陳江,王驥,馬沛,郭磊,涂建輝,楊煒,崔敬忠,馬寅光,成大鵬

(蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,蘭州 730000)

0 引言

小型磁選態(tài)銫原子鐘具有準(zhǔn)確度高、長期穩(wěn)定性好及環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn),可作為一級頻率標(biāo)準(zhǔn)使用[1-2]。從20世紀(jì)60年代,國內(nèi)開始了小型磁選態(tài)銫原子鐘(簡稱小銫鐘或銫鐘)的研制[3-4],2000年后在國家有關(guān)部門大力支持下,小銫鐘的研制進(jìn)度加快,2006年研制出了性能指標(biāo)與HP5061A相當(dāng)?shù)男⌒痛胚x態(tài)銫鐘[3],2011年研制出了頻率穩(wěn)定度與HP5071A(標(biāo)準(zhǔn)型)相當(dāng)?shù)匿C原子鐘[5],2015年解決了銫束管壽命短的問題,在此基礎(chǔ)上于2016年開發(fā)出了長壽命的LIP Cs3000銫鐘,使銫鐘研制推進(jìn)了一大步。為進(jìn)一步提高國產(chǎn)小銫鐘頻率穩(wěn)定度,我們在LIP Cs3000銫鐘的基礎(chǔ)上開發(fā)出了LIP Cs3000C銫鐘,如圖1所示,本文報(bào)道了LIP Cs3000C銫鐘的性能指標(biāo)測試結(jié)果。

圖1 LIP Cs3000C銫鐘實(shí)物圖

本文第1節(jié)介紹銫鐘LIP Cs3000C的基本情況及頻率穩(wěn)定度測試結(jié)果,第2節(jié)介紹了影響銫鐘壽命的關(guān)鍵因素及LIP Cs3000C的壽命測試,第3節(jié)是總結(jié)和下一步工作。

1 穩(wěn)定度指標(biāo)測試

銫鐘LIP Cs3000C是在LIP Cs3000的基礎(chǔ)上開發(fā)出來的,在介紹LIP Cs3000C之前有必要先介紹LIP Cs3000的情況。銫鐘LIP Cs3000物理部分的束光學(xué)采用了單束的S型方案,這是目前國際上普遍采用的方案,該方案相比于雙束,銫原子可以利用更均勻的微波磁場,從而減小了Ramsey牽引[6-7]。LIP Cs3000的電路采用了數(shù)字化技術(shù),對倍增器電壓自動(dòng)調(diào)節(jié),以保證輸出電流穩(wěn)定,同時(shí)對微波功率和C場電流自動(dòng)優(yōu)化,以減小外界環(huán)境產(chǎn)生的影響。該鐘在中國計(jì)量院進(jìn)行了測試,參考源采用SigmaTau氫鐘,測試結(jié)果表明銫鐘LIP Cs3000的穩(wěn)定度指標(biāo)與5071A(標(biāo)準(zhǔn)型)銫鐘相當(dāng),示于表1。表1同時(shí)列出了5071A(高性能型)銫鐘的指標(biāo),可以看到LIP Cs3000的指標(biāo)與5071A(高性能型)有差距。

表1 LIP Cs3000銫鐘的頻率穩(wěn)定度指標(biāo)

為提高LIP Cs3000頻率穩(wěn)定度性能,我們在兩方面做了改進(jìn),得到了新版本LIP Cs3000C:① 將電路中的倍頻、9.2 G及PLL(phase locked loop)等3個(gè)模塊合并成一個(gè)模塊——微波模塊,使微波信號的相噪在10 Hz和100 Hz處降低了約10 dB,如表2所示,其目標(biāo)是提升短期穩(wěn)定度；② 對微波功率的控制由模擬式AGC(automatic gain control)改進(jìn)為數(shù)字增益控制并引入自動(dòng)反饋算法,期望改進(jìn)長期穩(wěn)定度,這樣當(dāng)外界溫度發(fā)生變化時(shí),可以更精確調(diào)節(jié)微波功率從而更好地消除溫度變化帶來的頻率漂移。

表2 LIP Cs3000和LIP Cs3000C電路部分微波信號相噪的比較

LIP Cs3000C的頻率穩(wěn)定度測試采用了頻率穩(wěn)定度測試儀VCH-314,參考鐘采用了iMaser3000氫鐘。測試結(jié)果見圖2與表3。

圖2 LIP Cs3000C的頻率穩(wěn)定度測試數(shù)據(jù)圖

表3 LIP Cs3000C銫鐘的頻率穩(wěn)定度指標(biāo)對比

比較表3和表1,可以發(fā)現(xiàn)LIP Cs3000C的測試數(shù)據(jù)相對于LIP Cs3000有了較大的提升,且與5071A(高性能型)銫鐘相當(dāng),可見改進(jìn)是有效果的。需要說明的是,5071A(高性能型)公布的指標(biāo)是其保證能夠達(dá)到的最低要求,實(shí)際指標(biāo)往往高于表3列出的數(shù)據(jù),有的甚至能高出半個(gè)量級,因此國產(chǎn)小銫鐘要真正達(dá)到5071A(高性能型)的水平還有一段路要走。

2 LIP Cs3000C的壽命

影響小銫鐘壽命的主要因素包括離子泵的失效、離化絲的脆斷、銫束管的真空污染、金屬銫的消耗完畢及電子倍增器的壽命終了等[8],其中前3個(gè)因素可以通過改進(jìn)工藝解決,第4個(gè)通過增加裝銫量得到改善,最后一個(gè)因素——國產(chǎn)電子倍增器壽命只有2～6個(gè)月——是長期以來影響銫鐘壽命的瓶頸因素。

電子倍增器的作用是放大信號電流,將皮安級的電流放大到幾十甚至上百納安用于鎖頻。倍增器在連續(xù)工作時(shí)放大倍數(shù)即增益將持續(xù)衰減,這是任何倍增器的固有特性。國產(chǎn)倍增器壽命短是由于增益衰減過快造成的。2015年我們通過濺射鍍膜技術(shù)解決了該問題,研制出了長壽命的電子倍增器。

當(dāng)改變倍增器電壓時(shí),增益將相應(yīng)改變[9],頻標(biāo)電路可以利用這一特性實(shí)現(xiàn)對倍增器電壓的自動(dòng)調(diào)節(jié),當(dāng)增益下降時(shí)便提高電壓,當(dāng)增益上升便降低電壓,以保證倍增器增益始終不變,從而輸出一個(gè)穩(wěn)定的電流。通過該技術(shù),將增益的變化轉(zhuǎn)化成了電壓的變化,因此可以根據(jù)電壓變化來判斷倍增器的壽命。銫鐘正常工作時(shí),由于倍增器增益的持續(xù)下降,我們便看到其工作電壓不斷上升,當(dāng)?shù)竭_(dá)電路提供的最大電壓值時(shí),銫鐘壽命終止。考慮到上升的趨勢近似是線性的[8,10],因此只要測得每天電壓增幅,就可以根據(jù)我們提出的如下公式:

(1)

計(jì)算出以年為單位的壽命T,式(1)中V1是倍增器的起始工作電壓,V2是電路可提供的最大電壓,ΔV代表電壓每天增幅。

為了評估LIP Cs3000C的壽命,我們對該鐘倍增器電壓進(jìn)行了連續(xù)45 d的測試,圖3是測得的電壓變化曲線,據(jù)此可得ΔV≈0.3 V。LIP Cs3000C的起始工作電壓V1=1 665 V,電路可提供的最大電壓V2=2 600 V。根據(jù)式(1)得到倍增器壽命約為8.5年?？紤]到LIP Cs3000C的裝銫量為5 g,金屬銫的消耗量接近1 g/年,因此5年后金屬銫將消耗完。綜合上述兩個(gè)因素,預(yù)計(jì)LIP Cs3000C的壽命為5年。這里需要指出,長期以來國產(chǎn)銫鐘由于倍增器增益衰減過快,壽命不超過1年,一旦倍增器問題解決,影響壽命的其他因素就出現(xiàn)了,如裝銫量成為重要因素,如果LIP Cs3000C裝載更多的金屬銫,就可以進(jìn)一步提高壽命。

圖3 LIP Cs3000C的倍增器電壓變化曲線

3 總結(jié)

不斷提高銫原子鐘的性能指標(biāo)是我們孜孜以求的目標(biāo)之一。通過改進(jìn)和優(yōu)化電路結(jié)構(gòu),我們研制的LIP Cs3000C相比于LIP Cs3000在頻率短期和長期穩(wěn)定度方面有了明顯提升,測得的指標(biāo)優(yōu)于國外產(chǎn)品5071A(標(biāo)準(zhǔn)型),和5071A(高性能型)小銫鐘相當(dāng)；根據(jù)倍增器每天電壓增幅與銫束管的裝銫量,估算出LIP Cs3000C的壽命為5年。下一步的工作思路是選用更高信噪比的銫束管,優(yōu)化裝銫量,進(jìn)一步提升國產(chǎn)小銫鐘的性能。