半球谐振陀螺高真空维持技术.pdf
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1、Jul.20232023年7 月VACUUM空真Vol.60,No.4第6 0 卷第4期半球谐振陀螺高真空维持技术张红波,曲天良,王鹏(华中光电技术研究所武汉光电国家研究中心,湖北武汉430223)摘要:通过理论计算得到半球谐振陀螺壳体内部所需要的真空度,根据放气率实验测试数据得到壳体内部真空度随时间的变化关系,据此进行了吸气剂选型和吸气能力测试,并测量了放置吸气剂后的壳体等效放气率,测试结果表明所选用的吸气剂可以满足维持半球谐振陀螺内部高真空的使用需求。关键词:半球谐振陀螺;空气阻尼;高真空;出气速率;吸气剂中图分类号:TN248.1文献标识码:A文章编号:10 0 2-0 32 2(2 0
2、 2 3)0 4-0 0 7 5-0 5doi:10.13385/ki.vacuum.2023.04.14High Vacuum Maintaining Technology for Hemispherical Resonator GyroZHANG Hong-bo,QU Tian-liang,WANG Peng(Huazhong Institute of Electro-Optics-Wuhan National Laboratory for Optoelectronics,Wuhan 430223,China)Abstract:The required vacuum of hemisphe
3、rical resonator gyro inner cavity was confirmed by theoretic calculation,and therelation of vacuum of the inner cavity with increasing time was found according to the outgassing rate experimental test data.Theappropriate getter was chosen,the absorbable capacity of getter was tested,and the equivale
4、nt outgassing rate of inner cavity withgetter was measured.The test results indicate that the getter can meet the requirement of keeping high vacum of hemisphericalresonatorgyro.Key words:hemispherical resonator gyro;air damping;high vacuum;outgassing rate;getter半球谐振陀螺(HRG)利用半球谐振子唇壳的径向振动驻波进动效应感测基座旋转
5、,可实现载体角度或角速度的测量。它具有精度高、质量轻、体积小、启动时间短和抗过载能力强的特性,连续工作15年的可靠度高达99.5%,被誉为最具潜力的哥式振动陀螺,覆盖宇航、导弹、陆基和航海等应用领域 I-3。目前研制的半球谐振陀螺一般采用较为简洁的“两件套”结构形式 4,其核心零件主要是半球壳石英谐振子和石英基座,这两个零件均由熔融石英材料经过精密机械加工而成,表面采用金属化镀膜处理,精密装调后焊接在一起形成谐振子部件,该部件安装固定到电连接器上,与外罩形成真空密封壳体,然后连接到超高真空排气设备上进行真空处理高精度的半球谐振陀螺要求谐振子的品质因数(Q)值大于10 7 频率裂解小于1mHz5
6、。影响收稿日期:2 0 2 2-10-2 4作者简介:张红波(197 9-),男,湖北随州人,硕士,高级工程师谐振子Q值的因素主要包括热弹性损耗(TED)、表面损耗、空气阻尼损耗、支撑损耗、声子-声子以及声子-电子相互作用损耗等 6-7 。对于采用优质熔融石英加工而成的高精度石英谐振子,经过精密机械抛光和化学抛光处理后,空气阻尼损耗是影响谐振子Q值的主要因素之一。而减小谐振子空气阻尼损耗最有效的方法则是让谐振子始终工作在高真空环境下,使谐振子在振动过程中表面与周围空气分子的摩擦阻尼损耗降到最小。1表头真空度需求分析“两件套”结构形式的半球谐振陀螺结构示意如图1所示。当把石英谐振子单独放置在真空
7、环境中时,残余气体分子与谐振子壁碰撞时所引起的气体摩擦强度,可以由下式计算 8 :$22ufhp卫(1)76第6 0 卷VACUUM空真图1半球谐振陀螺结构示意图Fig.1Structure of hemispherical resonant gyro式中:p为残余气体压强;u为氮气分子在T=300K时的速度;f为谐振子的谐振频率;h为谐振子的厚度;p为石英谐振子的密度。取p=1.0 10-Pa,h=0.8 10-m,f=5200Hz,v=500m/s,p=2 2 0 0 k g/m。由式(1)可以计算得到在无限环境条件下,残余气体引起的气体摩擦强度5,=5.97610-12,说明此时残余气体
8、对谐振子的影响是相当弱的。但是当谐振子与石英底座装配好放人真空壳体里面时,谐振子在10 0 2 0 0 m很窄的间隙内进行振动,气体通过间隙流出而平衡,在此过程中将发生振动能向热能的不可逆转化,气体摩擦对谐振子的阻尼衰减影响很明显。Delco公司经过数据拟合得到的气体摩擦强度与残余气体压强关系式为 8 :5,=1.7 10p(2)假设谐振子在真空中的Q值为110 7,对应的损耗为总内部摩擦强度,则:$=1/Q=1 10-7(3)若要使残余气体摩擦强度占总内部摩擦强度的比例小于1%,则残余气体的压强应小于110-71%=(1.710)=5.8810-Pa。该值与文献 9 中计算出的真空度优于1.
9、0 10-3Pa的要求在同一个量级。实际使用时考虑留有一定的裕量,陀螺正常工作时壳体内部最好能保持在优于1.0 10-4Pa的真空度。2壳体内部真空度变化测量和计算为使半球谐振陀螺壳体内部的真空度达到优于1.0 10 4Pa的要求,需要将壳体连接到超高真空充排气台上,先抽至10-7 Pa量级的超高真空,然后再从排气台上封离 10 。封离后壳体就进人到维持高真空阶段,在维持高真空过程中影响壳体内部真空度的主要因素包括壳体内的残余气体、壳体内表面的吸附气体脱附、壳体内壁吸收的气体向壳体内表面的扩散、外部大气通过壳体向内部空间的渗透以及封接工艺不完善导致存在的微小漏孔等-12 ,这些因素都将导致壳体
10、内部的真空度不断变差。其中,壳体内残余气体的抽气规律是指数型的,当壳体连接到超高真空充排气台上可迅速抽走残余气体,在封离前抽真空至10-7Pa量级,残余的气体可忽略,而外部气体的渗透和微小漏孔均可通过选用合适的材料以及封接工艺控制在很低的水平。因此壳体内表面以及内部零部件因解溶和解吸而释放气体是影响壳体内部维持高真空最主要的气源 13。根据真空设计手册给出的出气速率公式,材料出气速率是温度和时间的函数 14,即Igq=lgq i-a gt(4)Eq=qoexpRT(5)式中:q为材料出气速率,PaL/(s cm);q1,qo为常数;t为时间;E为出气活化能;R为摩尔气体常数;T为热力学温度;为
11、出气速率的衰减系数(一般有机材料a=0.5,金属材料a1)。材料出气是一个非常复杂的过程,采用如图2所示的真空系统测量壳体的放气速率,测量方法为静态升压法 15。对于完全密闭的壳体,其内部某一时刻压升率dp/dt的变化规律为=(A q+Qi+Q2-Q:)/Vdt(6)式中:Q1、Q 2 和Q分别为真空系统本底放气量、系统的漏气量和吸气剂的吸气量;A为壳体内部的表面积;V为壳体内部的体积;p为壳体内部的压强。其中Q2可通过氨质谱检漏仪测得,一般小于110-10Pam/s,设计的HRG壳体真空腔室内部表面积和体积比为A/V=764.8ml壳体FFF丰P2G图2测量壳体内部放气率的真空系统示意图Fi
12、g.2Schematic diagram of vacuum system for measuringthe outgassing rate of inner cavity图2 中Pi为干泵,P2为分子泵,Fi为干泵电磁阀,F2为分子泵前级电磁阀,F,为工位手动截止77第4期张红波,等:半半球谐振陀螺高真空维持技术阀,G为电阻规,用于测量前级真空度,G,为电离规,用于监测工位连接的壳体真空度。每隔1h记录一次工位的真空度,利用式(6)计算放气率,得到壳体10 h的放气率如表1所示。表1壳体内部的放气率Table 1Outgassing rate of inner cavity时间/h12345
13、678910放气率/10-10 PaL/(s?cm)10.87.96.56.25.35.14.74.54.34.0利用Matlab对表1中的放气率进行最小二乘法数据拟合 16 ,可得到经充分烘烤除气后壳体内部放气速率随时间的变化关系为1gg=-8.9723-0.4189 lgt(7)即q=1.0659 10-9(8)(t+1)0.4189封离下台后的壳体内部压强p(t)的变化规律为dp dt+pop(t)=(9)odt式中:po为壳体封离时的初始压强。将式(6)代人式(9)中得到:(A:q+QlitQa-Q.)d+poP(t)=(10)V在式(10)中,壳体已从排气台封离,因此系统本底放气量Q
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