小型磁选态铯束管的抗振动性能研究

郑 宁，张涤新，王 骥，陈 江，成大鹏

（兰州物理研究所，甘肃 兰州 730000）

1 引言

铯原子钟由铯束管和频标电路组成，其中铯束管是铯原子钟的核心部件。它利用铯133原子的超精细能级从F=3（mF=0）到F=4（mF=0）的跃迁谱线对激励信号起鉴频作用，与频标电路形成闭环，输出稳定的频率信号[1]。铯束管的工作原理见图1所示，铯束管由高真空密封管壳、铯炉、准直器、选态磁铁、微波腔、C场线圈绕组、磁屏蔽、热离化丝、质谱计、电子倍增器、离子泵、吸铯剂等组成。其中铯炉与准直器用于制备铯原子束；选态磁铁和C场线圈绕组用于选出所需能态的铯原子；密封管壳、磁屏蔽、吸铯剂和离子泵用于提供无干扰的环境；微波谐振腔提供共振电磁场；热离化丝、质谱计和电子倍增器用于检测信号电流。

铯原子钟是构成全球卫星导航定位系统的核心，为卫星提供精确、稳定的时间频率源。星载铯钟除了经受在地面的制造、操作、运输、贮存、试验等环境条件考验外，一般还需要经历发射、轨道运行2个特殊的环境条件。其中，在发射过程中铯束管要经历振动、冲击及加速度等力学环境。在振动环境下，由于振动的疲劳效应及共振现象，易对铯原子钟的整机指标及铯束管的寿命产生不利的影响。

（1）对频率稳定度的影响：在铯原子运行路径上，与束光学有关的部件包括准直器、A选态磁铁、微波谐振腔、B选态磁铁、离化丝等，即使它们的位置发生了微小的偏移，也会减小束流强度，降低信噪比，使铯钟整机的短期频率稳定度下降。

图1 小型磁选态型铯束管的工作原理图

（2）对寿命的影响：振动和冲击可能会使离化丝断裂，铯束管没有信号输出；焊缝出现漏孔，造成真空度破坏等，使铯束管的寿命提前结束。

空间铯束管与地面铯束管的结构原理相同，由于空间环境的特殊性，如何实现空间铯束管的小型化、高可靠性，结构设计是非常关键的一部分。为了增加铯原子钟的可靠性，需要对空间铯钟制订严格的环境试验要求，这种试验分为两方面：一是性能考核试验，试验是破坏性的，决定是否能经受住飞行试验；二是在空间使用条件下进行长期试验。为了通过地面带有破坏性的环境试验，应该同时有多台备份。第一轮先进行振动、冲击、真空等试验，通过了这些试验考核的原子钟才可以进入第二轮试验。国内目前还没有空间铯原子钟的飞行记录，兰州空间技术物理研究所研制的铷钟物理部分，针对振动环境设计了特征频谱试验、冲击振动试验、破坏性随机振动试验等。其中，破坏性随机振动试验最大加速度为35.2 g，累计振动时间达50 min[2]。

从国外的经验看，星载铯钟一般采用商品频标，先是对商品频标为空间应用作适当修改，以后则在此基础上进行专门研究。作者以兰州空间技术物理研究所为地面应用研制的铯束管为原型，对其进行模态分析，发现了结构的薄弱环节并提出了相应的振动加固技术。

2 铯束管的模态分析

有限元模态分析能够确定机械结构的动态特性，即固有频率和振型。固有频率和振型是承受动态载荷的机械结构的重要参数。所谓有限元法就是将弹性结构离散化为有限数量、有限大小、具有质量、弹性特性的单元，然后进行数值分析，最终得到结构的固有频率和振型。这一方法的优点是在设计之初，不需要制作样机，根据设计图纸，便可预知产品的动态性能，并可在设计阶段根据需要修改结构设计以消除或抑制振动、冲击等不利影响。

模态分析是假定结构作自由振动并忽略阻尼效应，运动方程为

方程（2）的根是 ω2i，即特征值，i的范围从1到自由度的数目，相应的向量是﹛x﹜i，即特征向量[3]。

2.1 铯束管的有限元模型

通过有限元软件ANSYS建立了铯束管的结构模型。由于铯束管的零部件众多，结构复杂，实际建模过程中很难考虑到所有细节。因此，对结构进行了一些简化，将石墨、弹簧、陶瓷、电子倍增器等用质量单元代替，同时忽略了倒角等局部结构，以降低结构的复杂度。模型采用三维八节点单元solid45进行离散，铯束管的材料主要有无磁不锈钢、无氧铜、工业纯铁、磁铁材料、磁屏蔽材料等，在ANSYS中分别建立了相应的材料模型。为了更直观的观察铯束管内部结构的动态特性，作者只完成了铯束管内芯的模态分析。图2是铯束管内芯的有限元模型图。

边界条件：铯束管内芯通过导轨上的4个吊耳与外密封管壳连接，同时微波输入窗与外管壳通过焊接密封。为了与实际的试验条件一致，通过吊耳对铯束管内芯实施约束。

坐标系的定义：平行于导轨长边为X方向；平行于导轨短边为Y方向；垂直于导轨平面为Z方向。

图2 铯束管内芯的有限元模型图

2.2 模态分析结果

采用Block lanczos[4]法计算了铯束管的前十阶固有频率，计算结果见表1所列。

表1 铯束管的模态分析计算结果

提高铯束管的基频可以避开在发射过程中的敏感频率范围，从表1可知铯束管的基频为446 Hz，大于设计指标120 Hz。铯束管的薄弱环节在于局部结构的刚度太小、整管质量太大、对部分零部件的约束不够等。

2.3 与试验结果的对比

由于仿真对结构作了很多简化，导致模型的结构特征与实际的结构参数有一定的差别。为了验证有限元分析的准确性，设计了铯束管内芯的特征频谱试验及铯束管振动试验夹具。试验量级为：频率范围10～1 000 Hz、加速度不大于0.5 g、扫描速率为2 oct/min。铯束管的谐振频率试验结果见表2所列。从表2可以看出，试验结果与仿真结果之间的相对误差小于6.0%，误差产生的主要原因是模型简化，次要原因是网格的密度较小。

3 铯束管内芯的抗振动加固技术

由前十阶振型可以看出，铯束管内芯的薄弱环节在微波谐振腔、导轨、铯炉支架、检测器和铯束管内芯的安装方式。为此，提出了以下几点结构加固措施：

（1）微波谐振腔的质量太大，需研究小型化微波腔，同时合理的选择微波腔的固定方式，例如真空钎焊，以提高微波腔的共振频率。

（2）导轨上部安装面的平面度直接影响束光学的精度，但目前的导轨刚度太低，在多个频率时发生了弯曲摆动及二次曲线摆动。需重新设计导轨的结构形式，以提高导轨的刚度，减小其变形。

（3）铯炉支架是一个薄壁不锈钢结构，铯炉摆动可能会使准直器变形，使从铯炉出来的铯原子束发散角产生变化，减小束流强度，降低信噪比，使铯束频标的重要指标——短期频率稳定度下降。可以设计加强筋结构提高铯炉支架的刚度。

（4）检测器内部的离化丝支架未充分约束，导致离化丝摆动，由于离化丝为金属薄片结构，摆动会使其产生裂纹，降低铯原子的离化效率。严重时，会使离化丝断裂，造成整机失效。

（5）铯束管内芯通过导轨上的吊耳与密封管壳连接使得铯束管整体易发生晃动，需选择合适的固定方式，使铯束管内芯与外管壳之间建立刚性连接。

（6）在试验中发现了用于吸收偏离轨道的铯原子的石墨发生了磨损，石墨的磨损会降低吸铯效率，降低信噪比；石墨粉末沉积在电极之间，还会降低电极间的绝缘强度，造成高压短路[5]。在原有设计的基础上，增加对石墨的约束，可以显著减小石墨的磨损。

4 结论

分析了振动环境对铯束管的性能指标及寿命的影响，完成了铯束管的模态分析并与振动试验结果作了对比，相对误差小于6.0%。找出了铯束管的危险共振频率和结构的薄弱环节，提出了相应的抗振动加固措施。同时，解决了用于吸收偏离轨道铯原子的石墨磨损问题，增加了铯束管的可靠性。

[1]王义遒，王庆吉，傅济时，等.量子频标原理[M].北京：科学出版社，1986.

[2]王世伟，翟浩，杨炜，等.铷钟物理部分抗力学性能实验研究[J].宇航计测技术，2009，29（5）:40～44.

[3]倪振华.振动力学[M].西安：西安交通大学出版社，1992.

[4]王国强.实用工程数值模拟技术及其在ANSYS上的实践[M].西安:西北工业大学出版社，1999.

[5]肖东，邱家稳，张涤新，等.高纯石墨对铯吸附性能的研究[J].真空与低温，2009，15（2）:99～102.