半球谐振陀螺高真空维持技术.pdf

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 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 hemispherical 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 equivalent 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，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。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1.0 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Fig.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/h12345678910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Qi=0；由于壳体良好的密封性，漏气率很低，相对于内部放气量而言可忽略，故取Q2=0；先不考虑壳体内放置吸气剂，则Q:=0；壳体封离时一般初始压强在10-10-7 Pa，可近似认为Po-0。因而可将壳体内部压强随时间的变化关系式简化为Ap(t)=qdt(11)0进行积分求解得到：A(t+1 0.5811-1 V(12)经过数值计算，在前48 h壳体内的压强上升情况如图3所示。由式（12)可以计算出若壳体内没有吸气剂，经过1年、10 年和2 0 年后的放气量分别为0.14PaL、0.53Pa L和0.7 9PaL，对应造成的压强增量分别为9.8 Pa、37.5Pa 和56.2 Pa，显然不能满足半球谐振陀螺至少15年的使用寿命，因此必须要在壳体内放置具有较强吸气能力的吸气剂，吸收残余气体以及外部的微小漏气，保证壳体内部始终保0.450.400.350.300.250.200.150.100.0501105101520253035404550时间/h图3前48 h壳体内的压强上升曲线图Fig.3Curve of cavity pressure increasing in the first 48 hours持高真空环境。3吸气剂选型及吸气能力测试采用MPH100M型残余气体分析仪对真空处理后的壳体内部残余气体成分进行测量，结果表明残余气体成分主要是H2,H,O,N,和CO等。为保证HRG工作过程中壳体内始终保持优于110-Pa的高真空环境，所选用的吸气剂一方面应能够吸收壳体内的各种残余气体成分，另一方面吸气剂应具有较大的吸气容量和吸气速率，将壳体缓慢释放的各种杂气及时吸掉。另外还要考虑HRG实际使用过程中需承受的振动和冲击载荷，确保吸气剂具有较高的强度而不发生掉粉或者脱落破裂等情况。吸气剂分为蒸散型吸气剂和非蒸散型吸气剂 17-18 ，根据壳体内部的实际情况，蒸散型吸气剂不适用，故采用非蒸散型吸气剂。此外，由于激活条件和激活时机的限制，只能采用电加热激活形式的吸气剂，以实现对H2、O,和Nz等较强的吸气能力 19。吸气剂的激活条件是550 7 50 加热10 min，激活温度越高对吸气越有利，但需要控制激活过程中高温热辐射对壳体内部其他零部件造成的不利影响。当壳体在超高真空充排气台上烘烤抽至10-7 Pa的极限真空后，对吸气剂加电激活，壳体封离后吸气剂就作为吸气泵维持壳体内部的超高真空 2 0 。为测试吸气剂的吸气性能，在图2 基础上设78第6 0 卷VACUUM空真计了如图4所示的测试装置。图中F4为工位截止阀,Fs为充气管路截止阀，F.为充气微调阀，G,为薄膜规，可准确测量充气压强，其余泵、阀门和测量规管与图2 中一致。从充气微调阀F.至工位截止阀F4的管路体积为V1，工位管路的体积为V2。先吸气剂FFQDF氢气瓶G图4吸气剂吸气性能测试装置示意图Fig.4Schematic diagram of setup for testing getter capability将充气管路抽至高真空后，对吸气剂进行充分激活，吸气剂降至常温后向工位充高纯氢气，记录氢气的初始压强Pi，再打开工位阀经过吸气剂一段时间的吸气饱和后氢气压强变为P2，然后将充气管路和工位管路抽至高真空，再向工位充高纯氢气至压强为Pi，打开工位阀后记录氢气的压强P3,则可求得吸气剂的吸氢压强为P3-P2,吸氢量为（P3-Pz）（V i+V）。经图4所示的实验装置实际测量吸气剂激活后的吸氢量为2.3PaL，远超壳体自身2 0 年的放气量0.7 9PaL（忽略外部微小漏气和渗气）。将上述吸气剂装人半球谐振陀螺壳体后，连接到图2 所示的放气率测试系统中，将吸气剂充分除气和激活后，按照同样的方法和步骤测量壳体的放气率。关闭工位阀后壳体内部的真空度由于吸气剂的吸气作用先持续变好，然后稳定一段时间后再慢慢变差。从真空度变差开始测量壳体内部的等效放气率，如表2 所示。表2 方放置吸气剂后壳体内部的等效放气率Table 2Equivalent outgassing rate of inner cavity with getter时间/h102030405060708090100放气率/10-15PaL/(s?cm)3.63.84.04.14.24.03.93.73.63.5同样可求得壳体内部放置吸气剂后的等效放气速率随时间的变化关系为lgg=-15.4126-0.0057lgt(13)而壳体内部压强随时间的变化关系为AAP=qdt=3.8894 10-14 (+1 0.943-1 0V(14)由式（14）可预估壳体内部放置吸气剂后，经过1年、10 年和2 0 年后的压强增加量分别为8.910-Pa、8.7 910-4Pa 和1.8 10-3Pa，可以维持半球谐振陀螺正常使用所需要的高真空环境。壳体从超高真空排气台上封离后，就不能再直接测量壳体内部的真空度，但可通过测量谐振子的Q值来估计壳体内部的真空度范围。目前多套样机封离1年后的Q值与刚开始封离时的Q值相当，也说明了这段时间壳体内部的高真空维持较好，但还需要采取其他措施，如进一步地降低壳体本身的放气率和漏气率 2 1,采用多个或者更大吸气容量的吸气剂等，以保证半球谐振陀螺壳体能够经受更长时间以及高低温环境的考核。4结论本文从半球谐振陀螺壳体内部残余气体摩擦对谐振子的阻尼衰减影响出发，得出高精度半球谐振陀螺的真空度要求应优于110-Pa。通过测量壳体内部的放气率，推导和计算了由于多种因素放气导致的壳体封离后真空度随时间的变化关系。根据测得的壳体内部残余气体成分和含量，有针对性地选用了具有较强吸气性能的非蒸散型吸气剂。通过对吸气剂吸气量的测试、放置吸气剂后壳体内部等效放气率测试和监测陀螺样机封离后的Q值变化表明，该吸气剂可以满足维持半球谐振陀螺在工作寿命期间所需要的高真空环境。本文的分析研究具有较强的工程化应用价值，对其他型号的半球谐振陀螺研制也具有一定的参考作用。参考文献1 潘瑶，曲天良，杨开勇，等.半球谐振陀螺研究现状与发展趋势 J.导航定位与授时，2 0 17，4(2)：9-13.79第4期张红波，等球谐振陀螺高真空维持技术2DELHAYE F,GIRAULT J P.HRG technological breakthough for advanced space launcher inertial referencesystem C/The 25th Saint Petersburg Internationalconference on Integrated Navigation Systems.St.Petersburg.Russia:IEEE,2018.3曲天良.半球谐振陀螺研究现状、关键技术和发展趋势分析 J.光学与光电技术，2 0 2 2，2 0(2)：1-16.4彭慧，方针，谭文跃，等.半球谐振陀螺发展的技术特征 J.导航定位与授时，2 0 19,6(4)：10 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