铷钟光谱灯热结构设计

汤超，黄剑龙，秦蕾，金鑫，盛荣武，余钫

（中国科学院武汉物理与数学研究所，武汉 430071）

铷钟光谱灯热结构设计

汤超，黄剑龙，秦蕾，金鑫，盛荣武，余钫

（中国科学院武汉物理与数学研究所，武汉 430071）

光谱灯作为铷原子频标物理系统的重要组成部分，其结构设计特别是热结构设计不仅关系到光谱灯工作的稳定性和效率，而且还直接影响其自身的工作模式、光谱轮廓和光强稳定性，从而对整机的频率输出性能产生重要影响。针对原有结构的铷光谱灯所存在的灯温高、激励电路稳定性低、激励功率大以及加热效率低下等问题，结合热仿真和实验结果，重新设计了一款优化热结构的光谱灯。相比原有结构光谱灯，其灯温降低10℃，激励功耗降低50%，加热功耗减小0.55 W，且更加稳定可靠，更适合应用于小型铷原子频标。

铷频标；铷光谱灯；热结构

0 引言

目前，铷原子钟的应用领域非常广泛，在电子、通信、国防、航空航天等领域均具有极大的应用价值和非常广阔的市场，对很多设备的性能指标起着决定性的作用[1]。

铷频标物理系统作为量子鉴频器提供参考频率，是整机的关键部件[2]。物理系统的性能和可靠性决定了铷原子钟整机性能指标和使用寿命。铷原子钟的物理系统由光谱灯和腔泡系统组成。其中光谱灯作为整机的泵浦光源，其工作温度直接影响自身的工作模式、光谱轮廓以及光强稳定性，最终影响整机的输出频率信号性能[3]。另外，光谱灯作为整机中工作温度最高的部件，其热量直接耗散到整机，直接影响整机的热环境。因此，光谱灯结构设计和优化是铷原子频标研制的重要内容[4]。

光谱灯的热源不仅包括加热功率，还包括自身激励功率中元件的直流耗散和射频功率耗散，是一个相当复杂的热耦合体。为了便于解决此复杂的热耦合问题，我们使用一款基于有限体积法的热仿真软件FLOTHERM对光谱灯中的关键点温度进行仿真，并结合实验对关键点温度进行采样验证的方法对整个光谱灯进行热结构分析，针对原有热设计中存在的问题，重新设计了一款优化热结构的光谱灯。优化后的光谱灯热结构更加合理，在光谱灯灯温、功耗和工作稳定性方面均有提升。

1 原有光谱灯设计

1.1 原有光谱灯模型

原有光谱灯的设计是光谱灯激励电路与灯室集成一体化设计。这种设计主要是为了使光谱灯激励电路处于和灯室相同的恒温区以稳定光谱灯的激励电流，从而获得稳定的光强输出[5]。

图1　光谱灯结构图

如图1所示，原有光谱灯具体结构由灯室、灯泡、线圈、PCB板、晶体管和散热底座等几部分组成。模型各部件之间均紧密接触。

1.2 原有光谱灯参数及结果验证

光谱灯供电电源为20 V，激励电流100 mA，总激励功耗为2 W。经计算，其中交流功耗为0.465 W，直流功耗为1.535 W。灯室恒温温度120℃。FLOTHERM仿真估算初始条件为整钟处于20℃环境温度，整钟内部空气温度为50℃。模型网格划分统一采用medium（中等）精度，考虑辐射，进行仿真计算得到光谱灯热分布云图，如图2所示。

图2　光谱灯剖面温度分布云图

在图2中，光谱灯泡区温度最高，为153℃，泡尾底部温度128℃，PCB板温度为121℃。为了验证仿真的正确性，我们分别对光谱灯泡区，泡尾底部和PCB板温度进行了测量。其中，泡区温度测量采用的是胜利仪器的非接触式红外测温仪VICTOR 303B，其测量范围为-20℃～550℃，测量误差为±2℃；泡尾底部和PCB板温度测量采用的是热敏电阻采样。实验测量温度数据与仿真温度数据对比示于表1。

表1　光谱灯仿真温度与实验温度对比

表1结果显示，测温点的仿真温度略高于实验温度，仿真和实验的结果基本吻合。

1.3 原有光谱灯结果分析

从泡区温度的仿真和实验结果来看，光谱灯灯泡泡区温度在150℃左右。一般情况下，铷光谱灯正常发光控温温度为120℃左右[6]，由于光谱灯泡区存在射频激励加热作用，实际的光谱灯泡区温度为140～150℃，这对于光谱灯灯泡内维持一定的铷蒸汽压、发出足够强度的抽运光是有利的。若泡区温度太低，铷蒸汽压会过低，发出的光大部分为起辉气体谱线；而泡区温度太高，会导致光谱灯工作模式发生转变，从而影响发光效率[7]。

从PCB板温度的仿真和实验结果来看，光谱灯PCB板和晶体管所处区域的温度为121℃左右。光谱灯激励电路晶体管和各元件长时间工作于超过120℃的环境中，严重影响了半导体器件的稳定性和寿命。而且过高的工作温度，不仅不利于铷光谱灯激励电路静态工作点的稳定，还会增加电路的直流功耗，对降低光谱灯激励功耗，提高工作效率是不利的。

同时，此光谱灯为集成型，所有器件、电路板和固定螺丝都置于灯室内部，这无形中增加了被加热部分的热容量，影响了光谱灯的加热效率。

光谱灯总激励功耗为2 W，且大部分耗散在光谱灯内部，要想降低此区域温度十分困难。

2 改进光谱灯设计

针对以上光谱灯存在的问题，在重新设计光谱灯时，作出以下调整：

1）针对激励电路温度过高的问题，采取将光谱灯激励电路置于灯室外，使激励电路处于恒温区外，避免长时间工作于较高的恒温温度120℃的环境中。

2）针对光谱灯激励功耗大的问题，采取对激励电路晶体管加金属散热器的方法，以稳定激励电流，并同时改变线圈的绕制方式以提高与灯泡的耦合效率。

3）针对光谱灯加热效率低的问题，采取仅对灯室进行恒温的方式，并缩小灯室体积。

2.1 改进型光谱灯模型

改进型光谱灯结构由灯室、灯泡、线圈、PCB板、晶体管和散热底座等部分组成。各部件均紧密接触。其结构如图3所示。

图3　改进型光谱灯结构图

2.2 改进型光谱灯的参数和结果验证

改进型光谱灯供电电源为10 V，激励电流100 mA，总功耗1 W。其中交流功耗为0.295 W，直流功耗为0.705 W。灯室恒温温度110℃。将光谱灯所处环境温度设定为50℃。模型网格划分统一采用medium（中等）精度，考虑辐射，仿真计算得到光谱灯热分布云图，如图4所示。

图4　改进型光谱灯剖面温度分布云图

从图4可以看出，改进型光谱灯泡区温度149℃，泡尾底部温度119℃，PCB板温度为89.1℃。采用同样的方法，我们对泡面，泡尾和PCB板3个测试点进行测试。实验测量数据与仿真数据对比如表2所示。

表2　光谱灯仿真温度与实验温度对比

从表2可以看出，泡面、泡尾2个测试点的仿真结果与实验结果相近，PCB板的实验温度比仿真温度高4.2%，分析表明可能是由实际情况下PCB板上功率晶体管热结构与仿真模型之间的差异导致的。

2.3 改进型光谱灯结果分析

从改进型光谱灯的温度分布来看，其灯泡处于150℃左右的高温工作区，满足光谱灯工作的泡区温度条件。相较于原光谱灯结构中120℃的PCB板温度，改进型光谱灯PCB板温度为90℃左右，根据器件当环境温度每升高10℃，其失效率增大一倍以上的10℃法则[8]，光谱灯的失效率降低了约8倍，其工作的稳定性大大提高。

改进型光谱灯中晶体管工作温度仅为90℃左右，其激励电路静态工作点降低，同时，由于采取新绕制方法的激励线圈与灯泡耦合加强，整个激励电路交流功耗所占比例提升，仅需要提供1 W的激励功率就能维持光谱灯正常发光。并且，激励功耗的降低也减小了由于光谱灯射频激励功率泄漏带来的对整机电子线路的干扰。

光谱灯的加热功耗方面，在光谱灯与外界热阻一定的前提下，改进后的光谱灯由于灯室尺寸的缩减、被恒温对象的减少以及恒温温度从原来的120℃降低到110℃，根据仿真结果，光谱灯总的加热功耗较原光谱灯减小0.55 W。

3 结语

热结构设计对于铷原子频标光谱灯至关重要，热结构设计不仅影响光谱灯工作稳定性，并且对光谱灯激励功耗和加热功耗也有重要影响。对于像铷原子频标光谱灯这类具有多种热源和结构较为复杂的热偶合体，采用热分析软件辅以合理的热结构模型能得到较为精确和直观的热分布云图，对其热结构的设计和改进起到指导作用，大大提高热设计效率。

[1] WANG Xin-qi, WANG Yu-zhu.Proposal of a new space atomic frequency standard[J].Chin.Phys.Lett., 1999, 16(7): 479-480.

[2] 王义遒, 王庆吉, 董太乾.量子频标原理[M].北京: 科学出版社, 1986: 367-370.

[3] CAMPARO J, MACKAY R.Spectral mode changes in an alkali rf discharge[J].Journal of Applied Physics, 2007, 101 (5): 16, 053303.

[4] BELL W E, BLOOM A L, LYNCH J.Alkali metal vapor spectral lamps[J].The Review of Scientific Instruments, 1961, 3(6): 688.

[5] VANIER J, AUDOIN C.The Quantum Physics of Atomic Frequency Standards[M].Bristol: Adam Hilger, 1989: 1310.

[6] VANIER J, KUNSKI R, PAULIN P, et al.On the light shift in optical pumping of rubidium 87: the techniques of separated and integrated hyperfine filtering[J].Canadian Journal of Physics, 1982, 60(10): 82-188.

[7] CAMPARO J, SEGUNDO El, MACKAY R.A mechanism of rubidium atomic clock degradation: ring-mode to red-mode transition in rf-discharge lamps[J].Frequency Control Symposium, IEEE, 2007: 45-48.

[8] 电子工业部标准化研究所.可靠性工程师热设计指南[S].1985: 30-37.

A design of thermal structure of rubidium spectrum lamp

TANG Chao, HUANG Jian-long, QIN Lei, JIN Xin, SHENG Rong-wu, YU Fang
(Wuhan Institute of Physics and Mathematics, Chinese Academy of Science, Wuhan 430071, China)

The rubidium spectrum lamp is one of the key parts of the rubidium frequency standard.The design of the structure of the rubidium spectrum lamp, especially the design of its thermal structure, have direct impacts on the stability and efficiency of the rubidium spectrum lamp, and directly influence the working mode，spectrum line shape and light stability, so as to greatly influence the performance of the rubidium frequency standards.In this article, based on simulation and experiment results we proposed a new lamp with an optimized thermal structure to avoid the disadvantages of an existing model, such as high lamp-temperature, worse stability of exciting circuit, high exciting power, low heating efficiency, etc.Compared with the original lamp, the lamp temperature, the power consumption and heating efficiency decrease by 10℃, 50%, and 0.55 W respectively for this new rubidium spectrum lamp, and it is more stable and reliable, being more suitable for being used in miniature rubidium frequency standards.

rubidium frequency standard; rubidium spectrum lamp; thermal structure

TM935.11+5

A

1674-0637（2015）01-0008-05

10.13875/j.issn.1674-0637.2015-01-0008-05

2014-03-07

国家自然科学基金资助项目（11304361）

汤超，男，博士，主要从事小型化铷原子频标研究。