激光陀螺吸氣劑的測(cè)試方法研究

唐 苗，高 川，汪世林

(1.海軍駐某院軍事代表室，北京 100074； 2.北京自動(dòng)化控制設(shè)備研究所，北京 100074)

0 引言

激光陀螺是一種光電式慣性敏感元件，具有高靈敏度、大動(dòng)態(tài)范圍、啟動(dòng)速度快、對(duì)加速度不敏感、數(shù)字化輸出等優(yōu)勢(shì)。目前，激光陀螺已經(jīng)大量應(yīng)用于航空飛行器、航天飛機(jī)、陸用戰(zhàn)車導(dǎo)航系統(tǒng)、艦船及潛艇導(dǎo)航系統(tǒng)、無人機(jī)、導(dǎo)彈導(dǎo)航制導(dǎo)等領(lǐng)域[1-5]。

激光陀螺作為一種He-Ne激光器，其核心部件環(huán)形諧振腔是在一定真空度條件下充入一定比例氦氖混合氣體進(jìn)行工作的。由于腔體材料、封接部位等的微滲漏以及腔內(nèi)吸附氣體的釋放等因素，使得腔內(nèi)氣體的純度在陀螺長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)、使用過程中會(huì)發(fā)生變化出現(xiàn)雜氣。為保證激光陀螺全壽命周期內(nèi)的腔內(nèi)氣體純度，將吸氣劑置于諧振腔內(nèi)部吸附雜氣。若吸氣劑出現(xiàn)性能提前衰減，或陀螺所處的溫度環(huán)境發(fā)生變化導(dǎo)致陀螺雜氣釋放量增加并超過吸氣劑的吸氣量，會(huì)導(dǎo)致雜氣積累，將嚴(yán)重影響激光陀螺的性能，甚至導(dǎo)致無信號(hào)輸出，激光陀螺無法工作至壽命期限。

因此，激光陀螺吸氣劑的測(cè)試對(duì)于激光陀螺的長(zhǎng)期穩(wěn)定性至關(guān)重要，當(dāng)前吸氣劑的主要檢測(cè)方法為定容法、定壓法等，主要針對(duì)吸氣劑的吸氣性能進(jìn)行測(cè)試[6-9]，而針對(duì)吸氣劑在激光陀螺使用環(huán)境中的測(cè)試，則需要考慮結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、激活條件等多方面因素。因此本文主要根據(jù)激光陀螺的使用需求，對(duì)激光陀螺所使用的吸氣劑的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、吸氣效能以及激活條件進(jìn)行研究，提出了一種含振動(dòng)沖擊篩選與質(zhì)譜檢測(cè)等手段相結(jié)合的綜合檢測(cè)方法，以確保所使用的吸氣劑滿足激光陀螺的使用需求。

1 激光陀螺吸氣劑工作機(jī)理研究

在真空設(shè)備中，固體材料與氣體之間存在著如下相互作用：吸附——固體表面聚集一層或多層氣體的現(xiàn)象；吸收——?dú)怏w擴(kuò)散滲入固體內(nèi)部并被溶解的現(xiàn)象;解吸——被材料吸附的氣體或蒸氣的釋放現(xiàn)象。

激光陀螺是真空器件，在其壽命期內(nèi)的存儲(chǔ)與工作過程中，諧振腔內(nèi)的所有固體器件與氣體將會(huì)發(fā)生以上三種相互作用，因此陀螺諧振腔內(nèi)的真空狀態(tài)是動(dòng)態(tài)平衡的：

一方面為雜質(zhì)氣體的增量過程，包括諧振腔的微量滲漏，以及在生產(chǎn)過程中腔內(nèi)固體吸附的氣體隨時(shí)間的積累而逐漸解吸，此時(shí)對(duì)于諧振腔內(nèi)除吸氣劑外的所有固體器件，氣體的解吸將大于雜質(zhì)氣體的吸附與吸收作用，解吸占主導(dǎo)地位，釋放氣體；另一方面為雜質(zhì)氣體的減少過程，若諧振腔內(nèi)部的合金吸氣劑正常工作，那么吸氣劑對(duì)活性氣體具有很高的抽氣能力，在此過程中吸氣劑對(duì)活性雜質(zhì)氣體的吸附與吸收作用將遠(yuǎn)大于解吸的作用，因此諧振腔內(nèi)部的真空度得以保持。

吸氣劑的吸氣過程分為：1)表面吸附；2)內(nèi)部擴(kuò)散。表面吸附分為物理吸附以及化學(xué)吸收。物理吸附是根據(jù)產(chǎn)生于分子或原子之間的靜電相互作用的范德華力(即分子間作用力)，當(dāng)氣體分子碰撞吸氣劑固體表面時(shí)，氣體分子可能被排斥彈出，也可能被吸附，吸附氣體分子的束縛力可以很強(qiáng)，

也可能比較微弱。化學(xué)吸收是指諧振腔內(nèi)產(chǎn)生雜氣的活性氣體成分與吸氣劑的活性組分之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而被吸收的過程。在以上兩種吸氣的過程中，化學(xué)吸附處于主導(dǎo)地位。內(nèi)部擴(kuò)散過程：吸氣劑表面吸附的氣體具有較大的表面遷移率，雜氣分子迅速地在吸氣劑的表面擴(kuò)散開來，隨著表面擴(kuò)散的進(jìn)行，在一定條件下，擴(kuò)散的雜氣分子將進(jìn)一步向吸氣劑的吸氣劑合金內(nèi)部擴(kuò)散。擴(kuò)散的形式主要包括：深入金屬表面凹陷及損傷部位；浸入晶界之間；擴(kuò)散至結(jié)晶本身的缺陷之中；與金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成金屬化合物；與金屬形成固溶體。

2 激光陀螺吸氣劑的測(cè)試方法研究

通過以上分析得知，吸氣劑的性能對(duì)激光陀螺的正常工作至關(guān)重要，激光陀螺吸氣劑的測(cè)試原則包括：吸氣劑的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度測(cè)試，不同激活方式下的吸氣總量、吸氣速率測(cè)試。

2.1 激光陀螺吸氣劑的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

吸氣劑分為蒸散型和非蒸散型兩大類[10]。蒸散型吸氣劑主要依靠金屬蒸散后形成的薄膜進(jìn)行吸氣，以鋇、鍶、鎂、鈣及其合金為主，這種材料的缺點(diǎn)是容易蒸散到器件內(nèi)壁各處，且結(jié)構(gòu)較為松散，如圖1所示。非蒸散型吸氣劑通常包括鈦、鋯、鉿以及它們的合金，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較高。

激光陀螺對(duì)器件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求較高。按照某慣導(dǎo)系統(tǒng)的力學(xué)條件(如表1、表2所示)對(duì)分別安裝蒸散型與非蒸散型吸氣劑的激光陀螺進(jìn)行振動(dòng)沖擊試驗(yàn)。在進(jìn)行陀螺測(cè)試時(shí)，記錄功率信號(hào)的變化情況，同時(shí)在吸氣劑蓋板上作標(biāo)記，通過對(duì)比振動(dòng)前后吸氣劑位置，判定其位置是否曾經(jīng)發(fā)生過位置躥動(dòng)。

表1 隨機(jī)振動(dòng)功能試驗(yàn)條件

表2 沖擊試驗(yàn)條件

注：助推器點(diǎn)火沖擊2次的時(shí)間間隔為試驗(yàn)設(shè)備能夠達(dá)到的最短時(shí)間間隔。

試驗(yàn)結(jié)果顯示：陀螺進(jìn)行振動(dòng)沖擊試驗(yàn)的過程中，非蒸散型陀螺功率信號(hào)未發(fā)生明顯變化，振動(dòng)前后吸氣劑未發(fā)生過位置躥動(dòng)；試驗(yàn)完成之后，開蓋觀察塊體吸氣劑安裝孔的內(nèi)壁上未見明顯劃痕，顯微鏡觀測(cè)吸氣劑表面也沒有掉粉末。而蒸散型吸氣劑則出現(xiàn)了掉粉現(xiàn)象，因此激光陀螺吸氣劑的選型應(yīng)首選非蒸散型結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較高的吸氣劑。

2.2 激光陀螺吸氣劑的吸氣性能

通過原理分析設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，對(duì)長(zhǎng)期放置的未安裝吸氣劑的激光陀螺內(nèi)部氣體進(jìn)行檢測(cè)，長(zhǎng)時(shí)間放置后的陀螺諧振腔內(nèi)累積的微量雜質(zhì)氣體導(dǎo)致激光陀螺產(chǎn)生放電抽運(yùn)效應(yīng)，導(dǎo)致激光陀螺光強(qiáng)不穩(wěn)定。在物理機(jī)理上，微量雜質(zhì)氣體對(duì)激光陀螺光強(qiáng)的影響主要通過以下兩種途徑：首先是影響增益氣體的成分和密度分布，進(jìn)而影響其放電抽運(yùn)過程；其次是產(chǎn)生非均勻折射和色散效應(yīng)。因此經(jīng)長(zhǎng)期存儲(chǔ)和使用后累積的微量雜質(zhì)氣體將嚴(yán)重影響激光陀螺的光強(qiáng)穩(wěn)定性。

對(duì)未安裝吸氣劑且長(zhǎng)期放置的陀螺內(nèi)部氣體進(jìn)行光譜分析，從圖2中得出，除了氦、氖工作氣體的發(fā)光譜線之外，還有明顯含量的氫原子發(fā)光譜線及其他微量雜質(zhì)氣體譜線，驗(yàn)證了陀螺諧振腔內(nèi)出現(xiàn)了明顯的雜質(zhì)氫成分，檢測(cè)結(jié)果表明長(zhǎng)期放置的激光陀螺內(nèi)部的主要雜質(zhì)氣體為氫氣。氫氣是超高真空中的主要?dú)堄鄽怏w，吸氣劑對(duì)氫及其同位素的吸收作用一直受到人們的關(guān)注[11]。因此，考核吸氣劑的吸氣能力主要采用吸氫速率以及吸氫量來衡量。

實(shí)驗(yàn)檢測(cè)的激光陀螺選擇一種燒結(jié)型非蒸散型鋯基吸氣劑，該吸氣劑以氫化法生產(chǎn)的鋯粉為原料,按一定比例加入光譜石墨及LaNi5粉末(質(zhì)量比Zr∶C∶LaNi5= 8∶1∶1) , 在氫氣保護(hù)下均勻混合后壓制成一定形狀的吸氣劑, 將壓制后的吸氣劑片經(jīng)高真空預(yù)結(jié), 在950℃的溫度下燒結(jié)成型。該吸氣劑對(duì)氫氣具有較好的吸氣效果[12]，如圖3所示，為該型吸氣劑在相同激活條件下對(duì)氫氣以及其他大分子氣體的吸氣特征曲線。

暴露大氣后的吸氣劑表面會(huì)覆蓋著一層H2O、CO2和碳?xì)浠衔铮紦?jù)了合金表面的吸附位，導(dǎo)致吸氣劑喪失吸氣能力。因此，吸氣劑必須進(jìn)行高頻加熱的激活處理[13]，吸氣劑實(shí)際發(fā)揮的有效作用與激活程度有關(guān)，吸氣劑激活參數(shù)包括激活溫度和時(shí)間。下面對(duì)鋯基吸氣劑(0.6g)進(jìn)行不同激活條件下的吸氣能力檢測(cè)，測(cè)試方法采用動(dòng)態(tài)定壓法，測(cè)試氣體純度為不低于99.99%[14-15]的氫氣，測(cè)試結(jié)果如表3所示，鋯基吸氣劑在兩種不同的激活條件下的吸氣量分別為0.947Pa·L、1.491Pa·L，后者為前者的1.5倍。可見在評(píng)估陀螺吸氣劑的吸氣性能時(shí)，必須明確激活條件，并在制定陀螺吸氣劑的激活工藝時(shí)，首先保證陀螺吸氣劑在壽命期內(nèi)具備一定的吸氣余量的同時(shí)確保對(duì)陀螺的其他器件不會(huì)造成熱損傷。

表3 吸氣劑在不同激活溫度條件下吸H2的特征曲線

2.3 激光陀螺吸氣劑測(cè)試方法的驗(yàn)證試驗(yàn)

為了驗(yàn)證激光陀螺吸氣劑測(cè)試方法的有效性，對(duì)不同狀態(tài)的陀螺內(nèi)部的氣體質(zhì)譜檢測(cè)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，將四種狀態(tài)的激光陀螺進(jìn)行質(zhì)譜檢測(cè)試驗(yàn)，陀螺狀態(tài)如表4所示，檢測(cè)結(jié)果如表5所示。

表4 實(shí)驗(yàn)陀螺狀態(tài)表

表5 實(shí)驗(yàn)陀螺質(zhì)譜檢測(cè)數(shù)據(jù)

陀螺1由于未安裝吸氣劑，雜氣含量高達(dá)3.24%，增益介質(zhì)發(fā)生變化；陀螺2吸氣劑正常工作驗(yàn)證了在該標(biāo)準(zhǔn)激活條件下，吸氣劑在陀螺的長(zhǎng)期存儲(chǔ)過程中起到了吸收雜氣的作用，吸氣劑的吸附能力遠(yuǎn)大于陀螺諧振腔內(nèi)部器件的氣體解吸能力，腔內(nèi)純度較高，驗(yàn)證了吸氣劑在陀螺中的吸氣性能正常發(fā)揮；陀螺3與4進(jìn)行了高溫長(zhǎng)期烘烤，加速了陀螺內(nèi)部雜質(zhì)氣體的解吸速率，解吸量相當(dāng)于壽命期內(nèi)的雜氣總釋放量。觀測(cè)結(jié)果顯示，陀螺4的工作氣體純度與陀螺2相近，表明吸氣劑在壽命期內(nèi)，吸氣劑性能未飽和，陀螺工作正常；陀螺3則出現(xiàn)了雜氣積累，證明該低于標(biāo)準(zhǔn)的激活條件不能滿足陀螺的規(guī)定壽命期內(nèi)的需求。通過以上分析得出，通過對(duì)不同狀態(tài)的陀螺內(nèi)部氣體質(zhì)譜檢測(cè)，可以進(jìn)一步驗(yàn)證激光陀螺吸氣劑的測(cè)試方法，能夠有效測(cè)試某選型吸氣劑是否滿足激光陀螺的需求。

3 結(jié)論

在激光陀螺的使用中，諧振腔工作氣體的成分是影響激光陀螺光強(qiáng)穩(wěn)定性的主要因素。本文基于大量實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)比不同結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，不同激活條件以及不同狀態(tài)的陀螺內(nèi)部氣體成分，明確了判斷吸氣劑是否符合激光陀螺的使用標(biāo)準(zhǔn)。

1)吸氣劑機(jī)構(gòu)強(qiáng)度高，通過振動(dòng)沖擊篩選試驗(yàn)對(duì)吸氣劑的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，以確保吸氣劑的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足激光陀螺的使用要求；

2)吸氣劑吸氫能力強(qiáng)，對(duì)吸氣劑的吸氫量以及吸氫速率進(jìn)行檢測(cè)，確保吸氣劑的吸氣性能滿足陀螺的使用要求，即吸氣劑的吸氣量應(yīng)大于陀螺壽命期內(nèi)的雜氣釋放量。

3)確保吸氣劑的激活條件滿足陀螺需求，通過在某激活條件下的吸氣劑吸氣性能測(cè)試以及質(zhì)譜檢測(cè)手段共同驗(yàn)證該激活條件是否最佳，以確保吸氣劑的吸氣性能滿足激光陀螺的需求。