铷钟光谱灯老化的实验研究和寿命评估

冯浩，崔敬忠，翟浩，杨世宇

（兰州空间技术物理研究所，兰州730000）

铷钟光谱灯老化的实验研究和寿命评估

冯浩，崔敬忠，翟浩，杨世宇

（兰州空间技术物理研究所，兰州730000）

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8 a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20～60 μg之间，铷的消耗率稳定在0.18～0.28μg/之间。以正常工作时铷消耗量最多的铷灯的拟合参数计算，10 a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。

铷原子钟；铷光谱灯；铷消耗量；铷灯寿命

0 引言

传统的光抽运汽泡式铷原子钟具有体积小、质量轻、功耗低、短期稳定性好等优势，被广泛应用于时间同步和通信等领域，特别是用于卫星的导航定位。铷光谱灯（铷灯）由射频激励电路、铷灯泡和控温灯腔组成，为铷原子超精细能级跃迁提供稳定的抽运光，是光抽运铷原子钟的关键部件之一。通常，铷灯泡内充入适量的金属铷和一定压力的起辉气体。在射频电场的激励下灯泡内的缓冲气体分子发生电离，通过碰撞将能量传递给铷原子，使铷原子处于激发态，再由激发态自发跃迁到基态发光。由于铷灯的预期使用寿命较长（大于10 a），无法在较短时间内通过直接测量获得光谱灯的寿命数据。GPS在轨遥测数据以及其他实验数据证明，铷灯失效的主要原因是金属铷原子的损耗[1]。铷灯中金属铷原子的损耗通常可表现在两个方面：一是铷原子与灯泡内杂质的化学反应，二是金属铷原子向玻璃泡壁的物理扩散。这两种相互作用在铷灯的使用寿命期内长期存在，是决定铷灯使用寿命的主要原因[2]。铷原子钟作为二级频标与氢钟和铯钟相比，存在长期稳定性差的缺点，其主要原因是光频移。光频移是由交流电场的二级斯塔克效应引起的频率随光电场的波动而变化。产生光电场波动的原因是光谱灯的光强随外界环境的变化或随时间的长期衰减[3]。光强波动和光谱线型变化引起的光频移机理非常复杂，尚无明确的物理模型可以解释，只能用唯象的方法处理。

大量的实验研究表明，铷灯的光强波动（稳定度）和老化漂移（漂移率）是决定铷原子钟频率稳定度的主要因素之一。以铷钟物理部分的光频移系数1×10-12/%计算（光强每变化1%，频率变化为1× 10-12/d），要达到1×10-14/d的天稳定度和1×10-14/d的天漂移率，光强的天稳定度和天漂移率要优于1 ×10-3/d。为了得到老化漂移率低、光强稳定的铷光谱灯，铷灯真空制备完成后需要长期点灯和老化筛选。通过监测灯激励电压、灯工作电流和光检测电压等工作参数，判断老化过程中光强天稳定度和天漂移率是否满足光谱灯筛选的技术要求。同时，需要考核铷灯长期工作的可靠性，剔除早期失效、光强稳定度较差和铷量消耗异常的铷灯[4]。当然也不能为了满足铷灯的长期使用寿命而充入过多金属铷。因为铷量过多，工作时呈液态的金属铷在灯泡内表面的分布因重力或振动冲击会发生变化，从而影响铷灯输出光强的稳定性[5]。所以为了对铷灯使用寿命期内的铷量消耗进行预测，在铷灯老化过程中，需要定期测量铷灯的铷量消耗，得到在特定工作条件下铷量消耗模型的各项参数，并以此作为铷灯充制时铷量控制和老化筛选的判据。在早期GPS铷原子钟的研制过程中已经对铷光谱灯的可靠性做了充分研究，得到如下铷量消耗的经验公式[1]：

式（1）中，A是金属铷原子与杂质发生化学反应的铷消耗量；B是铷原子在铷灯泡玻璃内表面的扩散系数，取决于具体的铷灯工作条件，反映了长期的物理扩散过程。式（1）中等号右边第1项是个小量，随时间的变化逐渐趋于饱和，铷量消耗主要由等号右边第2项决定，在铷灯使用寿命期内始终存在。本文通过对6个铷光谱灯长期点灯老化的实验研究，开展了8 a铷消耗量跟踪测量。依据式（1），对铷量消耗数据拟合得到了一种肖特耐碱金属玻璃铷光谱灯的铷消耗模型，并预测了铷光谱灯的使用寿命。

1 测量原理及实验方法

1.1 铷量测量的原理

由于铷灯在真空充制前后的玻璃封接工艺不同，无法用称重的方法无损地测量微克量级的、已封装在灯泡内金属铷的质量。20世纪70年代铷原子钟研制厂家EG&G公司的工作人员提出用量热法，即采用差示扫描量热仪（DSC）对光谱灯的铷量进行测量。测量中，待测样品和参比物以相同的升温速率被加热。当样品发生相变时，仪器可以敏感地检测到两者之间的热流差，从而获得以温度（或时间）为横坐标，以待测样品与参比物间温差为零时所吸收的热量为纵坐标的扫描曲线[6]。由于固体在熔融过程中所吸收的热量与样品质量成正比，如果已知铷的热焓值，用DSC测量样品铷所吸收的热量即可推算其质量。

为了扣除铷灯泡壳的热阻效应对铷量测量的影响，先将两个完全相同的空玻璃泡（玻璃材质、外形尺寸与待测铷灯泡相同）放入炉体内，进行基线修正，然后换成铷灯泡进行样品测试。这样不仅可以扣除玻璃吸热的影响，而且可获得较佳的基线和峰型。作为参比未充铷的空玻璃泡和待测铷量的样品泡在升温过程中，当温度达到铷的熔点38.9℃时，样品铷灯泡中的金属铷吸热熔化，出现吸热峰。该吸热峰面积代表样品铷灯泡中熔化全部金属铷所吸收的热量，通过计算吸热峰的面积并除以金属铷的标准熔解热（25.54 J/g）便可得出铷灯中金属铷的质量。图1是典型的铷光谱灯铷量测量DSC曲线。

图1　典型的铷光谱灯铷量的DSC测量曲线

1.2 实验方法

铷灯泡内铷量的跟踪测量采用德国耐驰（NETZSCH）公司的DSC-204F1差示扫描量热仪，每次测量采用相同的实验条件和数据处理方法。为了保证仪器的测量精度和测试结果的重复性，差示扫描量热仪每年按照检定规程进行检定和仪器校准。每次测试前用标准样品铟（In）单点校准，测量得到的熔融焓与标准值的误差小于±0.5%方可进行测试[7]。对每个铷灯泡分别多次（≥3次）测量，将最大值与最小值的差值除以最小值，得到的相对误差应小于4‰。即对于铷量为1 mg的铷灯泡，铷消耗量在4 μg以上，DSC可分辨。每个铷灯泡多次测量的平均值为最终的铷量。

铷灯的泡壳材料选用德国肖特（Schott8436）耐碱金属玻璃制作，在真空下充入约2 Torr的氪气（纯度≥99.999%）和适量的金属87Rb（纯度≥99.5%）。铷量测量前先将铷灯内弥散分布的铷用风焊枪加热并局部冷却聚集在灯内泡壳某一点上，然后根据灯泡壳外形尺寸放入特制的铝坩埚内。

铷灯老化在恒温的铷光谱灯老化机柜中进行，温度设定25℃。维持灯发光的射频激励电压为15 V（DC），每个灯的功耗限定在2～3 W之间。铷灯老化机柜所带的数据采集处理系统可采集光检测电压和负载电流等灯工作参数，具备实时监测和数据处理功能。自2005年10月以来我们对6个铷光谱灯的铷量消耗进行了跟踪测量，在老化初期每隔10 d左右进行一次铷量测量，2个月后改为每月监测一次铷消耗量。6个铷光谱灯点灯老化和铷量消耗的情况如表1所示。

表1　6个铷光谱灯点灯老化和铷量消耗情况

2 实验结果和数据分析

截止数据整理和统计分析前，6个铷光谱灯已经先后工作了6.5～8 a以上。铷灯的铷量随时间的变化如图2所示，铷的总消耗量从63 μg至142 μg不等，其中包含了老化初期铷与杂质的反应消耗和在玻璃泡壁内长期的扩散消耗。其中编号为051010 s1和051015 s12的铷灯因测量时操作不慎而破损，使得数据提前中断，并非铷灯工作失效所致。

图2　铷灯的铷量随时间的变化

在老化初始阶段铷的消耗以铷和杂质的反应消耗为主，而铷量消耗的经验式（1）是经由物理扩散模型推导得出的[8]，所以按照消耗模型进行数据拟合时，应剔除老化开始最初1 kh的铷量消耗数据。对公式（1）进行适当的数学变换，以为横坐标用最小二乘法的一元线性模型对编号为051015 s12和 051015 s13的铷灯的铷量消耗数据线性拟合的结果如图3所示。在数据拟合前已将最初1 kh的铷量消耗数据扣除，得到的拟合曲线与铷量消耗数据线性相关性较好，符合Fick扩散模型[9]。

图3　编号051015 s12和051015 s13的铷灯的铷量消耗数据与时间的1/2次方线性拟合曲线（数据拟合时已扣除最初1 kh的铷量消耗数据）

表2是选取95%的置信度分别对6个铷灯的铷量消耗数据用最小二乘法线性拟合的结果，其中拟合曲线的截距A反映的是扣除最初1 kh铷量消耗数据后，铷与杂质的反应消耗量，单位为μg；拟合曲线的斜率B反映的是铷消耗率，单位为μg/。R为线性回归系数，反映该组数据拟合的线性度。

表2　按照铷消耗模型拟合得到的各参数项

2.1 铷的反应消耗

由表1和表2可以看到，铷灯在点灯老化的前几百个小时，化学性质活泼的铷与自身所含杂质以及生产过程中引入的杂质的反应消耗较为明显，随后逐渐减少，并趋于饱和。铷与杂质的反应消耗由2部分组成。第1部分以老化初期铷与灯泡内所含杂质的反应消耗为主，与铷的纯度和灯泡制作中引入的杂质含量有关。经过约1 kh点灯老化后消耗约10～35 μg金属铷，且与灯泡内的初始充铷量成比例，反映了在工艺条件制约下铷灯泡制作和铷还原提纯等生产过程中杂质的控制水平[8]；第2部分铷量消耗由铷消耗模型中的拟合参数A决定，随老化时间增加最终趋于饱和。在射频电场和约130℃工作温度的共同作用下，玻璃组分中少量的析出杂质，造成这部分铷长期缓慢的消耗，反应持续时间在1 a以上，消耗约10～25 μg金属铷。以上2部分铷的反应消耗量共计约20～60 μg。灯泡内的各种杂质不仅消耗过多的金属铷，减少光谱灯的使用寿命，而且会增加光噪声，降低铷原子钟的信噪比和短期稳定度[10]。因此，泡坯制作和充制过程中玻璃的洁净度以及铷的纯度对铷光谱灯的性能指标有非常重要的影响。

2.2 铷的扩散消耗

从表2中6个被监测铷灯的拟合参数可知，除了编号051010 s3的铷灯外，其他铷灯的铷消耗率稳定在0.18～0.28μg/之间。以编号051010 s2的铷灯为例，拟合参数随老化时间的变化规律如图4所示。图4中，铷与杂质的反应消耗量A随时间增加逐渐趋于饱和，达到23 μg；以物理扩散为主的铷消耗率B则呈逐年递减的趋势，逐渐趋于稳定，达到0.25μg/。

图4　拟合参数随时间的变化曲线（铷灯编号051010 s2）

对于编号051010 s3的铷灯，其铷消耗率和总的铷消耗量明显多于其他铷灯。究其原因主要有以下几点：1）因铷量较多，与杂质的反应消耗了约50 μg金属铷；2）系统监测数据显示，灯激励电路的工作参数发生变化，使灯的功耗有所增加；3）用放大镜对灯的表面微观检查发现，灯的内表面有少量微小的蓝色斑点，可能由玻璃成分析出造成铷的过多消耗。

2.3 铷光谱灯寿命预测

表3是扣除了老化初期1 kh的铷消耗量实测值与通过拟合参数计算得到的铷消耗量预测值的对照表。比较这2组数据可以发现：实测的铷量消耗较用拟合参数计算所得的铷量消耗预测值普遍偏少，说明应用该模型进行铷消耗量预测是相对保守且可靠的。

依据消耗模型数据拟合得到的参数A和B以及铷灯的预期使用寿命可以预测铷消耗总量。采用最坏情况分析（worst-case analysis），以正常工作条件下铷量消耗最多，编号051010 s2的铷灯的拟合参数计算，10 a使用寿命期的铷消耗量约127 μg。

影响铷消耗量的主要因素是灯的工作温度，这与灯的实际功耗、灯的结构和热设计有关。另外，在制作过程中引入的杂质和灯泡玻璃缺陷也是造成铷量消耗的原因之一。通过控制灯腔温度和射频激励电压，维持射频稳定性，可以保证经仔细筛选和装配调试的铷灯的功耗和工作温度具有较好的一致性。但是，由于灯泡制作工艺和实际工作情况不同以及测量误差，导致6个铷灯的铷量消耗数据具有一定的离散性，但长期铷量消耗符合式（1）描述的铷消耗规律。

表3　减去最初1 kh铷消耗量的实测值与经拟合参数计算所得铷消耗量理论值对照表

3 结语

采用差示扫描量热技术对6个铷光谱灯开展了8 a的铷量消耗跟踪测量。依据铷消耗模型对铷量消耗数据用最小二乘法线性拟合，得到了特定工作条件下铷灯的铷消耗模型的各项参数。由拟合参数A和实测的老化初期1 kh铷消耗量可得，铷与杂质的反应消耗大约在20～60 μg之间；除了编号051010 s3的铷灯外，其它铷灯的铷消耗率在0.18～0.28μg/之间。

以正常工作条件下铷消耗量最多，编号051010 s2的铷灯的拟合参数计算，10 a使用寿命期内总的铷消耗量约127 μg。

减去最初1 kh的铷消耗量后实测的铷消耗量较用拟合参数计算所得的铷消耗量普遍偏少，说明应用该模型进行铷量消耗预测是相对保守且可靠的。

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Aging study and lifetime estimation of rubidium spectrum lamp

FENG Hao，CUI Jing-zhong，ZHAI Hao，YANG Shi-yu
（Lanzhou Space Technology Institute of Physics，Lanzhou 730000，China）

The rubidium spectrum lamp（Rb lamp） is a key component of the Rb gas cell atomic frequency standard，and the most important factor which determines the lifetime of rubidium frequency standards is the loss of metal rubidium in the lamp.For predicting the rubidium consumption in the lifetime of Rb lamp，the rubidium consumption measurements for six Rb lamps have been carried out by using the differential scanning calorimetry technique for 8 years.Based on the empirical formula of rubidium consumption model and the measured rubidium consumption data，the model parameters for a particular type of Rb lamp made of SCHOTT 8436 glass have been obtained with a least-square linear fitting procedure.The results show that the rubidium consumption due to the reaction between the Rb atoms and the impurities within the lamp accounts for 20～60 μg metal rubidium and the rubidium consumption rate is within 0.18～0.28μg/（microgram/per square root of hour）.The total rubidium consumption for the Rb lamp after 10 years of operation has been predicted as～127 μg，resulting from the fitting parameters for the Rb lamp with the maximum loss of Rb in normal working conditions.Comparison with the actual consumption amount in the same time span，the Rb consumption predicted with the consumption model is conservative and reliable.

rubidium frequency standards； rubidium spectrum lamp； rubidium consumption； lifetimeof Rb lamp

TH714

A

1674-0637（2015）01-0001-07

10.13875/j.issn.1674-0637.2015-01-0001-07

2014-03-19

“十二五”新建可靠性增长项目（WB0547820）

冯浩，男，博士，高级工程师，主要从事量子频标的研究。