輕量化氫原子鐘Zr-V-Fe-Cr吸氫合金的研究

艾永昌，蘇 童，黃水明，徐 凱，侯雪玲

(上海大學材料科學與工程學院，上海 200072)

氫原子鐘是天文衛星的核心部件[1-2]，它的高精密計時器和時間頻率標準[3-4]廣泛用于空間天文衛星以及守時授時[5]、同步通訊[6]、火箭和導彈發射[7]、艦艇導航[8]等領域。為了氫原子鐘更適合在天文領域的應用，它的輕量化、小型化十分必要[9]。目前，氫原子鐘的小型化研究主要集中在物理系統和真空系統上[10-11]，而對吸氫系統的輕量化，卻少有研究。目前氫原子鐘的吸氫材料大多為多孔鈦，激活溫度在800 ℃以上，質量在1 kg左右，不利于氫原子鐘的輕量化發展。

1 氫原子鐘氫源系統

氫原子鐘的工作原理如圖1。氫氣由氫源產生，經過鎳管提純器純化后進入高頻振蕩器和選態器，分裂成F=1,m=0;F=1,m=1;F=0,m=0和F=1,m=-1 4個能級，其中F=1,m=0和F=1,m=1態的原子匯聚到儲存泡中，與諧振腔內的輻射場發生作用而躍遷。通過檢測躍遷產生的固定頻率(1.424 057 51 GHz)可實現高精度計時[12-14]。

在氫原子完成能級躍遷后，不同能級的氫原子需要盡快被吸氫材料吸收，以保持躍遷的連續性，實現氫原子鐘的不間斷計時[15-16]。目前國內氫原子鐘的吸氫系統采用多孔鈦材料，吸氫速度慢，吸氫量低，不利于降低氫原子鐘的質量[17]。因此，研究一種適合用于氫原子鐘的新型吸氫合金具有重要意義。

2 試驗方法

首先按照設計的成分配置一系列Zr56.97V35.85Fe7.18-xCrx(x為原子百分比，x=0, 3.59和7.18)合金，原料為純度99.99%以上的Zr，V，Fe和Cr。在非自耗真空電弧熔煉爐中熔煉成15 g的紐扣錠，每個錠子翻身熔煉6次，同時電磁攪拌，保證合金成分均勻。……