國產(chǎn)守時型氫鐘性能的初步測試

1 引言

        原子鐘是標(biāo)準(zhǔn)時間產(chǎn)生與保持中的關(guān)鍵設(shè)備，中科院國家授時中心的守時原子鐘多年來一直依賴進(jìn)口，美國作為當(dāng)今世界上高精密守時鐘的主要生產(chǎn)國家對我國實(shí)行嚴(yán)格的出口限制。上海天文臺1970年開始?xì)溏娧兄?，其真正?shí)用型氫鐘的研制成功是在1987年。這種氫鐘從1989年開始，已先后生產(chǎn)了四十多臺，用于中國VLBI網(wǎng)、衛(wèi)星測控、計量以及導(dǎo)航定位系統(tǒng)等國家重要科學(xué)試驗(yàn)項目及軍工任務(wù)中。然而，由于大多數(shù)該類型氫鐘的長期穩(wěn)定度性能較低（未進(jìn)入10-15），更重要的是其可靠性，尤其是長期運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性指標(biāo)較低，不能滿足高精密守時的需要，因此一直以來主要作為頻率標(biāo)準(zhǔn)使用。

　　上海天文臺前期研制生產(chǎn)的40臺左右的氫鐘實(shí)際使用表明：(1)大多數(shù)氫鐘的長期穩(wěn)定度性能較低，未進(jìn)入10-15 ；(2)其可靠性，尤其是長期運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性指標(biāo)也低。實(shí)際使用中所暴露出的不可靠性問題，主要集中在真空鈦離子泵高壓打火和真空系統(tǒng)微漏氣。鈦泵打火使真空背景瞬間變壞，影響脈澤振蕩，嚴(yán)重時導(dǎo)致鎖相系統(tǒng)瞬間失鎖，使輸出頻率發(fā)生變化；而真空系統(tǒng)漏氣，使真空本底壓力升高，氫工作流量增大，加重鈦泵負(fù)擔(dān)，縮短鈦泵壽命。

        守時型原子鐘要求具有很高的長期運(yùn)轉(zhuǎn)可靠性和穩(wěn)定性，在中國科學(xué)院知識創(chuàng)新工程經(jīng)費(fèi)的支持下，經(jīng)過技術(shù)準(zhǔn)備，上海天文臺開始了為國家授時中心時頻基準(zhǔn)系統(tǒng)研制守時型氫鐘的工作。兩臺主動型氫鐘H45和H46于2005年初運(yùn)抵國家授時中心。國家授時中心時頻基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室隨即展開測試驗(yàn)收工作，通過一年多嚴(yán)格和全面的測試，基本掌握了該種鐘的運(yùn)行特性，目前這兩臺鐘已經(jīng)加入NTSC的守時系統(tǒng)，其時差數(shù)據(jù)也定期報送BIPM。通過對測試數(shù)據(jù)和問題的分析反饋，也為守時型氫原子鐘的生產(chǎn)、設(shè)計、改進(jìn)提供了依據(jù)。

2 針對國產(chǎn)氫鐘性能的改進(jìn)

        改進(jìn)主要針對改善長期運(yùn)轉(zhuǎn)可靠性、改善溫度效應(yīng)從而提高穩(wěn)定性能指標(biāo)方面來進(jìn)行：

　?。?）真空泵用美國Varian公司的鈦離子泵代替。近一年多的考機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，未發(fā)現(xiàn)明顯的高壓打火現(xiàn)象?？朔藝a(chǎn)鈦離子泵經(jīng)常高壓打火這一弊端；

　?。?）原子儲存泡由圓形改為橢球泡，避免圓形泡內(nèi)微波電磁場有可能存在的相位相反方向問題，有效地增加了填充因子10%以上。

　?。?）磁屏蔽筒壁厚由0.9mm增加到1.2mm，改善了屏蔽系數(shù)，有效地增加了磁屏蔽效果。（引自王義遒老師的《量子頻標(biāo)原理》第433頁公式7.4.12）

　　（4）諧振腔端面及蓋板處理工藝的改進(jìn)，將諧振腔端面與蓋板之接觸面拋光到光學(xué)平，是這兩臺氫鐘與上海天文臺以往氫鐘另一個顯著不同之處。這種措施對氫鐘的長期穩(wěn)定度和頻率漂移率將有明顯改善，這由下面分析可以看出。腔頻變化引起氫脈澤輸出頻率的變化由下式表示：

        對于典型的氫脈澤腔，它的共振頻率對腔長的變化率近似為10MHz/cm，對于Q腔/Q線～10-5,則腔長變化一個原子的線度（10-8cm）將引起鐘輸出的相對頻率變化10-15。

　?。?）電子學(xué)系統(tǒng)的改進(jìn)：

　　A．溫度控制
　　改變恒溫控制電路，原控制電路為固定增益式，現(xiàn)改為反饋放大式，使溫度控制精度從5％到2%。鐘的溫度系數(shù)從1E-13改善到<5E-14。

　　B．鐵氧體隔離器改進(jìn)
　　隔離器隔離度從30dB升高到60dB。高頻放大器噪聲系數(shù)從1.5dB降低0.7 dB。

　　C．自動調(diào)諧器
　　原自動調(diào)諧器溫漂較大，改進(jìn)其中的電路：
　?。?）移相器原為模擬電路，其中用到了較大的電阻和電容，存在溫度效應(yīng)，現(xiàn)改成數(shù)字移相，去掉了電阻電容。
　?。?）積分器原采用的是運(yùn)放LF356，零漂為5uV/ ℃ ，現(xiàn)改用AD8610，零漂為0.5uV/ ℃ 。

        經(jīng)以上改進(jìn)后，有望改善氫鐘的溫度效應(yīng)。

圖1 NTSC不同類型守時鐘的日差曲線

3 國產(chǎn)氫鐘性能初步測試

        噪聲和波動情況反映的是鐘的短期頻率穩(wěn)定性情況。圖1是NTSC守時系統(tǒng)中不同類型原子鐘的日差曲線。從圖中可以看到，H45和H46的短期頻率波動要明顯大于Sigma-tau氫鐘，與5071A銫鐘相當(dāng)；曲線中速率突變的地方是因?yàn)殓姺繙囟葎∽円鸬?，其環(huán)境溫度帶來的時差變化約為10ns/±1oC。然而，同時可以看到，兩臺Sigma-tau氫鐘具有明顯的速率漂移，其后果是盡管其短期波動小，但在TAI歸算中的權(quán)重依然很低（H45和H46與其相當(dāng)），這是由于國際原子時TAI歸算方法（ALGOS算法）主要考察的是守時鐘的長期穩(wěn)定性能。

        兩臺國產(chǎn)守時型氫鐘經(jīng)過一年多時間的運(yùn)行，從守時工作的連續(xù)、可靠運(yùn)行要求來看，其中一臺鐘（H45）出現(xiàn)多次技術(shù)故障，可靠性差，難以做為守時鐘使用；另外一臺H46基本上連續(xù)運(yùn)行，表現(xiàn)良好。

        從兩臺氫鐘開始運(yùn)轉(zhuǎn)的時差數(shù)據(jù)來分析其性能，可以得到如下結(jié)論：兩臺鐘短期頻率起伏均較大，比5071A高性能管略差。后來通過給兩臺鐘更換綜合器FPGA芯片以后，使其溫度效應(yīng)明顯改善，鐘穩(wěn)定性提高，目前，H45和H46的短期頻率波動比Sigma-tau氫鐘略大，與5071A銫鐘相當(dāng)。從而可以看到，國產(chǎn)氫鐘仍然有提高其穩(wěn)定性的潛力，這需要研制單位根據(jù)測試結(jié)果，特別是長期運(yùn)行性能來不斷加以改進(jìn)。

        鐘的穩(wěn)定度測試采用比對數(shù)據(jù)分析計算來得到。表1和圖2為選擇某段時期氫鐘房環(huán)境溫度恒定時三類守時鐘（美國Sigma-tau,上海氫鐘H46，銫5071A）相對于12臺5071A銫原子鐘平均時間尺度TA’(12Cs)的穩(wěn)定度（日期：2006年4月15日- 5月15日）,穩(wěn)定度的計算采用Allan方差（公式略）。從初步計算結(jié)果看，在環(huán)境溫度保持穩(wěn)定（溫度變化小于±0.5oC）時，H46短穩(wěn)略差于美國氫鐘，中、長穩(wěn)后與Sigma-tau相當(dāng)，當(dāng)然由于采樣時間短，因此其性能還需要更多數(shù)據(jù)來論證。

表1 三種守時鐘相對于TA’(12Cs)的穩(wěn)定度

圖2 NTSC三類守時鐘相對于TA’(12Cs)的穩(wěn)定度

4 結(jié)論

        從技術(shù)層面來說，國產(chǎn)氫鐘經(jīng)過許多年的努力，通過不斷的技術(shù)革新如真空、儲存泡、磁屏蔽等,比較起以前產(chǎn)品來說,穩(wěn)定度和可靠性有了顯著的提高。其不足是：連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的能力尚需進(jìn)一步改進(jìn)，這是做為守時鐘的基礎(chǔ)。同時，要進(jìn)一步改進(jìn)短穩(wěn)及相躁，以得到良好的穩(wěn)定性能。

        總之，國產(chǎn)氫鐘在高精密守時應(yīng)用中取得了可喜的成績，但是要真正替代進(jìn)口，滿足守時鐘關(guān)于穩(wěn)定性、可靠性的要求還需要作進(jìn)一步改進(jìn)。同時，在改進(jìn)加工工藝、增加輔助系統(tǒng)如直流供電和內(nèi)部干電池等方面還需進(jìn)一步努力。