铷钟光谱灯老化的实验研究和寿命评估

铷光谱灯(铷灯)是汽泡式铷原子钟的关键部件。铷灯内金属铷的损耗是决定铷原子钟使用寿命的主要因素。为了预测铷灯使用寿命期内的铷消耗量,采用差示扫描量热技术对6个铷光谱灯开展了8a的铷消耗量测量。依据铷消耗模型的经验公式对铷消耗量数据用最小二乘法线性拟合,得到了一种肖特耐碱金属玻璃铷光谱灯铷消耗模型的各项参数。数据分析结果表明:铷与灯泡内所含杂质的反应消耗量在20~60μg之间,铷的消耗率稳定在0.18~0.28μg/h之间。以正常工作时铷消耗量最多的铷灯的拟合参数计算,10a使用寿命期的铷消耗量约为127μg。与相应时间内实际的铷量消耗的比较表明,使用该模型预测的结果是相对保守和可靠的。

铷光谱灯老化过程分析

选取2个铷光谱灯样品,测量得到其发光光谱。通过对铷光谱灯老化过程的长期跟踪监测,得出铷消耗量公式,这样可以在有限的试验数据的基础上预测铷的长期消耗。对老化过程中产生的杂质进行了分析,从而对铷频标研究提供参考依据。

量热技术在铷光谱灯中的应用研究

铷光谱灯是铷原子钟的核心部件。在铷光谱灯的研制中差式扫描量热技术(DSC)是不可或缺的测量手段和研究方法之一。本文通过对长期老化跟踪测量的铷量消耗数据拟合,得到了目前使用的铷灯的铷量消耗模型。分析结果显示:铷与灯泡内的杂质反应消耗了约37.5μg金属铷,铷的消耗率稳定在0.23μg/槡hr,预计10年使用寿命期内铷的消耗量约106μg。铷熔融曲线的熔点和纯度测量结果显示:铷的熔点和纯度在老化开始前2个月变化明显,具有较好的相关性。老化6个月以后铷的熔点和纯度从老化开始前的36℃和99.56%提高到39.5℃和99.84%,并趋于稳定,其变化趋势与老化初期铷量的消耗规律较好地吻合。

氧化铝保护涂层在铷光谱灯中的应用

铷光谱灯(铷灯)是光抽运铷原子钟的关键部件。在长期工作过程中,铷灯内的铷原子通过化学反应和物理扩散与玻璃泡内壁发生相互作用,引起铷量的快速消耗和光谱性能退化,影响铷原子钟的可靠性。以硝酸铝为前驱物,氨水为沉淀剂,硝酸为胶溶剂,用溶胶凝胶法制备了平均粒径约35 nm的勃姆石(γ-AlOOH)溶胶。采用浸涂法在铷灯泡内表面制备了厚度约3μm的透明氧化铝涂层,在可见和近红外范围的平均透过率大于90%。表面形貌观察显示:涂层均匀致密、表面的平整度和连续性较好,且向玻璃基体发生了明显的渗透现象。6个月铷消耗量跟踪测试表明:透明氧化铝涂层对铷和玻璃表面的反应及扩散的阻滞能力较普通特硬玻璃有明显提高,有涂层铷灯的铷量消耗较无涂层铷灯的铷量消耗减少了50%以上。

基于ANSYS的铷灯寿命预估与选型数值模拟分析

铷灯内金属铷的消耗是决定铷原子钟工作寿命的主要因素。为了预估铷灯的工作寿命,基于瞬态热传导方程和非稳态质量扩散方程在数学形式具有相似性这一特点,通过有限元软件ANSYS建立能够预测Schott 8436玻璃铷光谱灯工作寿命的铷扩散模型,并通过对比有限元模型预测结果与中国科学院武汉物理与数学研究所7年铷量测试数据,验证了模型的准确性。通过验证后的有限元模型,探讨了相同扩散面积下,Schott 8436玻璃铷灯泡体积、外轮廓线曲率对铷量消耗的影响,相关结果为玻璃铷灯泡的选型提供了理论支持。