cè)試結(jié)果顯示表明該C場(chǎng)組件內(nèi)X軸線(xiàn)上的靜磁場(chǎng)的不均勻度小于1%，但磁場(chǎng)大小大于1mG。

上述結(jié)果可以通過(guò)磁屏蔽組件的工作原理解釋。因?yàn)榇牌帘尾粌H可以將外界雜散磁場(chǎng)通過(guò)自身的高磁導(dǎo)率阻止其進(jìn)入屏蔽的內(nèi)環(huán)境，還可以將內(nèi)環(huán)境的磁場(chǎng)封閉在其空間內(nèi)。如此導(dǎo)致C場(chǎng)組件所產(chǎn)生的靜磁場(chǎng)幾乎全部分布在磁屏蔽組件的有限內(nèi)部空間內(nèi)，以至于改變了C場(chǎng)筒內(nèi)的磁場(chǎng)分布，但要量值計(jì)算屏蔽筒內(nèi)C場(chǎng)組件磁場(chǎng)分布根本是不可能的[5]。從工程角度講，求解屏蔽對(duì)C場(chǎng)組件場(chǎng)分布影響是沒(méi)有意義的，因?yàn)樵跉溏娬{(diào)試過(guò)程中，C場(chǎng)組件所需直流電的大小是要根據(jù)每臺(tái)鐘的不同狀態(tài)做具體調(diào)節(jié)的，甚至于調(diào)試完畢的氫鐘在更換工作場(chǎng)所時(shí)都要進(jìn)行細(xì)微調(diào)整。

上述仿真求得的優(yōu)化數(shù)值僅用作證明所設(shè)計(jì)C場(chǎng)組件可以實(shí)現(xiàn)指標(biāo)要求，具體工程應(yīng)用仍需對(duì)所加直流電流進(jìn)行調(diào)試。

5 結(jié)論

本文從氫鐘對(duì)C場(chǎng)組件的工作要求出發(fā)，考慮具體工程設(shè)計(jì)中的局限性，得到主輔場(chǎng)線(xiàn)圈的繞制結(jié)構(gòu)，然后通過(guò)數(shù)值計(jì)算及優(yōu)化處理得到其工作參數(shù)，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性。

目前，該C場(chǎng)組件已裝配于某型號(hào)主動(dòng)型氫鐘當(dāng)中，脈澤信號(hào)最優(yōu)時(shí)所對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)撥盤(pán)值在經(jīng)驗(yàn)值附近，經(jīng)過(guò)調(diào)試后，對(duì)該型號(hào)氫鐘進(jìn)行指標(biāo)測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。證明該C場(chǎng)組件已能夠穩(wěn)定可靠地工作。

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A Design of C-field for Space Hydrogen Maser

WANG Wen-ming

(Beijing Institute of Radio Metrology and Measurement，Beijing 100039,China)

Based on the requirement for hydrogen maser design constraints，the C-field is designed without considering the effect of magnetic shield in this paper.First，winding coil method and number of laps are gotten from the basic electromagnetic theory and engineering design point of views，then the target steady current which can generate a uniform magnetic field is calculated by Biot-Savart law，and finally when the main and auxiliary coil current are set at 0.378mA，0.259mA respectively by numerical calculation，simulation and experiment，the magnetic field inhomogeneous is less than 1% which can be neglected.

C-field；Space hydrogen maser；Magnetic field

2015-07-14；

2015-09-22。

王文明(1985-)，男，博士，高工，主要從事地面守時(shí)主動(dòng)氫鐘、空間主動(dòng)氫鐘及星載被動(dòng)氫鐘方面的研究。E-mail：wwm_Kingdom@163.com

TH714

A

2095-8110(2016)01-0060-04