銫原子頻標伺服優化技術的研究

王曉露,黃 凱,高連山

(北京無線電計量測試研究所,北京 100024)

銫原子頻標伺服優化技術的研究

王曉露,黃 凱,高連山

(北京無線電計量測試研究所,北京 100024)

介紹了銫原子頻標整機伺服優化的總體思路,詳細分析了影響銫原子頻標指標的各個參數,并提出了整機伺服優化的5個環路及其實現方案。通過試驗驗證所提出的伺服優化方案可行、有效。

銫原子頻標；伺服環路優化；參數

0 引言

銫原子鐘以其優良的長期穩定性和高可靠性的優勢,成為世界一級頻率標準和高精度基準鐘,無論在地面守時系統還是在星載應用領域都發揮著巨大的作用。經過幾十年的努力,我國銫原子鐘的研制取得了一些成績。目前國外商品化銫鐘產品的一個共同特點是具備整鐘伺服優化技術,通過對其內部狀態的監測,由電路對影響其指標的各項參數進行實時監控,此功能決定了整機技術指標和使用壽命等關鍵因素。銫鐘的整機伺服優化設計,減小了銫鐘信號的漂移,延長了整機的壽命,提高了銫鐘的頻率穩定度和頻率準確度指標,使其技術指標受溫度、磁場和濕度的影響可以忽略不計。北京無線電計量測試研究所研制的銫原子鐘具有整機伺服優化技術,其技術指標超越了5071A標準管的水平,接近5071A優選管的水平。本文將對銫原子鐘的伺服優化技術的原理和實現加以介紹。

1 銫原子鐘整機伺服優化的總體思路

當微波饋入信號以頻率f掃描鐘頻時,銫束管輸出的誤差信號如圖1所示。大共振信號(稱為Rabi共振或Pedestal)的頂端為干涉條紋(Ramsey模式),條紋的中心線為饋入信號的參考頻率,從而鎖定晶振頻率。此外,還有其他6條諧振線對稱分布于中心譜線兩側(Zeeman線),間距均勻(其中的一條線如圖1所示)。

圖1 銫束管輸出信號Fig.1 Output signal of cesium-beam tube

銫原子鐘伺服優化的工作過程：

1)對銫原子鐘輸出的誤差信號進行分析和判斷,將埋于噪聲中的有用信號提取出來,判斷信號偏離方向；對晶體振蕩器進行糾偏,當晶體振蕩器處于正確的頻率點時,停止控制直到發現新的偏離信號后再繼續工作；

2)通過對多項銫束管參數進行測控,使處于躍遷環境中的銫原子保持穩定的狀態。

2 銫束管參數及環境變化對銫原子鐘的影響

(1)C場電流變化對頻率準確度的影響

設置C場電流為12.0000mA、12.50000mA和13.0000mA,測量在每一個C場電流下銫原子鐘的頻率準確度,數據如表1所示。

表1 C場電流與頻率準確度關系

從表1可以看出,不同的C場電流,銫原子鐘的頻率準確度不同。

(2)微波功率變化對頻率準確度的影響

我們設置微波功率為-6.5dBm、-7.0dBm(最佳微波功率)和-7.5dBm,測量在每一個微波功率下銫原子鐘的頻率準確度,數據如表2所示。

表2 微波功率與頻率準確度關系

從表2可以看出,不同的微波功率,銫原子鐘的頻率準確度不同。

(3)外界環境溫度對頻率準確度的影響

改變外界環境溫度,測量頻率準確度的改變(對銫鐘不進行伺服優化),數據如表3所示。

表3 外界環境溫度對頻率準確度的影響

從表3可以看出,隨著外界環境溫度變化,銫原子鐘的頻率準確度也發生了變化。

C場電流和微波功率都是由電路產生的,電路本身存在小范圍的漂移現象。因此,不可避免地造成C場電流和微波功率的變化,而且外界環境也會發生改變。因此,要保證銫原子鐘的長期穩定特性,銫原子鐘的伺服優化是很有必要的。

3 銫原子鐘伺服優化的實現

銫原子鐘的整機伺服優化需要5個獨立的穩定調節環路,分別是主控制環路、銫爐穩定環路、C場自動調節環路、微波功率自動調節環路和電子倍增器自動調節環路。

(1)主控制環路

10MHz晶體振蕩器的鎖定是銫原子鐘的主控制環路,也是最基本的自動控制環。鎖定的基本原理如圖2所示。

圖2 10MHz晶體振蕩器伺服原理示意圖Fig.2 Principle of 10MHz crystal oscillator servo loop

銫原子鐘在進行頻率鎖定時,需要在微波頻率上加一個調制信號。在這里使用方波調制,可以改善互調效應給被動式頻標引入噪聲,從而提高了頻標的穩定度,如圖2所示。

在中心頻率9192631770Hz上下等距離的位置(中心峰的3dB帶寬)分別將產生的方波調制微波信號饋入到銫束管中,當不同的激勵信號進入微波腔與銫原子作用后,將產生不同幅度的強度信號,通過對誤差信號的采集可以獲取中心頻率與躍遷頻率偏差,這一信息可以指導主控制環路對10MHz晶振進行糾偏,當達到鎖定狀態時,誤差信號將為0。伺服系統還具有判斷誤差信號是否為頻率偏差的判斷能力,當受外界干擾時,伺服系統能夠對干擾進行排除,同時,當達到鎖定狀態時,停止對10MHz糾偏,消除伺服系統的固有誤差。

(2)銫爐穩定環路

根據銫束管研制方提供的熱敏電阻值與銫爐溫度的關系,將爐溫控制在合適的工作溫度上,并保證爐溫的變化不會影響銫原子鐘性能。

銫爐溫度的精確控制采用電橋平衡方法。調整爐溫控制放大器的輸入電壓,控制加熱元件,通過反饋電壓實現銫爐的自動控制。試驗表明,在達到設定的爐溫后,熱敏電阻值變化<1Ω,對應的溫度與電阻值對應曲線為1℃/80Ω,因此控溫精度為<0.0125℃。圖3所示為銫爐的爐溫控制過程,可以看出,在控制的初始階段會產生一些震蕩,之后逐漸平穩,銫爐溫度可以穩定在<0.0125℃。

圖3 銫爐電阻控制過程Fig.3 Control process of cesium stove resistance

(3)C場自動調節環路

C場的作用是：

1)使mF=0的態從其他超精細磁能態中分離出來；

2)使A磁鐵中建立的原子磁能態不致因通過零磁場而混雜；

3)提供空間取向以選出σ躍遷。

C場值的變化將直接導致銫原子鐘頻率準確度的變化。因此,必須對C場電流,也就是對銫束管中的輻射場相互作用區和漂移區的恒定磁場,進行穩定控制。根據原子躍遷頻率與磁場強度的關系

(1)來確定C場電流值。式中,ν0為9192631770Hz,ν(0-0)為使原子發生躍遷的微波激勵信號頻率,H0是磁場強度,單位為高斯。同時對C場進行穩定控制,控制精度為波動<0.01%。

但是,實際情況是即便達到了上述的C場電流穩定度要求,由于環境溫度等外界因素發生變化,C場結構也會發生變化；C場結構材料剩余磁場隨環境變化而變化；外界磁場的變化等因素都能夠引起場強發生變化。要解決由于C場場強變化帶來的問題,必須對C場實現閉環控制,隨外界變化而改變C場電流,保證C場場強強度一致,從而獲得較高指標的長期頻率穩定度。

對于ΔF=±1,ΔmF=0的躍遷,躍遷頻率為

ν(4,mF?3,mF)=ν0+7.0083×105mFH0+

(2)

對于mF=±1的2個躍遷頻率差為

Δν=ν(4,+1?3,+1)-ν(4,-1?3,-1)=2×7.0083×105H0

(3)

從式(2)和式(3)可知,C場場強與mF=±1的2個躍遷頻率差呈正比,可以通過調整C場電流值來保證mF=±1的2個躍遷頻率差不變,從而保證C場場強的一致性。因此,C場伺服優化的重點在于如何準確地測量mF=±1的2個躍遷頻率。

圖4所示為掃描銫束管mF=+1峰的曲線圖。從圖4中可以看出,mF=+1峰是不對稱的,這一點與中央峰不同,這個不對稱性是由銫束管的工藝決定的。

C場電流閉環控制的方法有兩種。

方法1：根據式(1),設定中心頻率后,C場電流隨之確定。在mF=+1或者mF=-1峰的微波頻率附近,施加調變頻率將檢測到誤差信號,這個誤差信號在實際磁場強度與設定值一致時,將達到最小值,以此來判斷C場電流是否為最佳C場電流。這個方法與主控制環路的方法相似,但是由于銫束管的制作工藝問題,mF=±1峰很難做到像中央峰一樣的對稱,如圖4所示。因此,采用方法1進行C場伺服優化時會存在一個固定偏差。

圖4 銫束管mF=+1峰曲線圖Fig.4 The curve of cesium-beam tube mF=+1 apices

方法2：當整鐘鎖定后,微波饋入信號掃描9192666770～9192681770Hz頻率確定mF=+1峰的頻率值,掃描9192581770～9192596770Hz頻率確定mF=-1峰的頻率值。采用曲線擬合的方法來確定mF=±1峰的頻率值。經過分析采用256個點的曲線擬合,最小值即為mF=±1峰的頻率值,如圖5所示。

圖5 256個點曲線擬合Fig.5 Curve fitting of 256 dots

(4)微波功率自動調節環路

微波激勵信號功率的漂移是影響銫束頻標長期穩定工作的主要因素之一。微波功率的變化是通過Rabi牽引影響頻標準確度的,Ramsey腔的微波泄漏不僅會給銫束頻標引入頻移,也能夠增大頻標對微波功率變化的敏感度。多份資料指出,微波功率頻移對銫束頻標性能影響顯著,需要控制微波功率,應使微波功率變化小于0.05dB。與C場電流一樣,多種外界因素譬如環境溫度的變化等將使微波腔產生一定的形變,使銫原子感受到微波功率發生了變化。也就是說,即使微波功率保持不變,但外界因素仍能使實際發生作用的微波功率發生變化。我們通過對微波功率的伺服控制,達到使原子感受到穩定的微波功率,最終提高了頻率長期穩定度。

微波功率的伺服優化分為兩部分：開機最佳微波功率的自動調整和伺服過程中微波功率的自動調整。

在銫原子鐘開機,銫束管、晶體振蕩器達到工作溫度后,電路系統啟動最佳微波功率調整,自動搜索得到最佳微波功率,并以此功率進行閉環鎖定。在主環路閉環鎖定過程中,實時監測微波功率與輸出誤差信號的變化關系趨勢,進而來調整微波功率,使微波功率始終保持穩定。

通過在不同微波功率下,對銫束管進行Ramsey掃描可以發現,相同的微波激勵頻率信號在攜帶不同的能量進入微波腔內與銫原子作用時,引起的銫原子躍遷數量不同,也就是說同樣微波頻率不同微波功率的激勵信號,將導致銫束管輸出的熒光信號大小不同。

在不同微波功率條件下,對銫束管Ramsey線形進行測量,測量結果如表4所示。

表4 微波功率與峰值關系

從表4可以看出,存在一個最佳的微波功率值,在這個微波功率作用下,Ramsey線形的峰值和峰峰值均最大,對微波功率的伺服就是利用這樣一個特點進行的。在最佳微波功率時,熒光信號最強,比最佳微波功率大一點或者小一點所獲得的熒光信號都較小。圖6所示為中心頻率峰值隨微波功率的變化趨勢圖。其中中心頻率峰值最大處對應的微波功率就是銫鐘的最佳微波功率。

圖6 中央峰值隨微波功率變化曲線圖Fig.6 The curve of peak value changed with microwave power

從圖6可以看出,中心頻率峰值隨微波功率的變化具有明顯的不對稱性。這里我們采用256個點曲線擬合的方法來確定最佳微波功率。

(5)電子倍增器自動調節環路

從我們所掌握的針對國外和國內銫束管試驗結果和理論分析得到：電子倍增器放大量將隨著工作時間的增長而變小。當中央峰的峰峰值達到一定門限后,銫原子鐘就能夠穩定工作,小于這個門限就無法正常工作,因此,必須也只能通過增大電子倍增器的供電電壓,也就是增大電子倍增器的級間電壓來彌補放大量的變小趨勢。電子倍增器還具有這樣的一個特性：工作電壓越高,性能下降越快。因此,在滿足門限的前提下,電子倍增器電壓有一個從小到大逐漸變化的控制過程。

電子倍增器的自動調整的關鍵是判斷是否達到銫原子鐘穩定可靠工作的門限。通過測量判斷合理地選擇電子倍增器電壓能夠保證頻標高指標輸出。

4 銫原子鐘測試

(1)伺服優化系統配合5071A銫束管測試結果,如圖7所示。

圖7 伺服優化系統配合5071A銫束管測試結果Fig.7 The results of 5071A cesium-beam tube with servo loop system

(2)伺服優化系統配合國產磁選態銫束管測試結果,如圖8所示。

圖8 伺服優化系統配合國產磁選態銫束管測試結果Fig.8 The results of domestic magnetic state-selecting cesium-beam tube test with servo loop system

(3)伺服優化系統配合國產光抽運銫束管測試結果,如圖9所示。

圖9 伺服優化系統配合國產光抽運銫束管測試結果Fig.9 The results of domestic optical pumping cesium-beam tube test with servo loop system

5 結束語

銫原子鐘伺服優化在整鐘的工作過程中起到了重要作用,它是整鐘得以穩定、可靠工作的核心。伺服優化通過5個環路使處于躍遷環境中的銫原子保持穩定的狀態,保證了銫原子鐘的頻率準確特性和長期穩定特性。

[1] 王義遒,王慶吉,傅濟時,等. 量子頻標原理[M]. 北京:科學出版社,1986.

[2] Percival R,Green C.On an improved method of resolving the frequency difference between two very accurate and stable frequency signals[C]//31stAnnual Precise Time and Time Interval(PTTI)Meeting, 1999: 637-648.

[3] Audoin C, Hamouda F, Chassagne L, et al. Controlling the microwave amplitude in optically pumped cesium beam frequency standards[J]. IEEE Transactions on Ultrasonics,Ferroelectrics, and Frequency Control, 1999, 46(2): 407-413.

[4] Kang H S. Comparison of the Rabi and Ramsey pulling in an optically pumped cesium-beam standard[J]. Metrologia,2003,40(5):224.

[5] 劉春俠,王改霞,漆溢. HP5071A銫原子鐘內部工作參數的監視與分析[J]. 時間頻率學報,2004,27(1)：54-63.

[6] Lacey R F. Phase Shift in Microwave Ramsey Structure[C]//Proceedings of the 22thAnnual Symposium Frequency Control,1968: 545-558.

[7] Audoin C, Lesahe P, Mungall A G. Second-order doppler and cavity phase dependent frequency shifts in atomic beam frequency standard[J]. IEEE Transactions on Instrumentation Measurement, 1974,23(4): 501-508.

[8] Hellwig H,Jarris S,Glaze D J,et al. Time domain velocity selection modulation as a tool to evaluate cesium beam tubes[C]//Proceedings of the 27thAnnual Symposium Frequency Control,1973:357-366.

[9] 肖順祿,陳海軍,梁友煥. 磁選態銫束管銫原子速度分布計算[C]//全國時間頻率標準學術會議,2007: 123-125.

[10] 郭媛,黃秉英. 用于銫原子鐘性能研究的單片機數字伺服[J]. 宇航計測技術,1998,18(1)：56-61.

Research on the Servo Loop Optimization of Cesium Frequency Standard

WANG Xiao-lu, HUANG Kai, GAO Lian-shan

(Beijing Institute of Radio Metrology & Measurements, Beijing 100024, China)

The general idea of Servo Loop in Cesium Frequency Standard is introduced. The parameters of affecting Cesium Frequency Standard performance are analysed. And the five optimized loops and their solutions of Cesium Frequency Standard Servo Loop are proposed. Experiment result shows the method discussed here is useful.

Cesium frequency standard; Servo loop optimization; Parameters

2016-11-15；

2016-12-07

王曉露(1980-),女,碩士,高級工程師,主要從事原子鐘電路設計方面的研究。E-mail：xiaoluws@163.com

10.19306/j.cnki.2095-8110.2017.02.011

U666.12

A

2095-8110(2017)02-0058-06