ИНДИКАТОР АТОМНОГО ПУЧКА ЦЕЗИЕВОЙ АТОМНО-ЛУЧЕВОЙ ТРУБКИ
ATOMIC BEAM INDICATOR FOR CAESIUM ATOMIC BEAM TUBE

Изобретение относится к технике квантовых стандартов частоты (КСЧ) на основе цезиевых атомно-лучевых трубок (АЛТ), предназначенных для использования в качестве источников сверхстабильных частот в различных навигационных системах, в том числе в российской глобальной навигационной спутниковой системе ГЛОНАСС.
Навигационная точность системы ГЛОНАСС определяется техническими параметрами цезиевых АЛТ, которые в свою очередь зависят от качества работы всех ее функциональных узлов [1].
Индикатор атомного пучка является важнейшим многофункциональным выходным узлом цезиевой АЛТ, в котором осуществляется:
- преобразование потока нейтральных атомов цезия в поток однозарядных положительных ионов цезия на поверхности ленты термического ионизатора;
- формирование криволинейного потока ионов цезия в отклоняющем магнитном поле масс-спектрометра в области между лентой термического ионизатора и коллектором для фильтрации потока однозарядных ионов цезия от посторонних ионов примесей в материале ленты термического ионизатора;
- сбор ионов на поверхности коллектора и усиление коллекторного тока.
3
4
-10
-14
Величина коллекторного тока определяет амплитуду выходного сигнала АЛТ, подаваемого на вход системы автоматической подстройки частоты кварцевого генератора по частоте резонансной линии энергетического перехода в атомах цезия, что повышает стабильность выходной частоты КСЧ в 10…10 раз (с 10 до 10). Снижение токопрохождения на коллектор, вызванное любым ухудшением качества фокусировки ионного потока в пространстве между источником и коллектором ионов, приводит к ослаблению выходного сигнала, ухудшению отношения сигнал/шум и ограничению срока службы АЛТ даже при наличии достаточного запаса цезия в атомном источнике и высокой степени ионизации атомов цезия на поверхности ленты термического ионизатора.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению (прототипом) является индикатор атомного пучка цезиевой АЛТ [2].
Индикатор содержит корпус с внутренней перегородкой в виде плоской диафрагмы с отверстием, который одновременно является анодом ионно-оптической системы, фокусирующий электрод с плоским щелевым отверстием, термический ионизатор в виде металлической ленты, расположенной внутри щелевого отверстия фокусирующего электрода, компактный пористый геттер, коллектор для сбора ионов.
Основной его недостаток состоит в том, что функциональная зависимость токопрохождения в индикаторе от потенциала фокусирующего электрода имеет ярко выраженный резонансный характер. Ширина зоны токопрохождения составляет 0.3…0.5 В и сравнима с величиной контактной разности потенциалов между электродами электронных ламп [3]. Дрейф величины контактной разности потенциалов, связанный с изменением состояния поверхности электродов ионно-оптической системы, в первую очередь ленты ионизатора и фокусирующего электрода в ионной пушке, является одной из причин нестабильности сигнала промышленной атомно-лучевой трубки в системе «ГЛОНАСС-М» [4].
Кроме того, для его эффективной работы необходимо использовать новую нестандартную конструкцию масс-спектрометра с повышенным уровнем индукции отклоняющего магнитного поля, примерно в 1.5 раза превышающим уровень индукции (3000 Гс) в стандартном масс-спектрометре промышленной цезиевой АЛТ [1].
Актуальной задачей в области разработок современных цезиевых АЛТ бортового применения с большим сроком службы является создание индикатора атомного пучка с повышенной устойчивостью по отношению к дестабилизирующему влиянию контактной разности потенциалов между лентой ионизатора и фокусирующим электродом ионно-оптической системы в процессе длительной работы АЛТ.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является расширение области токопрохождения по потенциалам фокусирующего электрода и ленты ионизатора и, как следствие, повышение устойчивости токопрохождения по отношению к дестабилизирующему влиянию контактной разности потенциалов как необходимого условия увеличения срока службы цезиевой АЛТ.
Предлагаемый индикатор атомного пучка цезиевой атомно-лучевой трубки содержит корпус с внутренней перегородкой в виде плоской диафрагмы с отверстием для пропускания атомов и ионов цезия, являющийся анодом ионно-оптической системы, фокусирующий электрод с плоским щелевым отверстием, термический ионизатор в виде плоской металлической ленты, расположенной внутри щелевого отверстия фокусирующего электрода и электрически изолированной от него, компактный пористый геттер и коллектор ионов.
Параллельно боковым поверхностям ленты ионизатора на расстоянии S установлен плоский электрод, который электрически соединен с одним концом ленты ионизатора. Расстояние S определяется из условия:
0.4≤S/w≤0.8,
где w - ширина ленты термического ионизатора.
Плоский электрод изготовлен из пористого геттера на основе активных металлов или их смесей, причем пористая поверхность геттера покрыта электропроводящей графитовой пленкой микронной или субмикронной толщины.
Плоский электрод обеспечивает однородность вытягивающего электрического поля анода (со стороны плоской диафрагмы) по всей поверхности ленты термического ионизатора, на которой происходит поверхностная термическая ионизация поступающих нейтральных атомов цезия. В однородном вытягивающем электрическом поле снижается начальный разброс поперечных скоростей ионов вблизи ленты термического ионизатора и в области отклоняющего магнитного поля масс-спектрометра и, как следствие, повышается токопрохождение на коллектор.
Электрическое соединение плоского электрода с одним концом ленты термического ионизатора обеспечивает постоянную величину потенциала плоского электрода, равную потенциалу соответствующего конца ленты ионизатора без потребления тока накала ленты ионизатора.
Расстояние S, определяемое из условия 0.4≤S/w≤0.8, где w - ширина ленты термического ионизатора, обеспечивает прохождение части нейтральных атомов цезия, находящихся на периферийной области атомного потока, на поверхность компактного пористого геттера.
Выполнение плоского электрода из пористого геттера на основе активных металлов или их смесей, пористая поверхность которого покрыта электропроводящей графитовой пленкой микронной или субмикронной толщины, позволяет улучшить вакуумные условия в индикаторе [5].
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 показаны: общий вид сбоку (а), схема расположения плоского электрода относительно ленты ионизатора (б) и компьютерная модель (вид с торца) (в) предлагаемого индикатора атомного пучка, где
- жестко закрепленный держатель ленты термического ионизатора 1,
- гибкий держатель ленты термического ионизатора 2,
- лента термического ионизатора 3,
- плоский электрод 4,
- фокусирующий электрод 5,
- плоская диафрагма 6,
- прямоугольное отверстие в плоской диафрагме 7,
- поток ионов цезия 8 (изображен условно),
- коллектор ионов 9,
- корпус индикатора 10,
- компактный пористый геттер 11,
- поток нейтральных атомов цезия 12 (изображен условно),
На фиг.2 изображена компьютерная модель ионно-оптической системы (а) и результаты компьютерного анализа ионной пушки (б) индикатора-прототипа, где
- жестко закрепленный держатель ленты термического ионизатора 1,
- гибкий держатель ленты термического ионизатора 2,
- лента термического ионизатора 3,
- фокусирующий электрод 5,
- плоская диафрагма 6,
- поток ионов цезия 8,
- проекции траекторий ионов цезия 13 на плоскость Y=0,
- эквипотенциальные линии поля 14 в плоскости Y=0.
На фиг.3 изображена компьютерная модель ленты предлагаемого ионизатора с плоским электродом (а) и показаны результаты компьютерного анализа ионной пушки (б), где
- жестко закрепленный держатель ленты термического ионизатора 1,
- гибкий держатель ленты термического ионизатора 2,
- лента термического ионизатора 3,
- плоский электрод 4,
- поток ионов цезия 8,
- проекции траекторий ионов цезия 13 на плоскость Y=0,
- эквипотенциальные линии поля 14 в плоскости Y=0.
На фиг.4 показаны экспериментальные кривые токопрохождения на коллектор, измеренные в индикаторе-прототипе (а) и в конструкции индикатора, изготовленной в соответствии с предлагаемым изобретением (б).
Пример.
2
3
а
Предлагаемая конструкция индикатора атомного пучка показана на фиг.1. Индикатор содержит входной фланец с отверстием диаметром 5 мм для пропускания нейтрального атомного пучка внутрь камеры индикатора, отсек камеры для размещения коллектора, компактный пористый геттер 11 на основе активных металлов марки ПТФ (ТУ 63-65-07622667-2011), расположенный на торцевой крышке корпуса индикатора 10, коллектор 9 с контактным штырем для соединения со встроенным усилителем коллекторного тока, плоскую диафрагму 6 с прямоугольным отверстием 7 размером 2.5×6.0 мм, фокусирующий электрод 5 со щелевым отверстием шириной 19 мм и выступами толщиной 1 мм на боковой поверхности фокусирующего электрода со стороны анода, ограничивающими ширину щелевого отверстия фокусирующего электрода до ширины 8 мм. Внутри щелевого отверстия фокусирующего электрода 5 расположена лента термического ионизатора 3 длиной L=16 мм (по оси Y), шириной w=1,1 мм (по оси X) и толщиной 50 мкм (по оси Z). Один конец ленты соединен с держателем 1, жестко закрепленным на поверхности фокусирующего электрода 5 и электрически изолированным от него керамическими шайбами. Второй конец ленты ионизатора соединен с гибким держателем 2 в виде упругой пластины, которая обеспечивает натяг ленты ионизатора. Гибкий держатель 2 также установлен на поверхности фокусирующего электрода 5 и изолирован от него керамическими шайбами. Плоский электрод 4 изготовлен из материала пористого геттера марки ПТФ (ТУ 63-65-07622667-2011) и пористая поверхность покрыта графитовой пленкой микронной толщины. Пластина геттера (плоского электрода) имеет П-образную форму с прямоугольным вырезом и разомкнутым концом, как показано на фиг.1б. Размеры пластины в направлении координат XYZ равны 10×20×4 мм. Размеры выреза по ширине (вдоль оси X) и по длине (вдоль оси Y) составляют соответственно W+2S=2.2 мм и h=14 мм. Ширина (по оси Х) плоских участков составляет =4.0 мм. Замкнутый конец П-образной пластины плоского электрода 4 конструктивно и электрически соединен с концом ленты ионизатора, закрепленной на жестком держателе 1, а разомкнутый его конец остается свободным. Плоский электрод 4 расположен параллельно боковым поверхностям ленты ионизатора 3. Расстояние S между плоским электродом 4 и боковой поверхностью ленты ионизатора 3 равно 0.55 мм. Соответственно выполняется условие S/w=0.5.
Индикатор работает следующим образом.
Нейтральные атомы цезия после выхода их из второго (по ходу движения атомного потока) селектора атомных состояний, направляются в полость индикатора через отверстие входного фланца корпуса 10. Нейтральные атомы цезия, находящиеся на периферии атомного пучка, либо пролетают сквозь зазоры между лентой ионизатора 3 и плоским электродом 4 и осаждаются на поверхность компактного пористого геттера 11 на торцевой крышке индикатора, либо осаждаются на поверхность плоского электрода 4, который одновременно является вторым компактным пористым геттером, расположенным в полости корпуса 10. Атомы цезия, попадающие на раскаленную до температуры 1000-1200°C поверхность тонкой танталовой ленты 3 термического ионизатора, преобразуются в положительные однозарядные ионы цезия. При подаче нулевого потенциала на корпус индикатора 10 (плоскую диафрагму 6) и коллектор 9, а также положительных потенциалов на ленту термического ионизатора 3 с плоским электродом 4 (Uион) и на фокусирующий электрод 5 (Uфок) на поверхности ленты ионизатора 3 создается электрическое поле, которое ускоряет положительно заряженные ионы цезия по направлению к плоской диафрагме 6. Внутри области, ограниченной лентой термического ионизатора 3 с плоским электродом 4, фокусирующим электродом 5 и вытягивающей плоской диафрагмой 6, формируется ленточный ионный поток 8. Исходная его длина (по оси Y) равна диаметру D=5 мм входного отверстия индикатора, а ширина (по оси Х) - ширине ленты термического ионизатора w=1.1 мм. Сформированный таким образом ионный поток проходит сквозь прямоугольное отверстие 7 в плоской диафрагме 6 в область отклоняющего магнитного поля, создаваемого магнитной системой масс-спектрометра. Под воздействием поперечного (по отношению к направлению движения потока 12 нейтральных атомов цезия) магнитного поля ионы цезия начинают вращаться по окружностям, радиус которых равен радиусу циклотронного вращения положительных однозарядных ионов цезия в однородном поперечном магнитном поле, и после одной четверти оборота направляются в сторону коллектора 9 и попадают на его поверхность. Ионный ток коллектора усиливается с помощью встроенного в конструкцию коллектора усилителя ионного тока и подается в качестве управляющего сигнала на вход системы автоматической подстройки частоты.
Возможность реализации изобретения подтверждена методом компьютерного моделирования и результатами экспериментальных измерений токопрохождения, выполненных на двух индикаторах, один из которых соответствовал прототипу [2], а другой - предлагаемому изобретению.
Компьютерное моделирование выполнено с использованием трехмерных математических моделей с точным отображением задаваемых геометрических размеров индикатора и эмитирующей поверхности ленты ионизатора. Геометрические размеры заданы в миллиметрах и отмечены по осям декартовой системы координат XYZ на фиг.1в, фиг.2б и фиг.3. Начало координат выбрано в центре ограниченного участка плоской поверхности ленты ионизатора 3, облучаемого атомным пучком. Координатная ось Z направлена вдоль оси индикатора по ходу движения ионов цезия от поверхности ленты ионизатора 3 до диафрагмы 6 (в направлении, противоположном направлению движения потока нейтральных атомов цезия 12). Оси Х и Y направлены соответственно вдоль ширины и длины ленты термического ионизатора 3 как показано на фиг.1a и фиг.2-3. В результате компьютерного моделирования рассчитаны распределения электрических полей и траектории ионов цезия в совместно действующих электрическом и магнитном полях электродов ионно-оптической системы и масс-спектрометра.
На фиг.2б приведены траектории ионов 13 (их проекции на центральную плоскость Y=0) и эквипотенциальные линии электрического поля 14 в ионной пушке индикатора-прототипа. Расчет выполнен при нулевых потенциалах анодной диафрагмы 6 (корпуса 10) и коллектора 9 (Ua=Uкол=0) и положительных потенциалах ленты ионизатора 3 (Uион=7.45 В) и фокусирующего электрода 5 (Uфок=8.15 В). Из расчета видно, что даже при появлении незначительной разности потенциалов между лентой ионизатора и фокусирующим электродом (0.7 В) эквипотенциальные линии электрического поля замыкаются вокруг ленты термического ионизатора, образуя ряд концентричных эллипсовидных поверхностей. В результате вблизи краев ленты ионизатора появляется поперечная компонента электрического поля, вызывающая поперечное (по оси X) движение ионов, стартующих с краев поверхности ленты ионизатора. Вследствие этого возникает разброс поперечных скоростей ионов в ионном потоке, который еще больше усиливается после воздействия отклоняющего магнитного поля масс-спектрометра, что, в конечном итоге, является причиной высокой критичности токопрохождения на коллектор по отношению к изменению потенциалов ленты ионизатора и фокусирующего электрода.
На фиг.3б приведены эквипотенциальные линии электрического поля 14 и проекции ионных траекторий 13 на плоскость Y=0, рассчитанные для предлагаемой конструкции индикатора. Расчет выполнен при нулевых потенциалах анода (электродов 6, 10) и коллектора 9 (Ua=Uкол=0), положительном потенциале ленты ионизатора 3 с плоским электродом 4 (Uион=7.85 В) и положительном потенциале фокусирующего электрода 5 (Uфок=6.15 В). Видно, что даже при наличии вдвое большей разности потенциалов (1.7 В) между лентой ионизатора 3 и фокусирующим электродом 5 вблизи поверхности ленты ионизатора 3, а также во всей области ионной пушки эквипотенциальные линии поля в приосевой области проходят почти параллельно друг другу за исключением естественного возмущения в области отверстия 7 плоской диафрагмы 6. Таким образом, в области ионной пушки создается продольное электрическое поле, в котором более эффективно подавляются поперечные (по оси Х) скорости ионов в ионном потоке. При этом токопрохождение становится менее чувствительным к изменению потенциалов ленты ионизатора 3 и фокусирующего электродом 5.
Uион=соnst
Возможность снижения чувствительности токопрохождения по отношению к изменению потенциалов ленты ионизатора и фокусирующего электрода в предлагаемой конструкции индикатора подтверждена экспериментально. Эксперимент проведен на промышленной цезиевой АЛТ с разными индикаторами, один из которых выполнен в соответствии с прототипом, а другой - в соответствии с предлагаемым изобретением. Измерялась величина коллекторного тока на выходе коллекторного усилителя. Токопрохождение (Т %) в каждой точке диапазона определялось как отношение измеренной величины тока I (выходного сигнала усилителя) в каждой точке диапазона к его максимальному значению Iмакс во всей области измерений. Потенциалы ленты ионизатора и фокусирующего электрода изменялись в диапазонах 5.5 В≤Uион≤8.5 В и 0.0 В≤Uфок≤12.0 В соответственно. Результаты измерений представлены в виде двух семейств кривых, показанных на фиг.4а и фиг.4б. На них в виде функциональной зависимости T=f(Uфок)| приведена зависимость токопрохождения Т от потенциала ленты ионизатора 3 Uион и потенциала фокусирующего электрода 5 Uфок. По оси ординат отложена величина токопрохождения в %, а по оси абсцисс - величина потенциала фокусирующего электрода 5 Uфок (В). Параметром каждой кривой является величина потенциала ленты ионизатора 3 Uион (В).
Uион=соnst
На фиг.4а показаны измеренные кривые токопрохождения на коллектор 9 в виде семейства функций T=f (Uфок)| для индикатора-прототипа. Каждая функция имеет ярко выраженный резонансный характер по потенциалу фокусирующего электрода 5 Uфок. Ширина области токопрохождения по потенциалу фокусирующего электрода 5 Uфок на уровне 90% - токопрохождения для каждой кривой меняется в узких пределах 0.3…0.5 В на уровне, соизмеримом и даже меньшем известной величины контактной разности потенциалов в вакуумных приборах [2]. Физически это связано с влиянием неоднородностей электрического поля на краях ленты ионизатора 3, вызывающих увеличение поперечных (по оси Х) скоростей ионов. Величина максимума каждой кривой меняется в зависимости от потенциала ленты ионизатора 3 Uион, а местоположение максимума на оси абсцисс плавно сдвигается в сторону увеличения потенциала фокусирующего электрода 5 Uфок. Это связано с отклонениями величины радиуса циклотронного вращения ионов в поперечном магнитном поле масс-спектрометра от некоторой оптимальной величины, характерной для измеряемых конструкций индикаторов с заданными межэлектродными размерами ионно-оптической системы индикатора.
Uион=соnst
На фиг.4б представлено семейство кривых токопрохождения T=f(Uфок)|, полученных путем экспериментального обследования токопрохождения в предлагаемом индикаторе с плоским электродом 4. Видно, что во всем заданном диапазоне изменения потенциалов ленты ионизатора 3 и фокусирующего электрода 5 существенно снижается крутизна функции токопрохождения в окрестности максимума. При этом ширина области токопрохождения на 90% уровне  по потенциалу фокусирующего электрода 5 существенно увеличивается в 3-6 раз по сравнению с прототипом и меняется в пределах 2.0…2.5 для всего семейства кривых токопрохождения.
Таким образом, предлагается конструкция индикатора с многократно (в 3…6 раз) расширенной областью токопрохождения по потенциалам фокусирующего электрода 5 и ленты ионизатора 3, повышенной устойчивостью выходного сигнала по отношению к дестабилизирующему воздействию контактной разности потенциалов между фокусирующим электродом 5 и лентой ионизатора 3 для цезиевой атомно-лучевой трубки бортового применения с большим сроком службы.
Источники информации
1. Е.Н.Покровский и др. Атомно-лучевые цезиевые трубки. Электронная техника, сер.1, СВЧ - техника, вып.3(502), 2009, с.4-16.
2. Патент РФ №2390080, МПК: H01S 1/06 (прототип).
3. Б.М.Царев. Расчет и конструирование электронных ламп. М. - Л.: Госэнергоиздат с.163-171.
4. В.Бакуменко и др. Об одной возможной причине нестабильности сигнала атомно-лучевой трубки в системе «ГЛОНАСС-М». Электронная техника, сер.1, СВЧ - техника, вып.1(5 08), 2011, с.25-38.
5. Патент РФ №2371822, МПК: H01S 1/06.