銣泡充銣控制工藝工裝設備的設計

林小軍 高炳天 馮 浩 崔敬忠 楊 璐

(1.蘭州工業學院機電工程學院；2. 蘭州空間技術物理研究所；3.新疆神火煤電有限公司)

銣泡充銣控制工藝工裝設備的設計

林小軍1高炳天1馮 浩2崔敬忠2楊 璐3

(1.蘭州工業學院機電工程學院；2. 蘭州空間技術物理研究所；3.新疆神火煤電有限公司)

介紹了銣泡充制銣量控制工裝設備冷卻體組件，設備采用了兩路冷卻循環系統，冷卻芯結構用多孔通道冷卻方式增大冷卻面積，利用位置調節機構調節冷卻體裝置使銣泡與ZnO介質合理接觸，使玻璃集成器儲存的銣在銣泡內定量沉積。該工藝工裝設備結構緊湊，運行平穩可靠，提高了銣泡產品的合格率。

銣泡充制 銣量控制 位置調節 冷卻體

銣是一種銀白色稀有堿金屬，銣原料價格昂貴[1]。銣泡組件是二代導航星載銣鐘物理部分的核心部件，它在激勵電路的作用下為物理部分提供穩定的抽運光，該抽運光的特征譜線激發的超精細能級躍遷頻率是星載銣鐘輸出頻率源的基準，銣泡內銣量的多少與銣燈輸出光強的穩定性有密切關系，因此銣泡充制工藝的主要問題是銣量控制問題[2]。目前銣泡充制時主要采用手工火焰驅趕，銣量控制僅憑充制人員憑經驗目測觀察，存在較大誤差，由于生產過程中銣量不能有效控制，要得到銣量達標的燈泡需要反復充制大量的銣泡，并經過多次篩選，生產周期和勞動強度成倍增加，直接影響星載銣鐘生產任務的按期完成。同時，由于銣量偏差較大，銣泡質量難以控制，造成原材料浪費嚴重，也增加了后續調試、測試的難度[3～6]。有效冷卻是銣泡質量控制的關鍵問題，換熱面積的增大可提高冷卻效果[7]，冷卻裝置的結構設計應從材料和過流面積著手[8]。為解決這些問題，在充制過程中實現銣在銣泡內定點均勻沉積，研制銣泡充制過程中的銣量控制工藝設備，為星載原子鐘和小型原子鐘的產業化提供技術支持。

1 工藝工裝設備結構設計

銣泡充制控制工藝工裝設備主要由溫控烘箱隔熱底座、銣泡冷卻體組件及位置調節機構等組成，設備結構如圖1所示。該裝置的技術關鍵是控制玻璃集成器銣泡與冷卻體方槽盛裝導熱介質ZnO粉末接觸，通過自然冷卻完成銣量定點收集。

圖1 銣泡充制銣量控制工藝工裝設備簡圖

1.1 烘箱隔熱箱體

溫控烘箱的結構主要由保溫箱體和保溫蓋組成。由于銣泡冷卻體組件的管線、密封件及信號線等件不適宜長時間在高溫狀態下工作，因而充銣冷卻體組件必須儲藏在箱體內與高溫隔離。溫控烘箱提供銣泡充制銣量所需的溫度，冷卻體裝置通過烘箱底板裝入烘箱。溫控烘箱結構如圖2所示。溫控烘箱要實現兩個工藝過程：一是除氧過程，烘箱溫度可達到400～500℃；二是銣量充制過程，實現玻璃集成器組件主管路銣源的加熱，溫度控制范圍200～250℃，實現銣泡內銣量的定量收集。

圖2 溫控烘箱結構簡圖

1.2 冷卻體組件

冷卻體組件整體置于烘箱底板保溫箱內，主要由外保溫罩、冷卻芯及絕熱層等組成，其結構如圖3所示。制冷介質進出水管用隔熱高溫軟管與溫度傳感器信號線一同從軸孔引出，冷卻體組件整體用鍍銀保溫罩罩住。冷卻裝置用冷水通過傳導方式冷卻ZnO介質，制冷機供應冷水溫度-30～-20℃，通過冷卻裝置三面開多孔通道流動，使ZnO介質溫度在溫控烘箱內200～250℃的高溫環境冷卻到20℃以下，以便使銣泡與介質接觸處的產生溫度梯度，逐漸將玻璃集成器中飽和銣蒸汽冷凝沉積在銣泡內。

圖3 銣泡冷卻體組件結構示意圖

兩個銣泡冷卻體分別安裝在位置調節機構的小托板上，左右各一，可拆卸進行清潔或更換。銣泡冷卻體設計有銣泡可浸入的U形槽，槽內盛裝銣泡冷卻介質，左右各10個對稱排布。每個冷卻芯的進出口管路設計為兩進兩出，進口和出口與制冷機隔熱高溫軟管連接，結構如圖4所示。

圖4 冷卻芯結構示意圖

保溫罩采用0.5mm厚鋼板制作，上表面與冷卻芯配合均勻開方孔或條形槽，使銣泡通過外保溫罩伸入U形槽與銣泡冷卻介質接觸；下底面敞開，內外鍍高反射銀涂層，減少冷卻芯的輻射得熱。保溫罩內徑長、寬尺寸比銣泡冷卻體實際尺寸加大10mm，留出位置調節機構的空間，罩在微調大板上，將冷卻體組件罩住。

銣泡冷卻芯外層5面包裹的絕熱層厚20mm，開孔上表面包裹的絕熱層厚10mm，選耐高溫優質絕熱材料。

1.3 位置調節機構

冷卻體裝置位置調節機構主要由左右冷卻體、移位小板、移位中板、移位大板及升降軸組成。該裝置主要由水平移位機構和豎直移位機構兩大塊組成。水平移位機構主要包括銣泡充制平臺在水平面上的運動(包括左右運動，前后運動以及在水平方向上的旋轉運動等)，而豎直位移機構研究的是銣泡充制平臺的上下運動，使銣泡充制平臺和相應的銣泡輕輕接觸。

升降裝置實現的功能是將冷卻體組件從儲藏箱體內升起[9]，使導熱介質ZnO粉末與玻璃集成器銣泡的浸入深度保持1～2mm。用伺服電機、減速器與絲杠螺母傳動機構組合實現。升降機構主要由升降桿、升降板、絲母/絲杠、光軸/導套、減速器及伺服電機等組成。其功能是準確升降移位大板和升降微調。步進電機驅動減速器和絲桿運動，銣泡升降平臺可以通過升降導向機構導引的路徑移動。

水平移位機構主要由移位中板、移位大板及絲杠螺母機構等組成。兩個銣泡冷卻體分別與小板固定，中板與小板用燕尾槽連接，選用絲杠螺母機構，分別通過手動調節冷卻芯U形槽相對銣泡正確位置。實現單個冷卻體組件通過手動調整絲杠螺母傳動機構，實現水平面內的左右、前后位置移位及角度轉動，解決銣泡手工制作后不可避免的位置誤差和尺寸誤差問題。平面運動系統采用了板式滾柱鏈承載結構，降低了運動摩擦力，使調節更加靈活。

2 結束語

銣泡充制過程中的銣量控制工藝工裝設備通過升降機構實現銣泡與冷卻體方槽盛裝導熱介質ZnO粉末的有效接觸，利用板式滾柱鏈制作精密移位機構，實現洳泡充制的對中調節。兩個冷卻體組件采用了兩路冷卻循環系統，冷卻芯結構用多孔通道冷卻方式，增大了冷卻面積，冷卻體組件冷卻效果良好。溫控保溫箱將充銣裝置儲藏在箱體內與高溫隔離，充銣時將保溫箱蓋掀去，升起充銣裝置，通過現場實驗保溫性能良好，溫控烘箱升溫正常，溫控250℃恒溫下，保持4h，手感保溫箱底外表面不發熱。該技術為軍用小型化銣原子鐘和商用銣原子鐘的銣泡批量生產提供了技術參考。

[1] 曹冬梅,張雨山,高春娟,等.提銣技術研究進展[J].鹽業與化工,2011,40(5):44～47.

[2] 馮浩,崔敬忠, 翟浩,等.銣鐘光譜燈老化的實驗研究和壽命評估[J]. 時間頻率學報, 2015，(1):1～7.

[3] 劉昊, 劉亮明. 銣和銫的應用前景及其制約因素[J]. 南方國土資源, 2015，(11):31～33.

[4] 支紅軍. 銣及其材料的應用與發展[J]. 新疆有色金屬, 2013, 36(1):50～52.

[5] 馮浩, 崔敬忠. 量熱技術在銣光譜燈中的應用研究[J]. 宇航計測技術, 2014，(3):22～25.

[6] 單志強, 舒新前, 馮吉福,等. 銣及其化合物制備技術研究進展[J]. 金屬功能材料, 2013，20(2)：63～66.

[7] 蔣旭,姜曉霜,厲彥忠.立式三層冷凝蒸發器的研發設計[J]. 化工機械,2014, 41(4):517～519.

[8] 趙虎群, 高學理, 焦光聯,等. 混合離子交換器的內部過流裝置結構設計[J]. 化工機械, 2013, 40(1):130～131.

[9] 高炳天, 林小軍, 權富成. 銣泡充制工裝設備移位調節機構的設計[J]. 自動化與儀器儀表, 2012，(5):45～47.

DesignofToolingEquipmentforRubidium-BubbleFillingControl

LIN Xiao-jun1, GAO Bing-tian1, FENG Hao2, CUI Jing-zhong2,YANG Lu3

甘肅省高等學校科研項目(2014A-118)；甘肅省科技支撐計劃項目(144GKCA024 )。

林小軍(1979-)，副教授，從事制造過程信息技術的研究，316766440@qq.com。

TQ060.3

A

0254-6094(2017)03-0319-04

2016-09-03，

2016-10-08)

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