解析国产守时型氢钟性能的初步测试

 

　　1 引言

　　原子钟，它初本是由物理学家创造出来用于探索宇宙本质的；他们从来没有想过这项技术有朝一日竟能应用于的导航系统上。根据量子物理学的基本原理，原子是按照不同电子排列顺序的能量差，也就是围绕在原子核周围不同电子层的能量差，来吸收或释放电磁能量的。这里电磁能量是不连续的。当原子从一个"能量态"跃迁至低的"能量态"时，它便会释放电磁波。这种电磁波特征频率是不连续的，这也就是人们所说的共振频率。同一种原子的共振频率是一定的-例如铯133的共振频率为每秒9192631770周。因此铯原子便用作一种节拍器来保持高度的时间。

　　氢钟 一种精密的计时器具。在现代的许多科学实验室和生产部门，广泛使用各种精密的时钟，氢钟就是其中的一种。氢钟与铯钟一样。是利用原子能级跳跃时辐射出来的电磁波去控制校准石英钟，但它用的是氢原子。这种钟的稳定程度与铯钟差不了多少，每天变化只有十亿分之一秒。也就是说在差不多300万年间，只有1秒之差。 但它的准确程度还比铯钟稍微差一点。氢钟亦是常用的时间频率标准，被广泛用于射电天文观测、高时间计量、火箭和导弹的发射、核潜艇导航等方面。氢钟首先在1960年为美国科学家拉姆齐研制成功。

　　守时型原子钟要求具有很高的长期运转可靠性和稳定性，在中国科学院知识创新工程经费的支持下，经过技术准备，上海天文台开始了为国家授时中心时频基准系统研制守时型氢钟的工作。两台主动型氢钟H45和H46于2005年初运抵国家授时中心。国家授时中心时频基准实验室随即展开测试验收工作，通过一年多严格和全面的测试，基本掌握了该种钟的运行特性，目前这两台钟已经加入NTSC的守时系统，其时差数据也定期报送BIPM.通过对测试数据和问题的分析反馈，也为守时型氢原子钟的生产、设计、改进提供了依据。

　　2 针对国产氢钟性能的改进

　　改进主要针对改善长期运转可靠性、改善温度效应从而提高稳定性能指标方面来进行：

　　（1）真空泵用美国Varian公司的钛离子泵代替。近一年多的考机运转，未发现明显的高压打火现象。克服了国产钛离子泵经常高压打火这一弊端；

　　（2）原子储存泡由圆形改为椭球泡，避免圆形泡内微波电磁场有可能存在的相位相反方向问题，有效地增加了填充因子10%以上。

　　（3）磁屏蔽筒壁厚由0.9mm增加到1.2mm,改善了屏蔽系数，有效地增加了磁屏蔽效果。（引自王义遒老师的《量子频标原理》第433页公式7.4.12）

　　（4）谐振腔端面及盖板处理工艺的改进，将谐振腔端面与盖板之接触面抛光到光学平，是这两台氢钟与上海天文台以往氢钟另一个显着不同之处。这种措施对氢钟的长期稳定度和频率漂移率将有明显改善，这由下面分析可以看出。腔频变化引起氢脉泽输出频率的变化由下式表示：

　　对于典型的氢脉泽腔，它的共振频率对腔长的变化率近似为10MHz/cm,对于Q腔/Q线~10-5,则腔长变化一个原子的线度（10-8cm）将引起钟输出的相对频率变化10-15.

　　（5）电子学系统的改进：

　　A.温度控制

　　改变恒温控制电路，原控制电路为固定增益式，现改为反馈放大式，使温度控制从5%到2%.钟的温度系数从1E-13改善到<5E-14.

　　B.铁氧体隔离器改进

　　隔离器隔离度从30dB升高到60dB.高频放大器噪声系数从1.5dB降低0.7 dB.

　　C.自动调谐器

　　原自动调谐器温漂较大，改进其中的电路：

　　（1）移相器原为模拟电路，其中用到了较大的电阻和电容，存在温度效应，现改成数字移相，去掉了电阻电容。

　　（2）积分器原采用的是运放LF356,零漂为5uV/ ℃ ,现改用AD8610,零漂为0.5uV/ ℃ .

　　经以上改进后，有望改善氢钟的温度效应。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图1 NTSC不同类型守时钟的日差曲线
　　3 国产氢钟性能初步测试

　　噪声和波动情况反映的是钟的短期频率稳定性情况。图1是NTSC守时系统中不同类型原子钟的日差曲线。从图中可以看到，H45和H46的短期频率波动要明显大于Sigma-tau氢钟，与5071A铯钟相当；曲线中速率突变的地方是因为钟房温度剧变引起的，其环境温度带来的时差变化约为10ns/±1oC.然而，同时可以看到，两台Sigma-tau氢钟具有明显的速率漂移，其后果是尽管其短期波动小，但在TAI归算中的权重依然很低（H45和H46与其相当），这是由于国际原子时TAI归算方法（ALGOS算法）主要考察的是守时钟的长期稳定性能。

　　氢钟由于其短期（小于1天）的频率稳定度明显优于铯钟而倍受时间（频率）测量、空间技术等领域的青睐，而它的长期性能因其物理结构的原因，目前还赶不上铯钟。所以，氢钟长期运转中自身的速率漂移问题明显地制约了氢钟成为守时系统的频率标准之一，在地方原子时的保持中难与铯钟并驾齐驱，也使其在要求高稳定度的原子时TAI计算中占据的份额较小，即使是非常稳定的速率漂移也无法在TAI计算中得到高权。

　　从两台氢钟开始运转的时差数据来分析其性能，可以得到如下结论：两台钟短期频率起伏均较大，比5071A高性能管略差。后来通过给两台钟更换综合器FPGA芯片以后，使其温度效应明显改善，钟稳定性提高，目前，H45和H46的短期频率波动比Sigma-tau氢钟略大，与5071A铯钟相当。从而可以看到，国产氢钟仍然有提高其稳定性的潜力，这需要研制单位根据测试结果，特别是长期运行性能来不断加以改进。

　　钟的稳定度测试采用比对数据分析计算来得到。表1和图2为选择某段时期氢钟房环境温度恒定时三类守时钟（美国Sigma-tau,上海氢钟H46,铯5071A）相对于12台5071A铯原子钟平均时间尺度TA'（12Cs）的稳定度（日期：2006年4月15日- 5月15日），稳定度的计算采用Allan方差（公式略）。从初步计算结果看，在环境温度保持稳定（温度变化小于±0.5oC）时，H46短稳略差于美国氢钟，中、长稳后与Sigma-tau相当，当然由于采样时间短，因此其性能还需要更多数据来论证。

　　表1 三种守时钟相对于TA'（12Cs）的稳定度

　　　　　　　　　　　　　　图2 NTSC三类守时钟相对于TA’(12Cs)的稳定度
　　4 结论

　　从技术层面来说，国产氢钟经过许多年的努力，通过不断的技术革新如真空、储存泡、磁屏蔽等，比较起以前产品来说，稳定度和可靠性有了显着的提高。其不足是：连续稳定运转的能力尚需进一步改进，这是做为守时钟的基础。同时，要进一步改进短稳及相躁，以得到良好的稳定性能。

　　总之，国产氢钟在高精密守时应用中取得了可喜的成绩，但是要真正替代进口，满足守时钟关于稳定性、可靠性的要求还需要作进一步改进。同时，在改进加工工艺、增加辅助系统如直流供电和内部干电池等方面还需进一步努力。