汞离子微波频标汞光谱灯设计

王暖让 陈 星 赵 环 葛 军

(北京无线电计量测试研究所，计量与校准技术重点实验室，北京100039)

1 引 言

离子微波频标对中国军事武器装备的研制具有重要意义。近年来，氢钟、铷钟和铯钟等传统原子频标已广泛应用于科学实验、国家/国防守时授时、深空探测和北斗卫星导航系统等领域[1-4]。随着星载空间环境下对高精度长寿命守时、战场环境下武器装备移动高可靠守时等对原子频标的新需求不断涌现，在氢、铷、铯等传统频率标准之外，发达国家正在开展离子微波频标等新型原子频标的研制和应用工作，未来5～30年内可以预见离子微波频标的地位尤为重要，将成为中长期内军事高精度量子频率标准的研究主体，也是有望应用于时间频率计量校准以及下一代导航定位和空间探测的空间星载和地面的最高时间频率标准。离子微波频标种类较多，汞离子微波频标是唯一能够同时具备高性能指标和体积重量优势的离子微波频标[5-7]，但是研制难度较大，很多关键技术尚未突破，其中最关键的技术就是高稳定、高可靠性、窄线宽光抽运谱灯的设计。高效光抽运谱灯的研制是实现高性能、高可靠和小型化汞离子微波频标的必要条件，并且可大大提高汞离子微波频标的寿命，有效降低使用成本。

2 汞光谱灯理论分析

汞离子微波频标的工作物质为199Hg+，其能级示意图如图1(a)所示。202Hg+能级示意图如图1(b)所示，其具有波长194.2nm的D1谱线[8]，其波长与199Hg+的2S1/2态的超精细能级F=1和激发态2P1/2的初始态之间的跃迁频率波长比较接近，可用来进行光抽运，抽空199Hg+基态超精细结构F=1态上的离子。然后离子通过自发辐射从激发态回到2S1/2态，再通过抽运光进行抽运，最终完成态的制备，此时绝大部分离子在2S1/2的F=0态。再通过喇叭天线施加40.5GHz微波场，离子即会发生微波共振，利用外加的微波场使离子由F=0态跃迁到F=1态，则F=1态离子数量增多，通过收集此过程的荧光数量，即可得到跃迁谱线。

202Hg+汞灯能够作为199Hg+抽运的光源，取代深紫外激光器，因为深紫外激光器研究难度巨大，体积也很庞大，这也是199Hg+频标能够进行小型化的的原因之一。但增强汞灯的光强、提高谱线的稳定度是亟需解决的关键技术。

在低压高频等离子体中，引起光谱线增宽的主要是多普勒效应，与原子温度有关。因此，原子的速度满足麦克斯韦分布，谱线形状为高斯型。

(1)

(2)

式中：ΔνG——高斯的半峰宽；ν——频率；ν0——中心频率；T——辐射原子的温度；μ——质量数。

当T=333K，μ=199，波长为λ=194.2nm的多普勒宽度为

ΔνG=1.67GHz

且

由自然加宽Δνnat，共振加宽Δνres和周围粒子的相互作用引起的增宽Δνint都可以用洛仑兹函数表示

(3)

其中，

ΔνL=Δνnat+Δνres+Δνint

(4)

汞离子谱线194.2nm的洛仑兹宽度大约为0.002cm-1。根据1/δ=Δν/c，洛仑兹宽度为

Δν=3×108×0.2Hz=0.06GHz

所有进程都会产生高斯和洛仑兹型增宽。因此，同时考虑这两种增宽，可由Voigt函数表示

(5)

其中，

(6)

(7)

(8)

通过理论分析，可以发现所需194.2nm谱线线宽主要受限于汞离子与其他粒子之间的相互作用，要达到理想的指标，需要控制发光泡内的残余气体，即发光泡内的真空度需要达到E-6Pa量级，并且充入的起辉气体的量要适中(可通过实验确定)。在此基础上通过实验进行其它参数的优化，即可得到满足使用需求的汞灯。

3 汞光谱灯实验研究

汞灯由汞蒸汽泡和高频激励源组成。汞蒸汽泡中起辉气体成份和压强直接影响汞灯的所需谱线的强度、稳定性和寿命等性能指标，可通过优化设计并通过反复实验来确定灯泡的配气比以得到满足需求的汞蒸汽泡。汞蒸汽泡是无极灯发光的核心部分，辐射谱线的性质很大程度上由其决定，尤其受到充汞和氩气量的影响。汞泡的设计主要包括如下四个方面。

1)发光泡材料选择：由于汞离子光谱灯的特殊要求，因此所用材料不能使用普通玻璃，必须选择石英材料，并且发光端面为平面，需采用JGS1材料，对194.2nm光的透过率在90%以上。在此基础上可尝试使用蓝宝石材料，此材料纯度较高，不易与汞发生反应，但是其介电系数较大，损耗会稍大；

2)发光泡形状设计：发光泡照片如图2所示，由于汞灯离子谱线激发需要功率较大，并且发光泡内的汞处于液体状态，因此需要设计发光泡冷端并进行温控，使汞稳定在冷端，以免影响光强。因此，设计了如图2(b)的发光泡，该形状更适合用于汞灯，其中内径为8mm，长度为20mm。其中，难点之一是发光泡与冷端的连接处需要控制在1mm以内，难点之二是JGS1与普通石英的连接；

图2 发光泡实物图Fig.2 The picture of bulb

3)发光泡充制工艺流程设计：基于当前的充泡工艺，需要重新设计工艺流程，流程如下。

第一步：清洗发光泡。具体包括：10%左右氢氟酸容易浸泡外壳10min左右；蒸馏水稀释清洗5次；氨水中和冲洗；蒸馏水冲洗；超声波清洗半小时左右；蒸馏水清洗；

第二步：清除发光泡内其它杂质气体。具体如下：利用真空泵组对泡进行除气，使泡内真空度达到5E-6Pa左右；利用烤箱/加热带加热烘烤，烘烤时间24h左右，烘烤温度400℃左右；

第三步：充入缓冲气体。通过调节微漏阀，向泡里充入氩气，利用压力规检测充入气体的压强；

第四步：注入汞。充入缓冲气体后，关闭阀门，将发光泡和装汞的玻璃管一起切下，将玻璃管里的汞通过玻璃管缓慢倒入泡里，然后将玻璃管切下去，将泡密封，完成制泡；

4)发光泡内配气比设计：汞原子谱线(254nm)和离子谱线(194nm)辐射强度随着氩气压的变化，参数为输入功率15W，管径尺寸8mm，如图3所示。

图3 输入功率为15W，194nm和254nm谱线强度(相对值)Fig.3 The light power of 194nm and 254nmchanges with argon pressure

通过调整电压、电流值，改变输入的功率，得到194.2nm谱线的强度，如图4所示。经测试，在输入功率3W时，汞光抽运谱灯开始发光。

图4 不同功率下194.2nm谱线强度曲线图Fig.4 The intensity of 194nm changes with the power of RF circuits

同时，对汞灯进行温度测试，找到汞灯工作的最佳点，其变化图形如图5所示。

图5 不同温度下194nm谱线强度曲线图Fig.5 The intensity of 194nm changes with the bulb temperature

为了验证汞灯的性能，测试了20min曲线，如图6所示，进行了3天不间断测量，经计算其强度稳定度约为±2.5%。

图6 194nm谱线稳定性测量图Fig.6 The power stability of 194nm

设计加工的新型汞灯如图7和图8所示。结构为边长50mm的正方体，经测试，指标稳定，达到使用需求。

图7 新型汞灯结构示意图Fig.7 The sketch map of the new mercury lamp

图8 新型汞灯实物图Fig.8 The picture of the new mercury lamp

4 结束语

高性能、小型化及高环境适应性的汞离子微波频标有许多潜在的应用需求，而其最关键组件——汞光谱灯的研制尤为重要。汞灯的设计需要经过大量的实验，发光泡的研制工艺复杂，所需周期较长；汞灯激励电路需要功率和频率较高，需要大量调试；激励电路与发光泡的耦合也需要反复设计和实验，通过长时间的大量的实验研究，我们已经基本把握了汞灯的关键技术。但是目前仍有几个问题需要解决，一是194nm谱线的精确测量，以完善对汞灯的性能评价；二是汞灯长时间工作后，会对泡壁产生污染，影响汞灯的使用寿命，有待继续进行深入研究，期待尽快取得突破性进展。