楊　軍，張滌新，陳　江，王　驥，朱宏偉，馬寅光

（蘭州空間技術物理研究所 真空技術與物理重點實驗室，蘭州　730000）

小型銫束管內防止液態(tài)銫溢出爐口的機理研究

楊軍，張滌新，陳江，王驥，朱宏偉，馬寅光

（蘭州空間技術物理研究所 真空技術與物理重點實驗室，蘭州730000）

為了提高地面及星載銫原子鐘的性能，開展對國外相關銫原子頻標中防止液態(tài)銫溢出熱爐口關鍵技術的研究?；趪獾孛婧托禽d的兩種小型磁選態(tài)銫束管內銫爐的設計案例，以液體和多孔材料為切入點，結合阻尼器和分離器的功能特性，闡述了多孔材料能有效防止液態(tài)銫溢出的物理機理，從流體力學的角度重點分析了影響多孔材料束縛液態(tài)銫的物性參數(shù)因素，強調了進一步優(yōu)化防溢銫爐設計的關鍵點，這對于銫爐能夠獲得優(yōu)質的銫原子束流是非常有益的。

液態(tài)銫；防溢；多孔材料；氣液分離

0　引言

銫原子鐘作為一級時間頻率標準由于準確度高、長期穩(wěn)定度優(yōu)異、可靠性好、基本上沒有頻率漂移等特點，在全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)、精密測量以及基礎科學研究等方面具有廣泛的應用［1］。銫束管是銫原子鐘的物理部分，主要由銫爐、磁偏轉系統(tǒng)、相互作用系統(tǒng)及探測器等部件組成。其中，相互作用系統(tǒng)由較弱的恒定磁場和微波諧振腔組成。微波諧振腔的作用是貯存輻射場，并在其中進行場與原子相互作用。銫爐的作用是為微波腔提供優(yōu)質（原子速率分布較窄、發(fā)散角較小和單相）的銫原子束流?？梢婁C爐性能的好壞直接影響著銫鐘指標的優(yōu)劣。在這方面，銫爐的防溢［2］（阻液通氣）功能為其提供了具有可靠性的保障。

然而，在國內外的文獻中，對于銫爐防溢功能的報道只是作為文章的非核心部分而被簡單提及。截止目前，與其相關的理論、實驗及模擬研究的報道很少，這與小型化銫原子鐘的研制特點（比如，目前只有美國和俄羅斯已經成功研制出可用于星載的小型化銫原子鐘［3］）和銫爐防溢功能的特點（比如，防溢功能的啟動和發(fā)揮嚴重依賴于外場的擾動情況，而這種擾動的復現(xiàn)頻率很低，且具有隨機、不可預測性）密切相關。因而，對于多孔材料物性參數(shù)的選取十分模糊，沒有一定的理論依據(jù)可供用于可防溢銫爐的設計。

為了適應我國發(fā)展高性能、小型化地面及星載銫原子鐘的需求，因此有必要對國外相關銫原子頻標中防止液態(tài)銫溢出熱爐口的關鍵技術展開研究。這既是保證銫原子鐘能夠正常工作的基本條件，同時也是一項提高銫束頻率指標的有效措施。通過填補目前我國在防銫溢出關鍵技術方面研究的空白，這對于發(fā)展空間微重力環(huán)境下的星載銫原子鐘有著重要的意義。

1　銫爐結構及其功能

圖1給出了國外地面及星載小型磁選態(tài)銫原子鐘中銫爐結構的示意圖，兩種爐體的設計并無明顯的區(qū)別。根據(jù)氣體動力學原理和流體力學原理，銫爐主要由四部分設計而成，包括銫儲存泡、銫防溢通道、飽和銫蒸氣平衡室和準直器。銫泡與準直器之間由迷宮通道連接，且通道內填充有多孔材料，地面為金屬絲網，星載為泡沫金屬。準直器焊在前爐體口處，并暴露在銫束管的高真空部分中。爐體內外存在的壓強差保證了具有工作熱動能的銫原子不斷地沿軸線方向前進，從而到達微波諧振腔。

圖1　小型磁選態(tài)銫原子鐘中銫爐結構的示意圖

根據(jù)上述四部分的特點，可將銫爐的功能總結為三點：一是通過加熱銫儲存泡，使泡內的銫液體受熱蒸發(fā)形成銫蒸氣；二是借助多孔準直器的準直功能，形成具有較小發(fā)散角的銫原子，以提高銫原子的有效利用率；三是防止液態(tài)銫溢出的功能，主要依靠迷宮結構化的零部件（如多孔材料）、飽和銫蒸氣平衡室等來確保獲得的銫蒸氣首先是足夠干燥的。可見，后兩者是為提高前者中產生的銫蒸氣的優(yōu)質性而采取的一些有效措施，因而銫爐的功能及其工作性能對銫原子鐘而言有著特殊的地位。在銫爐中銫流體通道設計合理的情況下，此時防止液態(tài)銫溢出功能的發(fā)揮，并非是時刻啟動的，依賴于外場擾動情況的發(fā)生與否。而對于銫爐中準直器，銫蒸氣與其相互作用，聯(lián)系密切。可見，一般情況下準直器的特性（如要求在規(guī)定的溫度下，有足夠強度的準直束流、小的發(fā)散角、銫原子與壁面的相互作用較弱）較大程度上代表著銫爐的工作性能，進而影響著銫原子鐘的各項指標特性。

2　防銫溢出策略分析

理論上，銫泡中銫的用量是根據(jù)銫原子鐘的設計壽命來確定的［4］，但實際上，銫原子鐘在工作中可能會受到外場（力、熱、電、磁等）擾動的影響。當這種擾動達到一定量級時，銫泡中的液態(tài)金屬銫的液面會由于失穩(wěn)而形成液態(tài)銫的團塊。一旦有液態(tài)金屬銫溢出，必定會縮短銫原子鐘的設計壽命，而這種縮短并非僅僅是由于可用銫量的減少而造成的，還可能有發(fā)生二次災害（如污染、腐蝕等）的風險。與地面相比，空間微重力環(huán)境更易產生各種各樣的擾動，這也是星載銫原子鐘強調防銫溢出技術重要性的原因之一［5-6］。需指出這種外場主要是相對于金屬銫而言的。

如前所述，一旦有液態(tài)銫溢出銫爐準直器口，則銫源可能來自于流出儲箱的液態(tài)銫或由于銫蒸氣在流動過程中因液化形成的液態(tài)銫。此時，單相（氣態(tài)銫）流變?yōu)閮上啵ㄒ簯B(tài)銫和氣態(tài)銫）流過程，同時銫蒸氣成為濕氣。根據(jù)質量的不同，如果將液態(tài)銫團塊分為液流和液滴，那么銫爐防溢設計的對象既包含銫液流，也包括銫液滴，同時防溢過程既包括防止液流或液滴的形成，也包含對已形成的液體進行有效的攔截、回收或轉化等。

液態(tài)金屬銫的防溢技術是保證銫原子鐘正常工作的基礎保障技術。防溢的關鍵在于增強該液體在外場影響下的穩(wěn)定性，避免金屬銫的液流或液滴的形成。其本質在于阻止外部能量輸入液體內部，同時將已輸入液體內部的外部能量完全轉化為除液體動能以外其他形式能量（如內能）的過程?，F(xiàn)實就是要避免有金屬銫的液流或液滴以動量（即動能）的形式溢出銫泡/爐口，出現(xiàn)在不宜出現(xiàn)的地方。如圖2所示為防液態(tài)銫溢出技術策略分析圖。

圖2　防液態(tài)銫溢出技術策略分析圖

目前，微重力環(huán)境下液體的存儲及防溢設計主要有兩種技術途徑：一是優(yōu)化其儲箱的宏觀結構設計；二是在儲箱中引入微觀多孔介質材料。其中，被引入的多孔介質可扮演兩種角色，一種是主動束縛型，即液態(tài)金屬完全被填充到多孔介質當中，形成含液多孔介質；而另一種是被動束縛型，即多孔介質被放置在金屬氣體的出口端，形成含氣多孔介質。一般采用多元組合、多級聯(lián)合的防溢設計策略能夠更有效的阻止液態(tài)金屬在外場干擾環(huán)境下形成孤立液滴，甚至洪流等現(xiàn)象的出現(xiàn)，可避免造成元器件的失效?，F(xiàn)今，含多孔介質的液態(tài)金屬儲箱或蒸發(fā)器（如液態(tài)金屬離子源、分子束源）已在場發(fā)射電推進（FEEP），堿性金屬熱電轉換器（AMTEC），堿性金屬熱管（AMHP）等元器件上得到廣泛應用［7-9］。不僅起到黏附防溢的作用，而且具有穩(wěn)流，可循環(huán)再利用功能，極大的提高了元器件的可靠性及在軌運行壽命。圖3中給出了目前在液體儲箱防晃設計方面一些常用的有效策略。

目前，在銫頻標中防止液態(tài)銫溢出方面，為了增強銫泡對外場抗干擾能力，可通過采取優(yōu)化銫爐結構、加固方法等方面的措施來實現(xiàn)。其次，一旦有溢出情況發(fā)生，就要在液態(tài)銫到達敏感部件之前采取可行的方法，進行有效的阻欄和完全吸收，比如金屬絲網和石墨塊［10］。迷宮式結構在這方面表現(xiàn)出了優(yōu)異的特性，這主要得益于多孔材料的一些優(yōu)異的材料及流體力學特性，如吸波隔振、氣液分離等特性。利用這些特性，發(fā)展了一些如可減振的阻尼器、可干燥的除霧器等產品并在空間科學技術領域得到廣泛的應用［11-12］。圖4為多孔材料與液態(tài)金屬防溢設計策略原理圖。

圖3　液體儲箱防晃設計策略原理圖

圖4　多孔材料與液態(tài)金屬防溢設計策略原理圖

3　多孔材料與防銫溢出機理探討

3.1液流的阻攔

從圖1中可以看出，地面和星載兩種銫爐之間至少存在著三個共同點：其一是銫泡被放置在銫爐體中，且被整體加熱；其二是銫泡口與銫爐準直器口方向不同，即增加了銫流體流動的路程；還有就是銫泡周圍填充有大量的多孔材料。圖5（a）給出銫泡安裝情況的簡圖。當銫原子鐘受到外界環(huán)境（如晃動）的影響時，如果有液態(tài)銫從銫泡口流入到銫爐體內，金屬銫液流很難流出銫爐口，主要原因在于：首先，如圖5（b）所示，當銫爐被翻轉180°后，溢出銫泡的銫流會保持在爐底部，相對大體積的銫爐腔室而言，小體積的銫液很難漫過爐口；其次，在低流速下，銫流體在多孔介質中的流動服從Darcy定律［13］：

式中：ΔP為流體壓差；ΔL為流動路徑長度；μ為流體粘度；u為液體流速；K為多孔材料滲透率?？梢?，當流體壓差ΔP一定時，流動路徑長度ΔL越長，多孔材料滲透率K越小，對應液體的流速u越小。這說明銫泡外低滲透率和非親銫［14］的多孔介質能夠有效地阻止液體的流動，從而避免液體溢出銫爐口。

值得注意，一旦有液流形成時可能暗含著銫原子鐘受到外場極大的影響，此時防止液態(tài)銫溢出銫爐口并不見得很有意義。如前所述，多孔介質本身具有的吸波隔振特性，能夠在一定程度上降低外界環(huán)境干擾，進而避免有銫液流出現(xiàn)在爐體腔室中。

圖5　銫泡安置與重力方向的關系示意圖

3.2液滴的捕集

一般而言，兩種過程中可形成銫液滴：一種是金屬銫液流在碰撞沖擊壁面的過程中；另一種則是銫蒸氣在通道中流動時被液化的過程中。當然，在其他過程中也可形成液滴，如液滴碰撞壁面或液面等。當碰撞或液化形成的銫液滴隨著銫蒸氣在迷宮通道中流動時，由于受到迷宮通道以及通道中填充的多孔介質（如金屬絲網、泡沫金屬等）的攔截、捕集等作用的影響，可在一定程度上依靠氣液分離機制，將銫液滴從銫蒸氣流中有效的分離出來。在這種情況下，爐體內的多孔材料和迷宮通道相當于氣液分離器。對絲網分離器［15］而言，當含液滴氣體通過密集的絲網，受到慣性碰撞、截留、布朗擴散、重力沉降、加熱蒸發(fā)和氣體吸收作用時，微小霧粒捕集到絲網表面上。通過回收或蒸發(fā)液體，最終實現(xiàn)氣液分離的過程。

研究表明［15］，分離器的分離效率與液滴碰撞金屬絲網纖維壁面的過程密不可分。慣性碰撞條件下，單絲網捕集液滴的效率h與斯托克斯數(shù)St有關，即：

而斯托克斯數(shù)St被定義為：

式中：ρ為液體密度；d為液滴直徑；V為液滴速度；D為絲網直徑。對于多層絲網，其捕集效率hn可寫成：

式中：ae為絲網分離器的比表面積；n為絲網層數(shù)；Z為相鄰兩絲網層間距。這表明當銫泡外的多孔材料采用相對較薄且多層的金屬絲網時，對銫液滴的有效阻攔截留作用更明顯。

同時，由于通道溫度與爐體溫度保持一致，所以捕集的液滴很容易被氣化成銫蒸氣。當然通過可循環(huán)化的銫爐設計，還可將捕集的銫液再次回收到儲箱中。此外，也可利用對銫具有抗浸潤性的特殊材料，如二甲基二氯硅烷等來修飾準直器表面，其所形成的干膜涂層材料不僅能夠防止銫液堵塞準直器孔，也可以減弱銫原子與準直器之間的相互作用，避免了有效銫原子數(shù)量的降低和準直器孔道的破壞，從整體上保證并提高銫爐的工作性能［16］。

雖然液態(tài)銫溢出銫泡或銫爐口的發(fā)生概率很小，但其重要性仍然不能被忽視。客觀上，在防止液態(tài)銫溢出的研究中，銫液滴相較于銫液流而言，更具有現(xiàn)實意義。這是因為：第一，銫液滴比銫液流流出爐口的概率更大，對銫蒸氣的干濕程度影響較大；第二，表征銫液滴的各項參數(shù)（如：粒徑分布、運動速度等）對防溢銫爐的設計有著至關重要的影響，尤其在確定填充于銫爐中的多孔介質特性參數(shù)方面；第三，銫爐中的迷宮通道設計與多孔材料特性息息相關；第四，銫液滴對準直器的堵塞、刻蝕作用，直接影響著銫蒸氣束流的準直效果；第五，銫爐口處的石墨塊吸銫劑也為多孔介質材料。

3.3防銫溢出工作機制

迷宮結構是多孔介質典型的幾何結構特征。銫爐中的迷宮通道的引入正是借鑒了多孔介質的特點。對已經溢流出銫泡口的液態(tài)銫而言，這種通道設計能夠大大延長液體與壁面間的相互作用時間，極有利于控制液體的狀態(tài)，如：通過相變蒸發(fā)，將液態(tài)銫轉化為氣態(tài)銫。同時，孔道中填入的多孔介質，不僅能夠在一定程度上避免外場擾動使液體溢出銫泡口的情況發(fā)生，而且能夠對已經溢出銫泡口的液體進行更有效的控制。簡而言之，多孔介質與防溢銫爐設計相關性的如圖6和圖7所示。銫爐中的多孔介質通過吸波隔振、相變分離過程，能夠有效的實現(xiàn)阻液通氣的功能，為銫束頻標提供優(yōu)質的銫蒸氣。相對提高的銫原子利用率，不但保證了銫原子的設計及工作壽命，而且有利于整鐘性能指標的提升。

圖6　多孔材料與優(yōu)質銫蒸氣的關系圖示

圖7　多孔材料實現(xiàn)防銫溢出的工作機制圖示

從圖7可以看出，當多孔介質扮演阻尼器的角色時，這是防止液態(tài)銫溢出銫爐口的一級預防措施。要實現(xiàn)這一點，從結構材料力學的角度看，就需要選擇吸波隔振性能極好的多孔材料。緊接著，如果一級預防措施未被有效執(zhí)行時，則多孔介質將扮演分離器的角色，表示這是防止液態(tài)銫溢出銫爐口的二級應急方案。要實現(xiàn)這一點，從流體力學的角度看，就需要選擇氣液分離性能極好的多孔材料。從液態(tài)銫和氣態(tài)銫角度看，阻尼特性完全是針對液態(tài)銫而言的，而分離特性不僅針對液態(tài)銫，而且更加強調對氣態(tài)銫的影響，如壓降效應。值得注意的是，這兩方面并非是彼此獨立的，而是存在耦合作用，選材設計時也需要考慮這一點。

4　結論

防銫溢出技術是研制小型化、高性能銫原子鐘的關鍵技術之一，尤其對于星載原子鐘技術而言，其地位尤為突出。防銫溢出技術不但涉及對液態(tài)銫的儲存技術，而且包括對氣態(tài)銫的干燥技術。

在儲存技術方面，必需重視對結構體抗振動功能的設計，以確保液態(tài)銫的穩(wěn)定性，為此：

（1）從小銫泡到銫原子整機，由小到大，自內向外的抗振動設計，如：零部件的加固，結構的優(yōu)化等；

（2）在銫泡加固方面，可采用吸波隔振作用效果好的多孔材料，如：金屬絲網、泡沫金屬等。

在干燥技術方面，必須重視對銫流體阻液通氣功能的設計，以確保氣態(tài)銫的優(yōu)質性，為此：

（1）銫流體通道采用彎曲迷宮結構，通過延長流動路徑，加大對液態(tài)銫的流阻，可對其進行有效的狀態(tài)控制，如：截留后既可使其相變蒸發(fā)，也可通過回流再利用；

（2）迷宮通道中引入阻液通氣能力強的多孔材料，如：金屬絲網，泡沫金屬等，借助氣液分離機制，實現(xiàn)對氣態(tài)銫的干燥。

多孔材料在防止液態(tài)銫溢出中扮演者重要的角色，這有利于為銫原子頻標提供優(yōu)質的銫原子束流，在一定程度上促進了銫頻標性能的提高。

［1］王義遒，王慶吉，傅濟時，等.量子頻標原理［M］.北京：科學出版社，1986.

［2］王克廷，陳海軍，韓如春，等.衛(wèi)星導航用銫原子束頻標和小密封銫束管［C］//衛(wèi)星導航星載原子鐘與同步技術，香山科學會議，2002：131-140.

［3］陳江，王驥，朱宏偉，等.高性性能小型磁選態(tài)銫原子鐘研制進展［C］//全國時間頻率學術會議，2011：78-80.

［4］成大鵬，馬寅光，王驥，等.影響銫束管壽命因素分析［J］.真空與低溫，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］張寶嶺.AMTEC多級毛細泵數(shù)值模擬研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學，2010.

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

［10］馬寅光，成大鵬，陳江，等.石墨對金屬銫的吸附性能實驗研究［J］.稀有金屬與硬質合金，2012，40（5）：63-65.

［11］潘堅，雷冶大.阻尼減振技術在航天領域中的實踐［J］.宇航材料工藝，1991（4）：87-90.

［12］劉樂柱，張?zhí)炱?空間氣液分離技術及其應用［J］.真空與低溫，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］楊軍，陳江，王驥，等.液態(tài)金屬在非均勻多孔介質表面的潤濕行為研究［J］.真空與低溫，2014，20（6）：348-351.

［15］李凱陽.絲網分離器分離性能的數(shù)值研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學，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

國家自然科學基金資助項目（61471183，11204116）；國家青年科學基金資助項目（51304100）

楊軍（1986-），男，甘肅天水人，博士研究生，主要從事量子頻標技術研究。Email：yangjun258168@163.com。