影响铯束管寿命因素的分析

成大鹏，马寅光，王　骥，陈　江，杨　军

（兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室，兰州 730000）

影响铯束管寿命因素的分析

成大鹏，马寅光，王骥，陈江，杨军

（兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室，兰州 730000）

寿命问题一直是国内小型磁选态铯束管的重要缺陷，随着科技的发展，对铯束管的寿命要求越来越长，目前铯束管寿命问题已成为制约国内铯束管发展的技术瓶颈。通过介绍磁选态铯束管的工作原理及影响铯束管寿命的因素，阐述了铯炉内铯的消耗和倍增器增益随工作时间衰减对铯束管长寿命的影响。

铯原子钟；铯束管；铯炉；倍增器；寿命

0　引言

铯原子钟以其优异的长期稳定性和频率漂移率在原子频标中有着不可替代的重要作用，在军事和空间技术上的作用是非常巨大的［1-2］。目前小型磁选态铯原子钟的研制技术掌握在少数几个国家手中，对我国只开放了一些低端产品，而对军事和空间领域需要的高端产品，则实行严格禁运，因此，必须走自主研发、自主研制的道路。

我国从上世纪60年代就开始了相关的研制工作，并有多家单位参与，取得了一定的成果，但在寿命方面一直是国内小型磁选态铯原子钟的短板，是阻碍国内铯原子钟付诸工程实用的主要原因［3］。小型磁选态铯原子钟由频标电路和铯束管两部分组成，其中铯束管是铯原子钟的核心部件，在很大程度上决定了铯原子钟的技术指标和使用寿命。

1　铯束管工作原理

铯束管是最复杂的真空器件，其工作真空度优于5×10-5Pa。在高真空环境下，铯原子从铯炉准直器喷出，进入选态磁铁A，选出，态和，态，其中m=0，±l，±2，±3在微波腔中跃迁后，进入选态磁铁B，选出，态的原子作为信号原子，未被A、B磁铁选中的其他态的铯原子被石墨块吸收。铯束管的工作原理如图1所示。

2　影响铯束管寿命的原因分析

铯束管内许多的物理过程会影响铯束管寿命，如铯束管内部的真空度维持、倍增器增益衰减、吸铯剂吸铯能力、铯炉的储铯量等［4］。其中内部的真空度维持、吸铯剂吸铯等问题随着结构和工艺的改进目前对寿命的影响甚微，从铯束管的工作原理和试验情况来看，目前影响国内铯束管寿命的主要问题是：

（1）铯炉。在加热条件下，铯连续不断的从多孔准直器喷出，加热温度越高铯消耗越快，当存储的铯消耗尽，则预示铯束管寿命结束；

（2）倍增器。倍增器增益会随工作时间下降，其增益衰减的快慢在很大程度上影响了铯束管的寿命。

图1　铯束管工作原理图

3　铯炉对寿命的影响

铯炉的设计在铯束管中非常重要，由铯炉向各个方向喷出的铯原子总数决定铯束管的寿命，沿轴向前的铯原子束强度决定信噪比，而其余分散的铯原子影响铯束管的背景噪声。

铯原子从铯炉多孔准直器每秒向各个方向扩散出来的总原子数Q为［5］：

式中：n为气室内单位体积中的原子数；vˉ铯原子的平均速率，cm/s；AS是小孔的面积，cm2；P为铯炉内的铯饱和蒸气压，Pa；T为铯原子的温度，K；m为一个铯原子的质量，m=2.22×10-22g；k为玻尔兹曼常数，1.381×10-23J/K。

而在热平衡条件下，铯的饱和蒸气压力P与温度T的关系为［5］：

根据式（1）、（2），铯炉每秒从准直器扩散出来的铯原子数取决于铯炉的加热温度，加热温度越高扩散的铯原子数越多。

以目前国内研制的铯束管内铯炉为例说明铯炉对铯束管寿命的影响，按现有的设计，小孔面积为AS=1.207×10-2cm2，储铯量为4 g。图2给出了铯炉在工作温度95～130℃下的工作年限，当铯炉工作温度95℃时，寿命超过20年，而铯炉工作温度在130℃时，铯炉的工作寿命约为3.6年。

图2　不同工作温度下4 g铯的工作年限曲线图

4　倍增器对寿命的影响

铯束管中采用一种盒栅型的多级分离式打拿极倍增器，打拿极材料采用MgO。工作原理如图3所示，Cs+束轰击在第一打拿极上，次级电子发射导致逐级之间的雪崩放大，在阳极上收集到一个非常大的电子电流，该输出电流用于铯钟的电路控制输入。

图3　倍增器工作原理图

铯束管采用的倍增器在产品的使用过程中已经发现增益随工作时间的增长而衰减，这种衰减影响铯束管的使用寿命。国外对于倍增器增益衰减的影响因素进行了深入探讨，Cutter等［6］通过加速老化试验研究了活性薄膜电子倍增器的老化机理，发现电极表面沉积的碳污染层是减少二次电子发射量、导致增益下降的主要原因。Straka［7］构建了铯束管使用电子倍增器性能测试系统，并对其寿命影响因素进行了深入分析，指出电子倍增器的寿命取决于第一级倍增极的寿命，只有设置合理的倍增极数量及工作电压，才能使其工作寿命达到最长。

在铯原子钟测试过程中，多支倍增器的电压变化趋势进行了监测，图4给出了2种末打拿极输出电流下倍增器测试数据，其中曲线1为末打拿极输出电流为100 nA，曲线2为末打拿极输出电流为40 nA，采用了提高电压的方法对增益进行了调节，但从倍增器工作电压的提升情况可以反映出倍增器增益衰减的快慢程度，即电压上升越快增益衰减越快，电压上升越慢增益衰减越慢。

图4　倍增器测试数据曲线图

从电压上升的趋势来看，而曲线1倍增器电压上升明显较曲线2倍增器速度快，曲线2倍增器电压上升明显变缓。倍增器增益的衰减与入射的离子流大小有关，小的入射离子流可以减缓倍增器增益的衰减。

5　结论

铯炉内铯的消耗和倍增器增益的衰减影响铯束管的寿命。从上述分析可以得出降低铯炉的工作温度，从准直器扩散出来的铯原子数减少，降低铯的消耗，从而提高工作寿命，并且降低温度使铯炉扩散出来的铯原子数减少，可降低倍增器首个打拿极入射铯离子的强度，减缓倍增器增益的衰减。因此，降低铯束管内铯炉的工作温度，可以提高铯束管的工作寿命。

［1］王克廷，陈海军，刘楠.密封小型铯束管的发展与现状［C］// 2005年全国时间频率学术会议组委会编，2005年全国时间频率学术报告会论文集，中国西安：中国科学院国家授时中心，2005.

［2］翟造成，张为群，蔡勇，等.原子钟基本原理与时频测量技术［M］.上海：科学技术文献出版社，2009.

［3］幸小雷，王超，黄凯，等.替代铯钟内电子倍增器技术初探［R］.2011全国时间频率学术会议，2011.

［4］肖冬，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（2）：99-102.

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

［6］Cutter A D.The“aging”mechanism in electron multipliers and operatinglife［C］//The 42thASMS Conference on Mass SpectroscopyandAlliedTopics，1994.

［7］Straka E R.Performance characteristics of cesium beam tube electron multipliers［C］//The 36thAnnual Frequency Control Symposium，1982：230-235.

STUDY OF THE INFLUENCE FACTORS TO CBT’S LIFE-SPAN

CHENG Da-peng，MAYin-guang，WANG Ji，CHEN Jiang，YANG Jun
（Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Institute of Space Technology and Physics，Lanzhou730000，China）

The life-span limitation of Cesium beam tube（CBT）is the most serious shortage in our research.Along with the development of science and technology，there is many requirements to the CBT’s life-span.Nowadays，the lifespan is the fatal problem in the CBT’s research.In this thesis，we introduced the principle of CBT and the influence factors of CBT’s life-span，especially two factors，one is Cs Oven used up metal cesium，the other is the attenuation of the electron multiplier along with the working time increasing.

Cesium atomic clock；Cesium beam tube（CBT）；Cesium oven；electron multiplier；life-span

TH714.1+4

A

1006-7086（2015）01-0048-03

10.3969/j.issn.1006-7086.2015.01.011

2014-10-23

国家自然科学基金资助项目（51304100，61471183）

成大鹏（1980-），男，湖南省人，工程师，主要从事铯原子频标技术研究。E-mail：26089636@qq.com。