氢原子钟可靠性关键技术研究

Hydrogen maser is the necessary instrument for the big scientific facilities such as time-keeping，manned space project，lunar exploration program and Beidou navigation. However，the hydrogen maser developed in the domestic has many problems including short working life and frequent fault，which limits the application of hydrogen maser. The factors that lead to the malfunction of hydrogen maser are very complicated. Among them，the phenomenon of high ion current，low temperature control accuracy and magnetic shielding performance are the major factors. The project aims to improve the reliability of hydrogen maser by using the new pump cathode materials and intelligent control technology. The performance of the pump cathode material will be analysed，different types of synthetic materials will be used in the experiments，based on which we will select the most suitable cathode material. Through the analysis of causes of the fluctuations of temperature and magnetic field in the hydrogen maser，the working model of a system will be established，further the automatic control system with high precision will be developed. We will also design the health parameter acquisition and processing system based on the statistic datum about hydrogen maser malfunction and the solutions which has been generated by analyzing historical hydrogen maser malfunction. The project aims to improve the reliability of hydrogen maser，which will prolong the service life of hydrogen maser，forecast and prevent the faults，and solve the fault at the first time. Thus，we can provide higher quality hydrogen maser for scientific researches and engineering applications.

氢钟是我国守时授时、载人航天、探月工程、北斗导航等大型工程建设中必需的设备，然而我国自主研发的氢钟还存在使用寿命短、故障频发等问题，给应用领域造成影响的同时也限制了氢钟的应用范围。导致氢钟故障的因素非常复杂，其中以离子泵打火现象、控温精度低和磁场受外界影响大为影响氢钟长期运行的主要原因。本项目以提高氢钟可靠性为目标，从新型泵阴极材料与智能控制技术对氢钟可靠性的提高进行研究。具体内容包括：理论分析泵阴极材料的性能，合成不同类型的材料并进行实验分析，选择最适宜的阴极材料；分析温度、磁场变化原因，通过对温度、磁场的变化调控进行建模，设计高精度的自动调控系统；调研分析氢钟故障原因以形成诊断方案，设计氢钟健康参数采集与处理系统并进行试验修正。本项目旨在从提高氢钟使用寿命、防止故障发生与预测、快速解决氢钟故障等方面的问题，对氢钟的可靠性加以提高，为各科研、工程应用领域提供高质量的氢钟。

氢原子钟利用氢原子跃迁频率的高稳定特性，获取精准的时间频率信号，它不仅用于基础科学研究，而且在军事领域应用广泛，例如国防研究、军事制图、导航和通讯。提升氢原子钟的可靠性，可以满足更多用户的需求。.国产地面氢原子钟已有近50年的研制经验，尤其近几年通过技术攻关，使氢原子钟稳定度指标有了显著提升，在越来越多重要的应用中替代了国外产品。但是氢原子钟的可靠性与国际最高水平仍有一定差距，本项目就我国自主研发的氢原子钟使用寿命短、故障频发的问题进行了研究。.本项目以提高可靠性为目标，从材料学、真空、机械等多个技术领域，针对氢原子钟储氢、吸氢、高精度温控、塞曼磁场精准设计等多个角度开展研究工作；另外对于当前的热点问题——如何提升原子束纯度（原子二次选态设计），进行了理论剖析并开展了部分实验研究工作。.吸氢方面从材料入手，结合氢原子钟设计结构，给出更优异的氢吸附效果，实验效果良好，使得设备故障率大大降低，氢原子钟的使用寿命也由原来的10年升至目前的12年。平均无故障时间（Mean Time Between Failure，MTBF）也较之前有大幅提升；温度控制从优选高精准的电压芯片、低温漂热敏电阻、极低噪声模数转换器，并监测供电电源纹波、拟合热敏电阻各温度点的电阻数据、PID控制温度加热过程等细节入手，经过实验测试已实现温差1‰的温度控制；磁场由原来的拨盘模拟控制模式改用高精度数字化设计，通过软件读取频谱仪的数据信息实现变化磁场与谱线的对应，大大提升自动化程度，同时将磁场步进量较之前提升10倍以上。.本项目的实施提高了氢原子钟的使用寿命。数字化控制简化了设计结构，提升了设计精度，给氢原子钟的调试工作带来了便利，有效的避免了故障的发生，并对部分故障提供自愈能力。氢原子钟可靠性的提高，可以满足更多的科研、工程领域的应用需求。