井鑫，戴家瑜，劉鐵新，帥濤，陳翔

(1.中國科學(xué)院 上海天文臺，上海 200030；2.中國科學(xué)院大學(xué) 天文與空間科學(xué)學(xué)院，北京 100049)

0 引言

近年來，我國致力于發(fā)展北斗三號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)且已全面建成并投入使用，作為北斗系統(tǒng)的“心臟”，原子鐘決定了導(dǎo)航系統(tǒng)的定位、測速和授時精度，北斗三號衛(wèi)星采用了更高性能的氫原子鐘和銣原子鐘，其中氫原子鐘作為主鐘服務(wù)于北斗系統(tǒng)[1-4]。電離源是氫原子鐘的關(guān)鍵部件，通過制造氫等離子體實(shí)現(xiàn)制備氫原子鐘工作所必須的氫原子，同時也是氫鐘故障分析中的重點(diǎn)研究對象[5]。長期以來，國內(nèi)外研究人員根據(jù)電離泡發(fā)光強(qiáng)度判斷其工作狀態(tài)，但缺乏理論與實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

在氫原子鐘電離源工作時，電離泡內(nèi)的氫氣在線圈產(chǎn)生的電磁場中電離后形成由離子、電子、原子及分子組成的近似電中性的氫等離子體。工作達(dá)到穩(wěn)定后的氫等離子體會發(fā)出耀眼的玫瑰紅色光，由氫原子內(nèi)的電子在Balmer線系躍遷產(chǎn)生，吸收光子能量的電子進(jìn)入激發(fā)態(tài)后，激發(fā)態(tài)氫原子的外層電子由高能級向主量子數(shù)n=2的量子態(tài)能級躍遷時，多余能量以電磁輻射的形式發(fā)射出去，采用光譜儀測量，得到發(fā)射光譜譜線。發(fā)射光譜法(OES,optical emission spectroscopy)是一種非常成熟的等離子體光譜診斷法，具有穩(wěn)定性高、時間響應(yīng)快、準(zhǔn)確度高、實(shí)驗(yàn)儀器簡單等優(yōu)點(diǎn)[6-8]。

制備氫等離子體時，需要控制產(chǎn)生射頻電磁場的電離源線圈電壓、頻率、氫氣流量等參數(shù)。通過調(diào)節(jié)電離源射頻線圈電壓調(diào)節(jié)電磁場的強(qiáng)弱及其分布，調(diào)節(jié)鎳提純器電流來控制進(jìn)入電離泡的氫氣流量，設(shè)置電容片兩極板的重合率調(diào)節(jié)其頻率。當(dāng)電離源參數(shù)不同時，影響了電離泡內(nèi)的氫等離子體電離度，使氫原子躍遷的光譜強(qiáng)度和氫鐘振蕩信號強(qiáng)度具有很大差異，進(jìn)而影響氫鐘性能。目前國外沒有對此方面的研究，國內(nèi)2015年北京無線電計(jì)量所馬妮娜等研究員[9]發(fā)現(xiàn)氫流量對電離源光譜強(qiáng)度和氫鐘振蕩信號具有很大影響。因此很有必要通過發(fā)射光譜法對電離源參數(shù)進(jìn)行深入分析，進(jìn)行最佳參數(shù)匹配，可以向改進(jìn)方向提高效率，降低功耗。

本文基于等離子體發(fā)射光譜法，通過改變電離源線圈電壓、氫氣流量、電磁場頻率等參數(shù)，探測電離泡內(nèi)不同位置點(diǎn)的氫等離子體發(fā)射光譜，并分析了電離源參數(shù)對其光譜強(qiáng)度及氫鐘振蕩信號強(qiáng)度的影響，對這三個參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。

1 電離源理論模型

電離源內(nèi)的氫氣電離建立在一定真空環(huán)境上，真空度一般為0.05～0.8 mmHg，為了使電離泡維持住該真空，一般采用外接機(jī)械泵、分子泵與離子泵等組合真空泵建立電離泡內(nèi)的真空，后利用氫原子鐘電離泡底盤下的吸附泵和小離子泵復(fù)合維持電離泡內(nèi)的真空度。吸附泵內(nèi)安裝有一定數(shù)量的吸氣劑材料，需采用特殊工藝高溫激活后開始維持真空，小離子泵通過結(jié)構(gòu)件安裝至吸附泵殼體維持電離泡內(nèi)的真空度。

建立真空條件后，電離源在氫鐘束光學(xué)系統(tǒng)中的主要作用為將氫氣分子電離,從而源源不斷地提供儲存泡內(nèi)產(chǎn)生原子躍遷信號所需的氫原子。電離泡中氫氣電離形成由電子、離子、分子和中性粒子組成的氫等離子體，氫鐘的正常工作需電離源具有一定范圍內(nèi)的電離度β，可表示為

β=ne/(ne+nn),

(1)

式(1)中，ne為電子密度，nn為中性粒子密度。

電離源功率直接影響了電離泡內(nèi)氫等離子體的激發(fā)，通常氫鐘正常工作時電離源內(nèi)氫等離子體需達(dá)到一定電離度，從而源源不斷地提供基態(tài)氫原子至儲存泡，因此電離源的射頻線圈功率參數(shù)的設(shè)置至關(guān)重要，氫鐘電離源功率的控制主要為射頻線圈電壓U。電離源電壓表示為

P=U2/R,

(2)

式(2)中，U為射頻線圈電壓，R為等效直流阻抗。

氫氣流量的控制裝置是氫鐘重要組成部件之一，氫氣流量直接影響了電離泡內(nèi)氫等離子體的密度，進(jìn)而影響氫鐘頻率的長期特性[10]。若電離泡內(nèi)氫氣含量不足，無法激發(fā)出氫等離子體，通常會出現(xiàn)電離泡不亮的情況，若電離泡內(nèi)氫氣壓強(qiáng)過高，氫等離子體內(nèi)的粒子密度過大影響其碰撞反應(yīng)，進(jìn)而影響其電離度，因此控制氫氣流量參數(shù)的設(shè)置至關(guān)重要，氫鐘氫氣流量的控制為鎳提純器的電流I。

電離源的放電頻率一般約為100 MHz的經(jīng)驗(yàn)頻率，一般通過調(diào)節(jié)電離源電路中的可調(diào)節(jié)電容C，實(shí)現(xiàn)電離源的起振和電場調(diào)節(jié)[11]。頻率f的計(jì)算公式可表示為[12]

(3)

式(3)中，L為振蕩電路中的電感值，C1為固定電容，C2為可調(diào)電容值。當(dāng)可變電容器兩極板之間的相對有效面積(重合面積)發(fā)生變化時，其電容也隨之發(fā)生變化。設(shè)極板間的相對有效面積與極板總面積之比為兩極板的重合率，當(dāng)可變電容器兩極板的重合率為100%時，電容最大；重合率為0時，電容最小。本文通過電容兩極板的重合率來調(diào)節(jié)電容C，計(jì)算公式可表示為

(4)

表1 氫等離子體內(nèi)部反應(yīng)方程式及反應(yīng)[13]

表2 氫等離子體內(nèi)部反應(yīng)方程式及反應(yīng)率[13]

(5)

根據(jù)式(5)，可以得出電離泡中電子和各類氫離子的輸運(yùn)方程，其中電子的漂移擴(kuò)散方程為[14]：

(6)

式(6)中，ne為電子密度，Γe=-(μe·E)ne-De·?ne為電子通量(μe為電子遷移率，De為電子擴(kuò)散率)，Re為電子數(shù)密度源項(xiàng)，由電子與中性粒子間的電離碰撞產(chǎn)生；nε為電子溫度，Γε=-(μen·E)nε-Dε·?nε為電子能量通量(μen為電子能量遷移率，Dε為電子能量擴(kuò)散率)，E為靜電場，Sen為因非彈性碰撞而產(chǎn)生的能量損失或增加。電子密度和電子溫度(電子能量密度)通過求解該方程得到。

(7)

電離源的電磁場由Maxwell方程描述安培定律給出[15]

(8)

式(8)中，j為虛單位，ω為電源角頻率，ε0,εr為真空介電常數(shù)和相對介電常數(shù)，μ0,μr為真空磁導(dǎo)率和相對磁導(dǎo)率，A為磁矢勢，Je為電流密度，σ為電導(dǎo)率。

電離源中的靜電場滿足泊松方程[16]：

E=-?V。

(9)

氫鐘振蕩信號增益為其性能的重要表征參數(shù)之一，反映了原子躍遷信號相對諧振腔的強(qiáng)度，是原子受激躍遷輻射達(dá)到最大時的腔內(nèi)微波信號與原子為受激態(tài)時腔內(nèi)背景微波信號的功率之比，可表示為[17]

(10)

2 發(fā)射光譜法探測裝置及方法

采用Ocean Optics 2500+型號的光纖光譜儀對氫鐘電離泡內(nèi)氫等離子體進(jìn)行了發(fā)射光譜探測分析，裝置示意圖如圖1所示，將光譜儀的光纖探頭垂直對準(zhǔn)電離泡，距離約2 cm且固定不動。光纖探頭探測到電子躍遷光譜信號時，信號通過光譜儀傳入計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析。分別選取滿足電離泡發(fā)光特征的4個點(diǎn)作為探測點(diǎn)用于探測氫等離子體的光譜強(qiáng)度，如圖2所示，電離泡側(cè)面光譜分布均勻，選取中心位置探測點(diǎn)④，可以直接衡量氫等離子體的發(fā)光強(qiáng)度，是電離泡發(fā)光的一個典型探測位置；電離泡頂端選取3個點(diǎn)，其中①號點(diǎn)位于圓面正中心位置，是射頻線圈的正中心點(diǎn)，為電離泡發(fā)光的典型探測位置；②號與③號點(diǎn)依次等距分布在①號點(diǎn)右側(cè)約1 cm處。

圖1 發(fā)射光譜探測電離源分析裝置

圖2 光纖探頭測量位置示意圖

選?、芴柼卣鼽c(diǎn)測得電離泡內(nèi)氫等離子體中不同能級的高能態(tài)氫原子向低能級躍遷時產(chǎn)生的光譜譜線圖，如圖3和圖4所示，發(fā)射光譜圖的縱坐標(biāo)為光纖探頭所探測的對應(yīng)Balmer線系波長的相對光強(qiáng)，橫坐標(biāo)為光波長，環(huán)境存在一定的背底噪聲(圖中底部紅色橫線)，為提高準(zhǔn)確率，本文在分析光譜強(qiáng)度時均已將背底噪聲去除。從光譜圖中可以清晰地觀察到氫Balmer系特征峰Hα、Hβ、Hγ，其中Hα光強(qiáng)最大，Hβ光強(qiáng)次之，Hγ光強(qiáng)最弱。因此人們?nèi)庋鬯婋婋x泡內(nèi)氫等離子體發(fā)出的光為玫瑰紅色。

圖3 400～600 nm光譜圖

圖4 600～1 000 nm光譜圖

3 電離源參數(shù)分析

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，上海天文臺被動型氫鐘電離源的線圈電壓一般設(shè)置為24 V，偶爾調(diào)至28 V用于激發(fā)氫等離子體，控制氫氣流量的鎳提純器電流為3 A，控制頻率的電容兩極板狀態(tài)為完全重合，電離泡內(nèi)建立真空條件后，分別選取這些參數(shù)為背景參數(shù)，分析不同線圈電壓、鎳提純器電流、電容狀態(tài)條件下電離泡內(nèi)氫等離子體的光譜強(qiáng)度及氫鐘振蕩信號強(qiáng)度，向改進(jìn)方向提高效率，降低功耗。

3.1 線圈電壓參數(shù)分析

將控制氫氣流量的鎳提純器電流I設(shè)置為3 A，電容兩極板狀態(tài)C調(diào)整為完全重合(100%)，電離源射頻線圈電壓U從20 V以2 V為步長加至28 V，分別測量4個探測點(diǎn)處氫Balmer系特征峰Hα、Hβ、Hγ的相對光譜強(qiáng)度及氫鐘振蕩信號強(qiáng)度隨線圈電壓U的變化情況。

取側(cè)面④號點(diǎn)為特征點(diǎn)，該點(diǎn)處氫Balmer系特征峰Hα、Hβ、Hγ的相對光譜強(qiáng)度隨線圈電壓變化情況如圖5所示，可見三個特征峰隨線圈電壓變化的趨勢基本相同，不同激發(fā)態(tài)能級的原子向基態(tài)氫原子躍遷的幾率相同。當(dāng)線圈電壓U>22 V時光強(qiáng)對線圈電壓增加的變化幅度減小，26 V時達(dá)到峰值，U>26 V時光強(qiáng)開始下降但幅度不大，可見線圈電壓值越大，線圈產(chǎn)生的電磁場越強(qiáng)，但電離泡內(nèi)氫等離子體的電離度不一定越大，調(diào)節(jié)線圈電壓需在一定的范圍內(nèi)，分析原因?yàn)樵陔姶艌龅淖饔孟?，電離泡內(nèi)氫氣流量已經(jīng)與吸附泵和離子泵建立動態(tài)平衡，氫等離子體內(nèi)各粒子間的碰撞電離與可逆反應(yīng)已達(dá)到飽和平衡，再增加電磁場只會增加功率消耗，對電離度無益。測得的氫鐘振蕩信號強(qiáng)度隨線圈電壓U的變化情況如圖6所示，氫鐘振蕩信號強(qiáng)度與線圈電壓呈正相關(guān)，當(dāng)U=20 V時，振蕩信號強(qiáng)度為3.3 dB，當(dāng)22 V24 V時，信號強(qiáng)度與線圈電壓呈正相關(guān)，U=28 V時達(dá)到峰值3.9 dB，但此時的電離源光強(qiáng)卻下降，可考慮氫鐘其他部分的影響因素。因此，綜合分析只要電離源線圈電壓產(chǎn)生的電磁場足以使氫等離子體達(dá)到一定的電離度，氫鐘便可正常工作。

圖5 Hα、Hβ、Hγ的相對光強(qiáng)隨線圈電壓的變化

圖6 振蕩信號強(qiáng)度隨線圈電壓的變化

不同探測點(diǎn)處氫Balmer系特征峰Hα、Hβ、Hγ的相對光譜強(qiáng)度隨線圈電壓變化情況如圖7所示，電離泡光譜強(qiáng)度不同位置點(diǎn)的變化情況具有差異。對于電離泡頂部，特征峰相對光強(qiáng)不均勻，與距中心點(diǎn)的距離呈負(fù)相關(guān)，考慮與線圈產(chǎn)生的電磁場分布有關(guān)，線圈產(chǎn)生的電磁場最強(qiáng)在線圈中心點(diǎn)，向外逐漸減小，因此①號位置點(diǎn)等離子體反應(yīng)最劇烈，氫Balmer系原子躍遷光強(qiáng)最強(qiáng)，U=22 V時，相對光強(qiáng)基本達(dá)到峰值，之后具有不規(guī)律的小幅度變化。對于側(cè)面④號位置點(diǎn)，Hα、Hβ、Hγ的相對光譜強(qiáng)度均在U=26 V時達(dá)到峰值，對于頂部①號位置點(diǎn)，Hα、Hβ、Hγ的相對光譜強(qiáng)度在U=24 V時達(dá)到峰值。電離源線圈安裝在電離泡頂部上方，因此產(chǎn)生的電磁場自上而下呈現(xiàn)減小趨勢，當(dāng)電磁場強(qiáng)度改變時，隨著氫等離子體的電子密度和電子溫度的改變，其振動激發(fā)態(tài)分子密度發(fā)生改變，對等離子體化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)的影響會增加，即電離泡內(nèi)氫等離子體在頂部較側(cè)面反應(yīng)變化率較快，因此為綜合觀測電離泡光強(qiáng)，在調(diào)節(jié)線圈功率時，建議選取側(cè)面進(jìn)行光強(qiáng)觀測調(diào)節(jié)線圈電壓。

圖7 不同探測點(diǎn)Hα、Hβ、Hγ的光強(qiáng)隨線圈電壓的變化

3.2 氫氣流量參數(shù)分析

將電離源射頻線圈電壓U設(shè)置為24 V，電容兩極板狀態(tài)C調(diào)整為完全重合(100%)，控制氫氣流量的鎳提純器電流I從1.5 A以0.5 A為步長加至4.5 A，分別測量4個探測點(diǎn)處氫Balmer系特征峰Hα、Hβ、Hγ的相對光譜強(qiáng)度及氫鐘振蕩信號強(qiáng)度隨鎳提純器電流I的變化情況。

圖8 Hα、Hβ、Hγ的相對光強(qiáng)隨鎳提純器電流的變化

圖9 振蕩信號強(qiáng)度隨鎳提純器電流的變化

不同探測點(diǎn)處氫Balmer系特征峰Hα、Hβ、Hγ的相對光譜強(qiáng)度隨鎳提純器電流I的變化情況如圖10所示，電離泡光譜強(qiáng)度不同位置點(diǎn)的變化情況相似，均為電離泡頂部相對光譜強(qiáng)度延徑向減小，可見氫氣流量對電離泡不同位置的氫原子躍遷數(shù)的影響相同，不存在局部特殊的情況，因此調(diào)節(jié)氫氣流量時，可以從電離泡的各個位置點(diǎn)觀察光強(qiáng)變化進(jìn)而判斷其最佳值。對于Hα的相對光譜強(qiáng)度，①號與④號位置點(diǎn)的光強(qiáng)基本相同，但對于相同條件下Hβ、Hγ的光強(qiáng)，②號與④號位置點(diǎn)的光強(qiáng)基本相同，均小于①號位置點(diǎn)光強(qiáng)，總體相差不大，因此可以通過側(cè)面或頂部位置直接觀測與衡量電離泡的光強(qiáng)。三個特征峰的光強(qiáng)均在I=3 A時達(dá)到峰值，I>3 A呈下降趨勢。電離泡頂部位置點(diǎn)的光強(qiáng)在I=4.5 A時與I=1.5 A時的光強(qiáng)值相差不大，因此氫氣流量并不是越多越好，需要在電離泡內(nèi)維持一定的壓強(qiáng)和密度，保證氫等離子體在電離泡內(nèi)具有一定的電離度，使氫氣進(jìn)入電離泡的流量、在電離泡內(nèi)的電離度以及從電離泡底部射出的氫流量三者達(dá)到動態(tài)平衡。

圖10 不同探測點(diǎn)Hα、Hβ、Hγ的相對光強(qiáng)隨鎳提純器電流的變化

3.3 電離源頻率參數(shù)分析

將電離源線圈電壓U設(shè)置為24 V，設(shè)置控制氫氣流量的鎳提純器電流I為3 A，將電容兩極板狀態(tài)C從重合率0%以25%的重合率為步長加至100%，分別測得4個探測點(diǎn)處氫Balmer系特征峰Hα、Hβ、Hγ的相對光譜強(qiáng)度及氫鐘振蕩信號強(qiáng)度隨電容兩極板狀態(tài)的變化情況。

取側(cè)面④號點(diǎn)為特征點(diǎn)，該點(diǎn)處氫Balmer系特征峰Hα、Hβ、Hγ的相對光譜強(qiáng)度隨電容兩極板狀態(tài)C變化情況如圖11所示，可見三個特征峰隨鎳提純器電流變化的趨勢相同，電容兩極板狀態(tài)基本不影響光強(qiáng)。在實(shí)際的應(yīng)用中，有負(fù)載的情況下可調(diào)電容的實(shí)用范圍為80～100 MHz，因此氫等離子體在該頻率段內(nèi)均能有良好的起振和電離度維持。氫鐘振蕩信號強(qiáng)度與電容狀態(tài)的變化關(guān)系如圖12所示，可見振蕩信號也不受可調(diào)電容值調(diào)節(jié)范圍內(nèi)電磁場頻率的影響。

圖11 Hα、Hβ、Hγ的相對光強(qiáng)隨電容極板重合率的變化

圖12 振蕩信號強(qiáng)度隨電容極板重合率的變化

不同探測點(diǎn)處氫Balmer系特征峰Hα、Hβ、Hγ的相對光譜強(qiáng)度隨電容兩極板重合率的變化情況如圖13所示，電離泡光譜強(qiáng)度不同位置點(diǎn)的變化情況差異不大。①號與④號位置點(diǎn)的光譜強(qiáng)度基本相同，電離泡頂部光強(qiáng)由中心延徑向減小，符合平衡態(tài)的電離泡光譜位置分布。

圖13 不同探測點(diǎn)Hα、Hβ、Hγ的相對光強(qiáng)隨電容極板重合率的變化

3.4 電離源電壓-氫氣流量參數(shù)分析

鎳提純器在高電流狀態(tài)下長時間工作會使其溫度升高，降低可靠性，為保證氫鐘長時間正常工作，鎳提純器的電流一般不超過3 A，從圖10也可以看出，當(dāng)電流值大于3 A時等離子體光譜強(qiáng)度下降。為探究電離源線圈電壓與鎳提純器電流共同對電離泡內(nèi)氫等離子體光強(qiáng)的影響作用，找出合適的電離源線圈電壓與氫氣流量，將電離源電壓與氫氣流量參數(shù)值細(xì)化，取鎳提純器電流I從2.0 A以0.25 A為步長增至3.0 A，線圈電壓U從20 V以1 V為步長增加至28 V，測量電離泡側(cè)面④號位置點(diǎn)的氫Balmer系特征峰Hα、Hβ、Hγ的相對光譜強(qiáng)度，如圖14所示。圖14中最大光譜強(qiáng)度均值在鎳提純器電流值為2.75 A。對于線圈電壓，圖14(a)中Hα的最大光譜強(qiáng)度在U≥24V 范圍內(nèi)，圖14(b)和(c)中Hβ、Hγ的最大光強(qiáng)在28 V附近。

圖14 Hα、Hβ、Hγ的相對光強(qiáng)隨線圈電壓、鎳提純器電流的變化

不同氫氣流量條件下線圈電壓與氫鐘信號強(qiáng)度的關(guān)系如圖15所示，氫鐘信號強(qiáng)度與鎳提純器電流呈正相關(guān)，值得一提的是，I=2.5 A，U=28 V時的氫鐘信號強(qiáng)度與I=2.75 A，U=20 V的數(shù)值相同，I=2.75 A，U=28 V時的氫鐘信號強(qiáng)度與I=3 A，U=20 V的數(shù)值相同?？梢娙魵錃饬髁坎蛔銜r，可以通過加大線圈電壓提高電離泡內(nèi)氫等離子體的電離度，或在線圈電壓不足時，可以加大氫氣流量，但電離泡線圈電壓或氫氣流量加大會增加氫等離子體內(nèi)各粒子與電離泡泡壁的碰撞，降低可靠性，同時消耗功率，并不適用于氫鐘長期工作條件，只適用于偶然某部件損壞的應(yīng)急情況。

圖15 不同氫氣流量條件下線圈電壓與氫鐘信號強(qiáng)度的關(guān)系

3.5 電離源頻率-氫氣流量參數(shù)分析

為探究電離源頻率與氫氣流量共同對電離泡內(nèi)氫等離子體光強(qiáng)的影響作用。取鎳提純器電流I從2.0 A以0.25 A為步長增至3.0 A，將電容兩極板狀態(tài)C從重合率0%以25%為步長增加至100%，測量電離泡側(cè)面④號位置點(diǎn)的氫Balmer系特征峰Hα、Hβ、Hγ的相對光譜強(qiáng)度，如圖16所示。圖16中最大光譜強(qiáng)度均值在鎳提純器電流值為2.75～3 A之間。對于電離源頻率，與3.3節(jié)結(jié)論一致，可調(diào)電容值調(diào)節(jié)范圍內(nèi)的線圈頻率對于氫特征峰的光譜強(qiáng)度基本沒有影響。

圖16 Hα、Hβ、Hγ的相對光強(qiáng)與電容狀態(tài)、鎳提純器電流的關(guān)系

不同氫氣流量條件下電容兩極板狀態(tài)與氫鐘信號強(qiáng)度的關(guān)系如圖17所示，氫鐘信號強(qiáng)度與鎳提純器電流呈正相關(guān)，不受一定范圍內(nèi)電離源線圈頻率影響，因此當(dāng)電離泡光強(qiáng)不強(qiáng)或信號強(qiáng)度不足時，不需考慮是可調(diào)電容狀態(tài)的問題。

圖17 不同氫氣流量條件下電容極板重合率與氫鐘信號強(qiáng)度的關(guān)系

4 對照實(shí)驗(yàn)

為印證上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在上海天文臺另一臺實(shí)驗(yàn)用被動型氫鐘上做相同實(shí)驗(yàn)，同樣取側(cè)面④號點(diǎn)為特征點(diǎn)，該點(diǎn)處氫Balmer系特征峰Hα、Hβ、Hγ的相對光譜強(qiáng)度隨線圈電壓U、鎳提純器電流I、電容兩極板狀態(tài)C的變化情況如圖18所示。圖18(a)中相對光強(qiáng)與線圈電壓呈正相關(guān)，與圖5變化規(guī)律相同；圖18(a)中，當(dāng)I<2.75 A時，相對光強(qiáng)與鎳提純器電流呈正相關(guān)，當(dāng)I>2.75 A時，相對光強(qiáng)與鎳提純器電流呈負(fù)相關(guān)，且在2.5 A

圖18 Hα、Hβ、Hγ的相對光強(qiáng)與線圈電壓、鎳提純器電流和電容兩極板重合率的變化關(guān)系

5 結(jié)語

本文利用發(fā)射光譜法分析了氫鐘電離源各項(xiàng)參數(shù)對其內(nèi)氫Balmer系特征峰與振蕩信號強(qiáng)度的影響，對于電離源電壓，線圈電壓為24 V時產(chǎn)生的電磁場強(qiáng)度足夠激發(fā)氫氣產(chǎn)生氫等離子體，電離泡光譜強(qiáng)度已達(dá)到一定值，可以滿足氫鐘正常工作時氫等離子體的電離度。對于氫氣流量，當(dāng)鎳提純器電流為2.5～3.5 A時，電離泡光強(qiáng)達(dá)到所需強(qiáng)度值，且此時振蕩信號強(qiáng)度數(shù)值足夠，氫鐘性能良好?？烧{(diào)電容調(diào)節(jié)范圍內(nèi)的電離源射頻線圈頻率對電離泡光強(qiáng)與振蕩信號無影響。對于電離泡不同位置點(diǎn)的光譜強(qiáng)度，側(cè)面與頂部中心位置的氫Balmer系特征峰的光譜強(qiáng)度基本相同，頂部光強(qiáng)由中心延徑向減小，考慮到電離源電磁場分布，建議參考電離源側(cè)面光譜進(jìn)行其參數(shù)調(diào)整。本文對長期以來研究員運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)調(diào)節(jié)電離源參數(shù)提供了理論與實(shí)驗(yàn)參考。

致謝：感謝上海交通大學(xué)物理與天文學(xué)院俞進(jìn)教授課題組對此論文的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行光譜儀設(shè)備支持與指導(dǎo)。