激光陀螺吸气剂的测试方法研究

唐 苗，高 川，汪世林

(1.海军驻某院军事代表室，北京 100074； 2.北京自动化控制设备研究所，北京 100074)

0 引言

激光陀螺是一种光电式惯性敏感元件，具有高灵敏度、大动态范围、启动速度快、对加速度不敏感、数字化输出等优势。目前，激光陀螺已经大量应用于航空飞行器、航天飞机、陆用战车导航系统、舰船及潜艇导航系统、无人机、导弹导航制导等领域[1-5]。

激光陀螺作为一种He-Ne激光器，其核心部件环形谐振腔是在一定真空度条件下充入一定比例氦氖混合气体进行工作的。由于腔体材料、封接部位等的微渗漏以及腔内吸附气体的释放等因素，使得腔内气体的纯度在陀螺长时间存储、使用过程中会发生变化出现杂气。为保证激光陀螺全寿命周期内的腔内气体纯度，将吸气剂置于谐振腔内部吸附杂气。若吸气剂出现性能提前衰减，或陀螺所处的温度环境发生变化导致陀螺杂气释放量增加并超过吸气剂的吸气量，会导致杂气积累，将严重影响激光陀螺的性能，甚至导致无信号输出，激光陀螺无法工作至寿命期限。

因此，激光陀螺吸气剂的测试对于激光陀螺的长期稳定性至关重要，当前吸气剂的主要检测方法为定容法、定压法等，主要针对吸气剂的吸气性能进行测试[6-9]，而针对吸气剂在激光陀螺使用环境中的测试，则需要考虑结构强度、激活条件等多方面因素。因此本文主要根据激光陀螺的使用需求，对激光陀螺所使用的吸气剂的结构强度、吸气效能以及激活条件进行研究，提出了一种含振动冲击筛选与质谱检测等手段相结合的综合检测方法，以确保所使用的吸气剂满足激光陀螺的使用需求。

1 激光陀螺吸气剂工作机理研究

在真空设备中，固体材料与气体之间存在着如下相互作用：吸附——固体表面聚集一层或多层气体的现象；吸收——气体扩散渗入固体内部并被溶解的现象;解吸——被材料吸附的气体或蒸气的释放现象。

激光陀螺是真空器件，在其寿命期内的存储与工作过程中，谐振腔内的所有固体器件与气体将会发生以上三种相互作用，因此陀螺谐振腔内的真空状态是动态平衡的：

一方面为杂质气体的增量过程，包括谐振腔的微量渗漏，以及在生产过程中腔内固体吸附的气体随时间的积累而逐渐解吸，此时对于谐振腔内除吸气剂外的所有固体器件，气体的解吸将大于杂质气体的吸附与吸收作用，解吸占主导地位，释放气体；另一方面为杂质气体的减少过程，若谐振腔内部的合金吸气剂正常工作，那么吸气剂对活性气体具有很高的抽气能力，在此过程中吸气剂对活性杂质气体的吸附与吸收作用将远大于解吸的作用，因此谐振腔内部的真空度得以保持。

吸气剂的吸气过程分为：1)表面吸附；2)内部扩散。表面吸附分为物理吸附以及化学吸收。物理吸附是根据产生于分子或原子之间的静电相互作用的范德华力(即分子间作用力)，当气体分子碰撞吸气剂固体表面时，气体分子可能被排斥弹出，也可能被吸附，吸附气体分子的束缚力可以很强，

也可能比较微弱。化学吸收是指谐振腔内产生杂气的活性气体成分与吸气剂的活性组分之间发生化学反应而被吸收的过程。在以上两种吸气的过程中，化学吸附处于主导地位。内部扩散过程：吸气剂表面吸附的气体具有较大的表面迁移率，杂气分子迅速地在吸气剂的表面扩散开来，随着表面扩散的进行，在一定条件下，扩散的杂气分子将进一步向吸气剂的吸气剂合金内部扩散。扩散的形式主要包括：深入金属表面凹陷及损伤部位；浸入晶界之间；扩散至结晶本身的缺陷之中；与金属发生化学反应生成金属化合物；与金属形成固溶体。

2 激光陀螺吸气剂的测试方法研究

通过以上分析得知，吸气剂的性能对激光陀螺的正常工作至关重要，激光陀螺吸气剂的测试原则包括：吸气剂的结构强度测试，不同激活方式下的吸气总量、吸气速率测试。

2.1 激光陀螺吸气剂的结构强度

吸气剂分为蒸散型和非蒸散型两大类[10]。蒸散型吸气剂主要依靠金属蒸散后形成的薄膜进行吸气，以钡、锶、镁、钙及其合金为主，这种材料的缺点是容易蒸散到器件内壁各处，且结构较为松散，如图1所示。非蒸散型吸气剂通常包括钛、锆、铪以及它们的合金，结构强度较高。

激光陀螺对器件的结构强度要求较高。按照某惯导系统的力学条件(如表1、表2所示)对分别安装蒸散型与非蒸散型吸气剂的激光陀螺进行振动冲击试验。在进行陀螺测试时，记录功率信号的变化情况，同时在吸气剂盖板上作标记，通过对比振动前后吸气剂位置，判定其位置是否曾经发生过位置蹿动。

表1 随机振动功能试验条件

表2 冲击试验条件

注：助推器点火冲击2次的时间间隔为试验设备能够达到的最短时间间隔。

试验结果显示：陀螺进行振动冲击试验的过程中，非蒸散型陀螺功率信号未发生明显变化，振动前后吸气剂未发生过位置蹿动；试验完成之后，开盖观察块体吸气剂安装孔的内壁上未见明显划痕，显微镜观测吸气剂表面也没有掉粉末。而蒸散型吸气剂则出现了掉粉现象，因此激光陀螺吸气剂的选型应首选非蒸散型结构强度较高的吸气剂。

2.2 激光陀螺吸气剂的吸气性能

通过原理分析设计实验，对长期放置的未安装吸气剂的激光陀螺内部气体进行检测，长时间放置后的陀螺谐振腔内累积的微量杂质气体导致激光陀螺产生放电抽运效应，导致激光陀螺光强不稳定。在物理机理上，微量杂质气体对激光陀螺光强的影响主要通过以下两种途径：首先是影响增益气体的成分和密度分布，进而影响其放电抽运过程；其次是产生非均匀折射和色散效应。因此经长期存储和使用后累积的微量杂质气体将严重影响激光陀螺的光强稳定性。

对未安装吸气剂且长期放置的陀螺内部气体进行光谱分析，从图2中得出，除了氦、氖工作气体的发光谱线之外，还有明显含量的氢原子发光谱线及其他微量杂质气体谱线，验证了陀螺谐振腔内出现了明显的杂质氢成分，检测结果表明长期放置的激光陀螺内部的主要杂质气体为氢气。氢气是超高真空中的主要残余气体，吸气剂对氢及其同位素的吸收作用一直受到人们的关注[11]。因此，考核吸气剂的吸气能力主要采用吸氢速率以及吸氢量来衡量。

实验检测的激光陀螺选择一种烧结型非蒸散型锆基吸气剂，该吸气剂以氢化法生产的锆粉为原料,按一定比例加入光谱石墨及LaNi5粉末(质量比Zr∶C∶LaNi5= 8∶1∶1) , 在氢气保护下均匀混合后压制成一定形状的吸气剂, 将压制后的吸气剂片经高真空预结, 在950℃的温度下烧结成型。该吸气剂对氢气具有较好的吸气效果[12]，如图3所示，为该型吸气剂在相同激活条件下对氢气以及其他大分子气体的吸气特征曲线。

暴露大气后的吸气剂表面会覆盖着一层H2O、CO2和碳氢化合物，占据了合金表面的吸附位，导致吸气剂丧失吸气能力。因此，吸气剂必须进行高频加热的激活处理[13]，吸气剂实际发挥的有效作用与激活程度有关，吸气剂激活参数包括激活温度和时间。下面对锆基吸气剂(0.6g)进行不同激活条件下的吸气能力检测，测试方法采用动态定压法，测试气体纯度为不低于99.99%[14-15]的氢气，测试结果如表3所示，锆基吸气剂在两种不同的激活条件下的吸气量分别为0.947Pa·L、1.491Pa·L，后者为前者的1.5倍。可见在评估陀螺吸气剂的吸气性能时，必须明确激活条件，并在制定陀螺吸气剂的激活工艺时，首先保证陀螺吸气剂在寿命期内具备一定的吸气余量的同时确保对陀螺的其他器件不会造成热损伤。

表3 吸气剂在不同激活温度条件下吸H2的特征曲线

2.3 激光陀螺吸气剂测试方法的验证试验

为了验证激光陀螺吸气剂测试方法的有效性，对不同状态的陀螺内部的气体质谱检测进行试验验证，将四种状态的激光陀螺进行质谱检测试验，陀螺状态如表4所示，检测结果如表5所示。

表4 实验陀螺状态表

表5 实验陀螺质谱检测数据

陀螺1由于未安装吸气剂，杂气含量高达3.24%，增益介质发生变化；陀螺2吸气剂正常工作验证了在该标准激活条件下，吸气剂在陀螺的长期存储过程中起到了吸收杂气的作用，吸气剂的吸附能力远大于陀螺谐振腔内部器件的气体解吸能力，腔内纯度较高，验证了吸气剂在陀螺中的吸气性能正常发挥；陀螺3与4进行了高温长期烘烤，加速了陀螺内部杂质气体的解吸速率，解吸量相当于寿命期内的杂气总释放量。观测结果显示，陀螺4的工作气体纯度与陀螺2相近，表明吸气剂在寿命期内，吸气剂性能未饱和，陀螺工作正常；陀螺3则出现了杂气积累，证明该低于标准的激活条件不能满足陀螺的规定寿命期内的需求。通过以上分析得出，通过对不同状态的陀螺内部气体质谱检测，可以进一步验证激光陀螺吸气剂的测试方法，能够有效测试某选型吸气剂是否满足激光陀螺的需求。

3 结论

在激光陀螺的使用中，谐振腔工作气体的成分是影响激光陀螺光强稳定性的主要因素。本文基于大量实际试验数据，对比不同结构强度，不同激活条件以及不同状态的陀螺内部气体成分，明确了判断吸气剂是否符合激光陀螺的使用标准。

1)吸气剂机构强度高，通过振动冲击筛选试验对吸气剂的结构强度进行测试，以确保吸气剂的结构强度满足激光陀螺的使用要求；

2)吸气剂吸氢能力强，对吸气剂的吸氢量以及吸氢速率进行检测，确保吸气剂的吸气性能满足陀螺的使用要求，即吸气剂的吸气量应大于陀螺寿命期内的杂气释放量。

3)确保吸气剂的激活条件满足陀螺需求，通过在某激活条件下的吸气剂吸气性能测试以及质谱检测手段共同验证该激活条件是否最佳，以确保吸气剂的吸气性能满足激光陀螺的需求。