小型铯束管内防止液态铯溢出炉口的机理研究

杨　军，张涤新，陈　江，王　骥，朱宏伟，马寅光

（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）

小型铯束管内防止液态铯溢出炉口的机理研究

杨军，张涤新，陈江，王骥，朱宏伟，马寅光

（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）

为了提高地面及星载铯原子钟的性能，开展对国外相关铯原子频标中防止液态铯溢出热炉口关键技术的研究。基于国外地面和星载的两种小型磁选态铯束管内铯炉的设计案例，以液体和多孔材料为切入点，结合阻尼器和分离器的功能特性，阐述了多孔材料能有效防止液态铯溢出的物理机理，从流体力学的角度重点分析了影响多孔材料束缚液态铯的物性参数因素，强调了进一步优化防溢铯炉设计的关键点，这对于铯炉能够获得优质的铯原子束流是非常有益的。

液态铯；防溢；多孔材料；气液分离

0　引言

铯原子钟作为一级时间频率标准由于准确度高、长期稳定度优异、可靠性好、基本上没有频率漂移等特点，在全球卫星导航系统、精密测量以及基础科学研究等方面具有广泛的应用［1］。铯束管是铯原子钟的物理部分，主要由铯炉、磁偏转系统、相互作用系统及探测器等部件组成。其中，相互作用系统由较弱的恒定磁场和微波谐振腔组成。微波谐振腔的作用是贮存辐射场，并在其中进行场与原子相互作用。铯炉的作用是为微波腔提供优质（原子速率分布较窄、发散角较小和单相）的铯原子束流。可见铯炉性能的好坏直接影响着铯钟指标的优劣。在这方面，铯炉的防溢［2］（阻液通气）功能为其提供了具有可靠性的保障。

然而，在国内外的文献中，对于铯炉防溢功能的报道只是作为文章的非核心部分而被简单提及。截止目前，与其相关的理论、实验及模拟研究的报道很少，这与小型化铯原子钟的研制特点（比如，目前只有美国和俄罗斯已经成功研制出可用于星载的小型化铯原子钟［3］）和铯炉防溢功能的特点（比如，防溢功能的启动和发挥严重依赖于外场的扰动情况，而这种扰动的复现频率很低，且具有随机、不可预测性）密切相关。因而，对于多孔材料物性参数的选取十分模糊，没有一定的理论依据可供用于可防溢铯炉的设计。

为了适应我国发展高性能、小型化地面及星载铯原子钟的需求，因此有必要对国外相关铯原子频标中防止液态铯溢出热炉口的关键技术展开研究。这既是保证铯原子钟能够正常工作的基本条件，同时也是一项提高铯束频率指标的有效措施。通过填补目前我国在防铯溢出关键技术方面研究的空白，这对于发展空间微重力环境下的星载铯原子钟有着重要的意义。

1　铯炉结构及其功能

图1给出了国外地面及星载小型磁选态铯原子钟中铯炉结构的示意图，两种炉体的设计并无明显的区别。根据气体动力学原理和流体力学原理，铯炉主要由四部分设计而成，包括铯储存泡、铯防溢通道、饱和铯蒸气平衡室和准直器。铯泡与准直器之间由迷宫通道连接，且通道内填充有多孔材料，地面为金属丝网，星载为泡沫金属。准直器焊在前炉体口处，并暴露在铯束管的高真空部分中。炉体内外存在的压强差保证了具有工作热动能的铯原子不断地沿轴线方向前进，从而到达微波谐振腔。

图1　小型磁选态铯原子钟中铯炉结构的示意图

根据上述四部分的特点，可将铯炉的功能总结为三点：一是通过加热铯储存泡，使泡内的铯液体受热蒸发形成铯蒸气；二是借助多孔准直器的准直功能，形成具有较小发散角的铯原子，以提高铯原子的有效利用率；三是防止液态铯溢出的功能，主要依靠迷宫结构化的零部件（如多孔材料）、饱和铯蒸气平衡室等来确保获得的铯蒸气首先是足够干燥的。可见，后两者是为提高前者中产生的铯蒸气的优质性而采取的一些有效措施，因而铯炉的功能及其工作性能对铯原子钟而言有着特殊的地位。在铯炉中铯流体通道设计合理的情况下，此时防止液态铯溢出功能的发挥，并非是时刻启动的，依赖于外场扰动情况的发生与否。而对于铯炉中准直器，铯蒸气与其相互作用，联系密切。可见，一般情况下准直器的特性（如要求在规定的温度下，有足够强度的准直束流、小的发散角、铯原子与壁面的相互作用较弱）较大程度上代表着铯炉的工作性能，进而影响着铯原子钟的各项指标特性。

2　防铯溢出策略分析

理论上，铯泡中铯的用量是根据铯原子钟的设计寿命来确定的［4］，但实际上，铯原子钟在工作中可能会受到外场（力、热、电、磁等）扰动的影响。当这种扰动达到一定量级时，铯泡中的液态金属铯的液面会由于失稳而形成液态铯的团块。一旦有液态金属铯溢出，必定会缩短铯原子钟的设计寿命，而这种缩短并非仅仅是由于可用铯量的减少而造成的，还可能有发生二次灾害（如污染、腐蚀等）的风险。与地面相比，空间微重力环境更易产生各种各样的扰动，这也是星载铯原子钟强调防铯溢出技术重要性的原因之一［5-6］。需指出这种外场主要是相对于金属铯而言的。

如前所述，一旦有液态铯溢出铯炉准直器口，则铯源可能来自于流出储箱的液态铯或由于铯蒸气在流动过程中因液化形成的液态铯。此时，单相（气态铯）流变为两相（液态铯和气态铯）流过程，同时铯蒸气成为湿气。根据质量的不同，如果将液态铯团块分为液流和液滴，那么铯炉防溢设计的对象既包含铯液流，也包括铯液滴，同时防溢过程既包括防止液流或液滴的形成，也包含对已形成的液体进行有效的拦截、回收或转化等。

液态金属铯的防溢技术是保证铯原子钟正常工作的基础保障技术。防溢的关键在于增强该液体在外场影响下的稳定性，避免金属铯的液流或液滴的形成。其本质在于阻止外部能量输入液体内部，同时将已输入液体内部的外部能量完全转化为除液体动能以外其他形式能量（如内能）的过程。现实就是要避免有金属铯的液流或液滴以动量（即动能）的形式溢出铯泡/炉口，出现在不宜出现的地方。如图2所示为防液态铯溢出技术策略分析图。

图2　防液态铯溢出技术策略分析图

目前，微重力环境下液体的存储及防溢设计主要有两种技术途径：一是优化其储箱的宏观结构设计；二是在储箱中引入微观多孔介质材料。其中，被引入的多孔介质可扮演两种角色，一种是主动束缚型，即液态金属完全被填充到多孔介质当中，形成含液多孔介质；而另一种是被动束缚型，即多孔介质被放置在金属气体的出口端，形成含气多孔介质。一般采用多元组合、多级联合的防溢设计策略能够更有效的阻止液态金属在外场干扰环境下形成孤立液滴，甚至洪流等现象的出现，可避免造成元器件的失效。现今，含多孔介质的液态金属储箱或蒸发器（如液态金属离子源、分子束源）已在场发射电推进（FEEP），碱性金属热电转换器（AMTEC），碱性金属热管（AMHP）等元器件上得到广泛应用［7-9］。不仅起到黏附防溢的作用，而且具有稳流，可循环再利用功能，极大的提高了元器件的可靠性及在轨运行寿命。图3中给出了目前在液体储箱防晃设计方面一些常用的有效策略。

目前，在铯频标中防止液态铯溢出方面，为了增强铯泡对外场抗干扰能力，可通过采取优化铯炉结构、加固方法等方面的措施来实现。其次，一旦有溢出情况发生，就要在液态铯到达敏感部件之前采取可行的方法，进行有效的阻栏和完全吸收，比如金属丝网和石墨块［10］。迷宫式结构在这方面表现出了优异的特性，这主要得益于多孔材料的一些优异的材料及流体力学特性，如吸波隔振、气液分离等特性。利用这些特性，发展了一些如可减振的阻尼器、可干燥的除雾器等产品并在空间科学技术领域得到广泛的应用［11-12］。图4为多孔材料与液态金属防溢设计策略原理图。

图3　液体储箱防晃设计策略原理图

图4　多孔材料与液态金属防溢设计策略原理图

3　多孔材料与防铯溢出机理探讨

3.1液流的阻拦

从图1中可以看出，地面和星载两种铯炉之间至少存在着三个共同点：其一是铯泡被放置在铯炉体中，且被整体加热；其二是铯泡口与铯炉准直器口方向不同，即增加了铯流体流动的路程；还有就是铯泡周围填充有大量的多孔材料。图5（a）给出铯泡安装情况的简图。当铯原子钟受到外界环境（如晃动）的影响时，如果有液态铯从铯泡口流入到铯炉体内，金属铯液流很难流出铯炉口，主要原因在于：首先，如图5（b）所示，当铯炉被翻转180°后，溢出铯泡的铯流会保持在炉底部，相对大体积的铯炉腔室而言，小体积的铯液很难漫过炉口；其次，在低流速下，铯流体在多孔介质中的流动服从Darcy定律［13］：

式中：ΔP为流体压差；ΔL为流动路径长度；μ为流体粘度；u为液体流速；K为多孔材料渗透率。可见，当流体压差ΔP一定时，流动路径长度ΔL越长，多孔材料渗透率K越小，对应液体的流速u越小。这说明铯泡外低渗透率和非亲铯［14］的多孔介质能够有效地阻止液体的流动，从而避免液体溢出铯炉口。

值得注意，一旦有液流形成时可能暗含着铯原子钟受到外场极大的影响，此时防止液态铯溢出铯炉口并不见得很有意义。如前所述，多孔介质本身具有的吸波隔振特性，能够在一定程度上降低外界环境干扰，进而避免有铯液流出现在炉体腔室中。

图5　铯泡安置与重力方向的关系示意图

3.2液滴的捕集

一般而言，两种过程中可形成铯液滴：一种是金属铯液流在碰撞冲击壁面的过程中；另一种则是铯蒸气在通道中流动时被液化的过程中。当然，在其他过程中也可形成液滴，如液滴碰撞壁面或液面等。当碰撞或液化形成的铯液滴随着铯蒸气在迷宫通道中流动时，由于受到迷宫通道以及通道中填充的多孔介质（如金属丝网、泡沫金属等）的拦截、捕集等作用的影响，可在一定程度上依靠气液分离机制，将铯液滴从铯蒸气流中有效的分离出来。在这种情况下，炉体内的多孔材料和迷宫通道相当于气液分离器。对丝网分离器［15］而言，当含液滴气体通过密集的丝网，受到惯性碰撞、截留、布朗扩散、重力沉降、加热蒸发和气体吸收作用时，微小雾粒捕集到丝网表面上。通过回收或蒸发液体，最终实现气液分离的过程。

研究表明［15］，分离器的分离效率与液滴碰撞金属丝网纤维壁面的过程密不可分。惯性碰撞条件下，单丝网捕集液滴的效率h与斯托克斯数St有关，即：

而斯托克斯数St被定义为：

式中：ρ为液体密度；d为液滴直径；V为液滴速度；D为丝网直径。对于多层丝网，其捕集效率hn可写成：

式中：ae为丝网分离器的比表面积；n为丝网层数；Z为相邻两丝网层间距。这表明当铯泡外的多孔材料采用相对较薄且多层的金属丝网时，对铯液滴的有效阻拦截留作用更明显。

同时，由于通道温度与炉体温度保持一致，所以捕集的液滴很容易被气化成铯蒸气。当然通过可循环化的铯炉设计，还可将捕集的铯液再次回收到储箱中。此外，也可利用对铯具有抗浸润性的特殊材料，如二甲基二氯硅烷等来修饰准直器表面，其所形成的干膜涂层材料不仅能够防止铯液堵塞准直器孔，也可以减弱铯原子与准直器之间的相互作用，避免了有效铯原子数量的降低和准直器孔道的破坏，从整体上保证并提高铯炉的工作性能［16］。

虽然液态铯溢出铯泡或铯炉口的发生概率很小，但其重要性仍然不能被忽视。客观上，在防止液态铯溢出的研究中，铯液滴相较于铯液流而言，更具有现实意义。这是因为：第一，铯液滴比铯液流流出炉口的概率更大，对铯蒸气的干湿程度影响较大；第二，表征铯液滴的各项参数（如：粒径分布、运动速度等）对防溢铯炉的设计有着至关重要的影响，尤其在确定填充于铯炉中的多孔介质特性参数方面；第三，铯炉中的迷宫通道设计与多孔材料特性息息相关；第四，铯液滴对准直器的堵塞、刻蚀作用，直接影响着铯蒸气束流的准直效果；第五，铯炉口处的石墨块吸铯剂也为多孔介质材料。

3.3防铯溢出工作机制

迷宫结构是多孔介质典型的几何结构特征。铯炉中的迷宫通道的引入正是借鉴了多孔介质的特点。对已经溢流出铯泡口的液态铯而言，这种通道设计能够大大延长液体与壁面间的相互作用时间，极有利于控制液体的状态，如：通过相变蒸发，将液态铯转化为气态铯。同时，孔道中填入的多孔介质，不仅能够在一定程度上避免外场扰动使液体溢出铯泡口的情况发生，而且能够对已经溢出铯泡口的液体进行更有效的控制。简而言之，多孔介质与防溢铯炉设计相关性的如图6和图7所示。铯炉中的多孔介质通过吸波隔振、相变分离过程，能够有效的实现阻液通气的功能，为铯束频标提供优质的铯蒸气。相对提高的铯原子利用率，不但保证了铯原子的设计及工作寿命，而且有利于整钟性能指标的提升。

图6　多孔材料与优质铯蒸气的关系图示

图7　多孔材料实现防铯溢出的工作机制图示

从图7可以看出，当多孔介质扮演阻尼器的角色时，这是防止液态铯溢出铯炉口的一级预防措施。要实现这一点，从结构材料力学的角度看，就需要选择吸波隔振性能极好的多孔材料。紧接着，如果一级预防措施未被有效执行时，则多孔介质将扮演分离器的角色，表示这是防止液态铯溢出铯炉口的二级应急方案。要实现这一点，从流体力学的角度看，就需要选择气液分离性能极好的多孔材料。从液态铯和气态铯角度看，阻尼特性完全是针对液态铯而言的，而分离特性不仅针对液态铯，而且更加强调对气态铯的影响，如压降效应。值得注意的是，这两方面并非是彼此独立的，而是存在耦合作用，选材设计时也需要考虑这一点。

4　结论

防铯溢出技术是研制小型化、高性能铯原子钟的关键技术之一，尤其对于星载原子钟技术而言，其地位尤为突出。防铯溢出技术不但涉及对液态铯的储存技术，而且包括对气态铯的干燥技术。

在储存技术方面，必需重视对结构体抗振动功能的设计，以确保液态铯的稳定性，为此：

（1）从小铯泡到铯原子整机，由小到大，自内向外的抗振动设计，如：零部件的加固，结构的优化等；

（2）在铯泡加固方面，可采用吸波隔振作用效果好的多孔材料，如：金属丝网、泡沫金属等。

在干燥技术方面，必须重视对铯流体阻液通气功能的设计，以确保气态铯的优质性，为此：

（1）铯流体通道采用弯曲迷宫结构，通过延长流动路径，加大对液态铯的流阻，可对其进行有效的状态控制，如：截留后既可使其相变蒸发，也可通过回流再利用；

（2）迷宫通道中引入阻液通气能力强的多孔材料，如：金属丝网，泡沫金属等，借助气液分离机制，实现对气态铯的干燥。

多孔材料在防止液态铯溢出中扮演者重要的角色，这有利于为铯原子频标提供优质的铯原子束流，在一定程度上促进了铯频标性能的提高。

［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］王克廷，陈海军，韩如春，等.卫星导航用铯原子束频标和小密封铯束管［C］//卫星导航星载原子钟与同步技术，香山科学会议，2002：131-140.

［3］陈江，王骥，朱宏伟，等.高性性能小型磁选态铯原子钟研制进展［C］//全国时间频率学术会议，2011：78-80.

［4］成大鹏，马寅光，王骥，等.影响铯束管寿命因素分析［J］.真空与低温，2015，21（1）：48-50.

［5］Drullinger R E，Glaze D J，Sullivan D B.A recirculating oven foratomicbeamfrequencystandards［C］//The 39thAnnualSym⁃posiumonFrequencyControl.1985：13-17.

［6］Klipstein W.Spill-resistant alkali-metal-vapor dispenser［R］. NASAReports，2013，NPO-40481.

［7］Costes A，Landrault C，Briot M.Power conditioning and con⁃trol unit for the French cesium contact ion thruster［J］.Journal ofSpacecraftandRockets，1974，11（11）：759-763.

［8］张宝岭.AMTEC多级毛细泵数值模拟研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2010.

［9］FoxCD.Radialdistributionofabsorptioninacesiumheatpipe withaxiallaserheating［R］.Airforceinstoftechwright-patter⁃son afb oh graduate school of engineering and management，2011.

［10］马寅光，成大鹏，陈江，等.石墨对金属铯的吸附性能实验研究［J］.稀有金属与硬质合金，2012，40（5）：63-65.

［11］潘坚，雷冶大.阻尼减振技术在航天领域中的实践［J］.宇航材料工艺，1991（4）：87-90.

［12］刘乐柱，张天平.空间气液分离技术及其应用［J］.真空与低温，2013，16（1）：6-11.

［13］NabovatiA，LlewellinEW，SousaACM.Ageneralmodelfor the permeability of fibrous porous media based on fluid flow simulations using the lattice Boltzmann method［J］.Compos⁃ites Part A：Applied Science and Manufacturing，2009，40（6）：860-869.

［14］杨军，陈江，王骥，等.液态金属在非均匀多孔介质表面的润湿行为研究［J］.真空与低温，2014，20（6）：348-351.

［15］李凯阳.丝网分离器分离性能的数值研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2011.

［16］Oven source for atomic beam tubes having a non-wettably coated gas passageway between the reservoir and the beam：U.S.Patent3，450，876［P］.1969-6-17.

MECHANISM DISCUSSION ON PREVENTING LIQUID CESIUM TO SPILL FROM THE ORIFICE OF AN OVEN INSIDE SMALL CBT

YANG Jun，ZHANG Di-xin，CHEN Jiang，WANG Ji，ZHU Hong-wei，MAYin-guang
（Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Institute of Physics，Lanzhou730000，China）

For the domestic development of cesium atom clock with high performance and small volume，it is essential to study on the oversea technology of preventing liquid cesium to spill from the orifice of an oven inside a small cesium beam tube（CBT）.In this paper，based on the overseas cesium-ovens of ground and spaceborne CBTs，the authors clarified clearly the physical mechanism on how porous material could avoid liquid cesium to spill in a CBT by considering the especial roles of porous material and liquid in damper and separator，respectively.Furthermore，physical parameters of porous material were analyzed simply with a method of fluid dynamics.The key items of process design for spill-resistant oven were emphasized.All results are beneficial for yield of cesium beam with high quality.

liquid cesium；spill-resistant；porous material；Gas-liquid separation

R852.82

A

1006-7086（2015）06-0320-06

10.3969/j.issn.1006-7086.2015.06.003

2015-08-20

国家自然科学基金资助项目（61471183，11204116）；国家青年科学基金资助项目（51304100）

杨军（1986-），男，甘肃天水人，博士研究生，主要从事量子频标技术研究。Email：yangjun258168@163.com。