铷泡充铷控制工艺工装设备的设计

林小军 高炳天 冯 浩 崔敬忠 杨 璐

(1.兰州工业学院机电工程学院；2. 兰州空间技术物理研究所；3.新疆神火煤电有限公司)

铷泡充铷控制工艺工装设备的设计

林小军1高炳天1冯 浩2崔敬忠2杨 璐3

(1.兰州工业学院机电工程学院；2. 兰州空间技术物理研究所；3.新疆神火煤电有限公司)

介绍了铷泡充制铷量控制工装设备冷却体组件，设备采用了两路冷却循环系统，冷却芯结构用多孔通道冷却方式增大冷却面积，利用位置调节机构调节冷却体装置使铷泡与ZnO介质合理接触，使玻璃集成器储存的铷在铷泡内定量沉积。该工艺工装设备结构紧凑，运行平稳可靠，提高了铷泡产品的合格率。

铷泡充制 铷量控制 位置调节 冷却体

铷是一种银白色稀有碱金属，铷原料价格昂贵[1]。铷泡组件是二代导航星载铷钟物理部分的核心部件，它在激励电路的作用下为物理部分提供稳定的抽运光，该抽运光的特征谱线激发的超精细能级跃迁频率是星载铷钟输出频率源的基准，铷泡内铷量的多少与铷灯输出光强的稳定性有密切关系，因此铷泡充制工艺的主要问题是铷量控制问题[2]。目前铷泡充制时主要采用手工火焰驱赶，铷量控制仅凭充制人员凭经验目测观察，存在较大误差，由于生产过程中铷量不能有效控制，要得到铷量达标的灯泡需要反复充制大量的铷泡，并经过多次筛选，生产周期和劳动强度成倍增加，直接影响星载铷钟生产任务的按期完成。同时，由于铷量偏差较大，铷泡质量难以控制，造成原材料浪费严重，也增加了后续调试、测试的难度[3～6]。有效冷却是铷泡质量控制的关键问题，换热面积的增大可提高冷却效果[7]，冷却装置的结构设计应从材料和过流面积着手[8]。为解决这些问题，在充制过程中实现铷在铷泡内定点均匀沉积，研制铷泡充制过程中的铷量控制工艺设备，为星载原子钟和小型原子钟的产业化提供技术支持。

1 工艺工装设备结构设计

铷泡充制控制工艺工装设备主要由温控烘箱隔热底座、铷泡冷却体组件及位置调节机构等组成，设备结构如图1所示。该装置的技术关键是控制玻璃集成器铷泡与冷却体方槽盛装导热介质ZnO粉末接触，通过自然冷却完成铷量定点收集。

图1 铷泡充制铷量控制工艺工装设备简图

1.1 烘箱隔热箱体

温控烘箱的结构主要由保温箱体和保温盖组成。由于铷泡冷却体组件的管线、密封件及信号线等件不适宜长时间在高温状态下工作，因而充铷冷却体组件必须储藏在箱体内与高温隔离。温控烘箱提供铷泡充制铷量所需的温度，冷却体装置通过烘箱底板装入烘箱。温控烘箱结构如图2所示。温控烘箱要实现两个工艺过程：一是除氧过程，烘箱温度可达到400～500℃；二是铷量充制过程，实现玻璃集成器组件主管路铷源的加热，温度控制范围200～250℃，实现铷泡内铷量的定量收集。

图2 温控烘箱结构简图

1.2 冷却体组件

冷却体组件整体置于烘箱底板保温箱内，主要由外保温罩、冷却芯及绝热层等组成，其结构如图3所示。制冷介质进出水管用隔热高温软管与温度传感器信号线一同从轴孔引出，冷却体组件整体用镀银保温罩罩住。冷却装置用冷水通过传导方式冷却ZnO介质，制冷机供应冷水温度-30～-20℃，通过冷却装置三面开多孔通道流动，使ZnO介质温度在温控烘箱内200～250℃的高温环境冷却到20℃以下，以便使铷泡与介质接触处的产生温度梯度，逐渐将玻璃集成器中饱和铷蒸汽冷凝沉积在铷泡内。

图3 铷泡冷却体组件结构示意图

两个铷泡冷却体分别安装在位置调节机构的小托板上，左右各一，可拆卸进行清洁或更换。铷泡冷却体设计有铷泡可浸入的U形槽，槽内盛装铷泡冷却介质，左右各10个对称排布。每个冷却芯的进出口管路设计为两进两出，进口和出口与制冷机隔热高温软管连接，结构如图4所示。

图4 冷却芯结构示意图

保温罩采用0.5mm厚钢板制作，上表面与冷却芯配合均匀开方孔或条形槽，使铷泡通过外保温罩伸入U形槽与铷泡冷却介质接触；下底面敞开，内外镀高反射银涂层，减少冷却芯的辐射得热。保温罩内径长、宽尺寸比铷泡冷却体实际尺寸加大10mm，留出位置调节机构的空间，罩在微调大板上，将冷却体组件罩住。

铷泡冷却芯外层5面包裹的绝热层厚20mm，开孔上表面包裹的绝热层厚10mm，选耐高温优质绝热材料。

1.3 位置调节机构

冷却体装置位置调节机构主要由左右冷却体、移位小板、移位中板、移位大板及升降轴组成。该装置主要由水平移位机构和竖直移位机构两大块组成。水平移位机构主要包括铷泡充制平台在水平面上的运动(包括左右运动，前后运动以及在水平方向上的旋转运动等)，而竖直位移机构研究的是铷泡充制平台的上下运动，使铷泡充制平台和相应的铷泡轻轻接触。

升降装置实现的功能是将冷却体组件从储藏箱体内升起[9]，使导热介质ZnO粉末与玻璃集成器铷泡的浸入深度保持1～2mm。用伺服电机、减速器与丝杠螺母传动机构组合实现。升降机构主要由升降杆、升降板、丝母/丝杠、光轴/导套、减速器及伺服电机等组成。其功能是准确升降移位大板和升降微调。步进电机驱动减速器和丝杆运动，铷泡升降平台可以通过升降导向机构导引的路径移动。

水平移位机构主要由移位中板、移位大板及丝杠螺母机构等组成。两个铷泡冷却体分别与小板固定，中板与小板用燕尾槽连接，选用丝杠螺母机构，分别通过手动调节冷却芯U形槽相对铷泡正确位置。实现单个冷却体组件通过手动调整丝杠螺母传动机构，实现水平面内的左右、前后位置移位及角度转动，解决铷泡手工制作后不可避免的位置误差和尺寸误差问题。平面运动系统采用了板式滚柱链承载结构，降低了运动摩擦力，使调节更加灵活。

2 结束语

铷泡充制过程中的铷量控制工艺工装设备通过升降机构实现铷泡与冷却体方槽盛装导热介质ZnO粉末的有效接触，利用板式滚柱链制作精密移位机构，实现洳泡充制的对中调节。两个冷却体组件采用了两路冷却循环系统，冷却芯结构用多孔通道冷却方式，增大了冷却面积，冷却体组件冷却效果良好。温控保温箱将充铷装置储藏在箱体内与高温隔离，充铷时将保温箱盖掀去，升起充铷装置，通过现场实验保温性能良好，温控烘箱升温正常，温控250℃恒温下，保持4h，手感保温箱底外表面不发热。该技术为军用小型化铷原子钟和商用铷原子钟的铷泡批量生产提供了技术参考。

[1] 曹冬梅,张雨山,高春娟,等.提铷技术研究进展[J].盐业与化工,2011,40(5):44～47.

[2] 冯浩,崔敬忠, 翟浩,等.铷钟光谱灯老化的实验研究和寿命评估[J]. 时间频率学报, 2015，(1):1～7.

[3] 刘昊, 刘亮明. 铷和铯的应用前景及其制约因素[J]. 南方国土资源, 2015，(11):31～33.

[4] 支红军. 铷及其材料的应用与发展[J]. 新疆有色金属, 2013, 36(1):50～52.

[5] 冯浩, 崔敬忠. 量热技术在铷光谱灯中的应用研究[J]. 宇航计测技术, 2014，(3):22～25.

[6] 单志强, 舒新前, 冯吉福,等. 铷及其化合物制备技术研究进展[J]. 金属功能材料, 2013，20(2)：63～66.

[7] 蒋旭,姜晓霜,厉彦忠.立式三层冷凝蒸发器的研发设计[J]. 化工机械,2014, 41(4):517～519.

[8] 赵虎群, 高学理, 焦光联,等. 混合离子交换器的内部过流装置结构设计[J]. 化工机械, 2013, 40(1):130～131.

[9] 高炳天, 林小军, 权富成. 铷泡充制工装设备移位调节机构的设计[J]. 自动化与仪器仪表, 2012，(5):45～47.

DesignofToolingEquipmentforRubidium-BubbleFillingControl

LIN Xiao-jun1, GAO Bing-tian1, FENG Hao2, CUI Jing-zhong2,YANG Lu3

甘肃省高等学校科研项目(2014A-118)；甘肃省科技支撑计划项目(144GKCA024 )。

林小军(1979-)，副教授，从事制造过程信息技术的研究，316766440@qq.com。

TQ060.3

A

0254-6094(2017)03-0319-04

2016-09-03，

2016-10-08)

(Continued on Page 339)