真空環境下銣鐘性能的研究

崔敬忠，楊坦，張玲，梁耀廷，涂建輝，楊煒，張金海

（蘭州空間技術物理研究所真空技術與物理重點實驗室，蘭州730000）

真空環境下銣鐘性能的研究

崔敬忠，楊坦，張玲，梁耀廷，涂建輝，楊煒，張金海

（蘭州空間技術物理研究所真空技術與物理重點實驗室，蘭州730000）

星載銣鐘是目前全球導航定位衛星中搭載的主要星載鐘之一，其工作環境除了前期地面聯試是大氣環境外，其余大部分時間主要是在真空環境下工作，因此研究真空環境中銣鐘的性能對衛星導航系統的發展起著重要的作用。研究了真空環境下銣鐘的主要技術指標，包括輸出頻率穩定性、準確度和漂移率的變化規律。分析了真空環境對銣鐘性能的影響，從而為星載銣鐘的使用提供借鑒，同時對提高星載銣鐘性能有一定的參考價值。

銣鐘；真空環境；性能

0　引言

銣鐘與氫鐘和銫鐘相比，因體積、功耗和重量方面的優勢在空間得到廣泛應用，包括導航系統，軍用通信系統、電子偵察系統和海洋監視系統等[1-3]。銣鐘的構成主要由物理部分、電路部分和晶振構成。銣鐘物理部分主要起鑒頻器的作用，提供銣87原子基態超精細能級間距的6.8 GHz穩定的原子躍遷頻率信號，通過電路部分，將壓控晶振的頻率鎖定，進而輸出穩定的10 MHz左右的頻率信號。銣鐘物理部分的物理過程主要在3個銣泡中完成，由燈泡發出的光譜信號照射到由銣85和緩沖氣體構成的濾光泡，濾除部分不利于光抽運的光如a線，剩余b線。在吸收泡中，該過濾光抽運銣87形成態分布的翻轉。如果耦合的微波頻率與銣87原子的基態超精細躍遷頻率相符合，原子可重新吸收投射光，該過程可由光電探測器檢出，用于鎖定晶振[11]。主要的物理過程在3個銣泡中完成，工作介質為銣蒸氣原子，多余的銣以液態或固態的形式存在于銣泡中。物理過程的穩定需要對3個銣泡進行精密的控溫。在物理層面，需要對影響銣鐘輸出頻率的各種因素進行控制，這些因素主要有：光頻移、微波功率頻移、緩沖氣體碰撞頻移和溫度波動頻移[12]。

銣鐘在空間的工作環境與地面有很大的不同，包括空間輻照、微重力、真空等[4]。其中真空環境對銣鐘的影響較大，包括穩定度、準確度和漂移率等。為了解銣鐘的真空工作特點，國內外對銣鐘在真空環境下進行了長期的壽命測試[5-7]，對比空間飛行數據[8-9]，總結出了一些規律。文章對這些實驗和飛行數據進行一些分析研究，以便更好的掌握星載銣鐘的特點為用戶提供基礎材料。

1　真空環境對穩定度的影響

在大氣環境下，除了易受外界溫度變化影響外，吸收泡體積的變化也是引起頻率波動的主要原因。吸收泡的形狀隨外界大氣壓力而變化[15]，變化的大小與玻璃壁厚和形狀有關。從大氣到真空，通過有限元分析，吸收泡的形變約0.2%，引起的頻移約-5E-10。而實際上大氣的壓力每天均在變化，變化的幅度與所處緯度有關，低緯度約300～400 Pa，隨緯度的升高而降低。設大氣的壓力105Pa，假定頻率的變化與外界壓力為線性關系，吸收泡體積變化引起的頻移約為-5E-30×300/10E5=1.5E-13。這預示著在大氣環境下，銣鐘的穩定度隨取樣時間變化的閃變本底在1E-13量級，很難達到更好的指標。而銣鐘在真空環境條件下可以達到優于1E-14的水平[16]。圖2給出了國產銣鐘物理部分的穩定度測試結果，萬秒取樣時間的穩定度可以達到7E-15，集成整機的天穩指標已經優于5E-15/天。

圖1　銣鐘溫度周期性波動引起的頻率穩定度變化圖

圖2　國產銣鐘物理部分穩定度測試曲線圖

2　真空環境對準確度的影響

從大氣到真空，銣鐘的工作狀態發生較大的變化，包括微波功率、控溫溫度、銣泡的形變等[17]。其中，吸收泡的形變引起的頻移最大。當銣鐘從大氣進入真空后，吸收泡由于外界壓力的減小，體積會增大，增大的體積與吸收泡的直徑的四次方成正比，與吸收泡窗口厚度的平方成反比，一般有-5E-10/大氣壓的變化。也就是每個大氣壓變化會引起-5E-10的頻移。而實際上一個設計良好的銣鐘，當從大氣進入真空環境后，各個方面均會發生一定的變化，包括光譜燈的發光狀態、銣泡各處的溫度、輸入到物理部分微波腔中的微波功率等。物理層面的表現形式為從大氣到真空環境的轉變，帶來的好處是溫度控制比較穩定。當氣壓低到100 Pa以后開始顯現，表現在需要更小的加熱功率，更穩定的控溫溫度，頻率穩定度的提高。對于壓力引起的頻率準確度的變化問題，可以在真空環境下進行標定，將銣鐘輸出頻率調節到盡量靠近設定值。但是必須注意的是，無論從真空到大氣還是從大氣到真空，銣鐘都需要較長時間的平衡過程[9]。平衡過程完成后，銣鐘進入穩定的漂移階段。

圖3是銣鐘在軌頻率隨工作時間的變化曲線。可以看出，在第1年，銣鐘的漂移率約為1E-12/天。經過1年后，銣鐘的漂移率明顯下降，為3E-14/天，工作穩定性有明顯改善，表現在頻率的波動明顯減小，經過5年后趨于極度穩定狀態。再次驗證了銣鐘“越燒越好”的說法，同時也驗證了銣鐘的長壽命。

圖3　銣鐘在軌工作頻率隨時間變化曲線

3　真空環境對漂移率的影響

真空環境有利于銣鐘的穩定工作，這樣可以將銣鐘工作過程中細微的頻率波動從大量數據中分辨出來[18]。圖4是GPSIIR銣鐘開機200天后頻率的波動情況。左側縱坐標是頻率變化，右側縱坐標是銣燈光強的波動。從圖中可以看出，頻率的波動和光強的波動時間嚴格對應，說明頻率的變化是由光強的變化引起的。此類變化在星載銣鐘較為普遍，對GPS IIR系統的星載銣鐘統計發現[19]，約有1/3以上的星載銣鐘有不同程度的頻率跳變現象，幅度在E-12到E-13量級。跳變過程中，銣鐘穩定度指標降低，漂移率波動，之后恢復正常。

真空環境對銣鐘的漂移率變化有比較大的影響。在真空中開機后，銣鐘經歷預熱、平衡和漂移三個過程，圖5給出一個演示過程。圖中橫坐標是以天為單位的開機時間，縱坐標是相對頻率的變化。開機幾天后結束預熱階段，之后在幾百天的過程中建立平衡，之后進入穩定漂移階段。這一過程對所有的銣鐘都是相似的，不同的是經歷的時間常數可能不同，最終的漂移階段表現形式略有差別。如GPS銣鐘的漂移階段以擴散模型擬合比較貼切，Milstar銣鐘以多項指數擬合比較合理[20-21]。也有不同的觀點，并進行了大量的研究和猜測。最直接的原因可能是光頻移，當銣鐘工作過程中，銣燈中的銣與玻璃表面發生化學反應和物理滲透[22]，生成阻擋光線透過的擋光層[23]，使得銣燈發出的光不斷減弱，通過光頻移效應改變銣鐘的輸出頻率。

圖4　GPS銣鐘工作時頻率變化曲線圖

圖5　銣鐘開機過程曲線圖

其次是玻璃的氦滲漏引起的[24]，大氣中約有0.53 Pa的氦，在銣泡充制完成后，大氣中的氦會滲透到玻璃泡中。當銣鐘在真空環境下工作時，吸收泡內的氦會向外滲漏。引起氦分壓的降低，由于氦的壓力頻移系數為正5.4 Hz/Pa，氦向外滲漏會引起負向頻率緩變。這一過程是指數變化，時間常數與玻璃的壁厚和滲氦系數有關，一般的時間常數以年為單位，是一個緩變過程。GPS研制初期將銣鐘頻率漂移率不能達到1E-13/天的指標歸因于氦的作用。為此進行了大量的實驗，將真空系統中充入與泡內相平衡的氦，證明銣鐘的漂移率有數量級的提升。后來采用低滲氦玻璃，有效減小了氦滲漏對漂移的影響。在吸收泡內，銣的遷徙也是一個可能引起頻率緩慢變化的原因，吸收泡內溫度相差0.1℃的不同區域，銣的遷徙時間可能需要百天的時間[25]。另外一個可能的原因是吸收泡內的氮氣的消耗，在吸收泡的工作過程中，吸收泡內的氮氣可能與銣和玻璃形成一定的化合物，由于氮氣壓力頻移系數是正的3.9 Hz/Pa，當氮氣損耗時，會引起長期的負向頻移。這一假設與GPS銣鐘的測試和在軌數據一致，但與Milstar星載銣鐘的在軌數據有出入。分析兩種星載銣鐘的差別，最大可能性在于吸收泡所使用的玻璃有差別。GPS銣鐘所用吸收泡玻璃是低滲氦玻璃，耐堿級別為Ⅲ級，較易產生化學反應；Milstar銣鐘吸收泡所用玻璃為Ⅱ級，不易與銣產生化學反應。所以Milstar銣鐘的長期頻率漂移接近于線性，而GPS的是持續的擴散物理模型，其結果已經由在軌和長期測試數據所證明。

4　小結

通過已有的實驗數據，對銣鐘在真空條件下的行為特征進行了分析研究。從真空對銣鐘輸出頻率穩定度、準確度和漂移率三個方面的影響分析，簡單說，大氣壓力引起的頻率波動可得到有效的限制，同時熱設計良好的銣鐘在真空中更有利于溫度的穩定，當氦滲漏和其他前期的物理化學過程結束后，銣鐘表現出極其優良的、可與被動氫鐘相媲美的穩定度指標。同時必須指出，銣鐘的漂移率指標還是比銫鐘和氫鐘差，需要進一步的研究和采用新的技術來提高。

[1]Camparo J C，Hagerman J O，McClelland T A.Long-term be?havior of rubidium clocks in space[C]//European Frequency and Time Forum（EFTF），2012.IEEE，2012：501-508.

[2]Vannicola F，Beard R，White J，etal.GPS block IIF atomic fre?quency standard analysis[C]//Proceedings of the 42nd Annual Precise Time and Time Interval（PTTI）Meeting，2010：181-195.

[3]Fabien D，Pascal R，Sébastien B，et al.GNSS RAFS latest im?provements[C]//2015 Joint Conference of the IEEE Interna?tional Frequency Control Symposium&the European Fre?quency and Time Forum IEEE，2015：637-642.

[4]White J，Beard R.Space clocks-why they’re different[C]// 33rd AnnualPrecise Time and Time Interval（PTTI）Meeting，2001：7-17.

[5]Beard R，Buisson J，Danzy F，et al.GPS block IIR Rubidium frequency standard life test results[C]//Frequency Control Symposium and PDAExhibition，IEEE，2002：499-504.

[6]Vannicola F，Beard R，White J，et al.GPS Block IIF rubidium frequency standard life test[C]//41st Annual Precise Time and Time Interval（PTTI）Meeting，2009：449-456.

[7]Droz F，Barmaverain G，Wang Q，et al.Galileo rubidium stan?dard-lifetime data and GIOVE-A related telemetries[C]// 2007 IEEE International Frequency Control Symposium Joint with the 21st European Frequency and Time Forum IEEE，2007：1122-1126.

[8]Hahn J H，Gonzalez F，Waller P，et al.GIOVE-A apparent clock assessment and results[C]//39th Annual Precise Time and Time Interval（PTTI）Meeting，2007：95-114.

[9]Bloch M，Mancini O，McClelland T.History and Performance of FEI Space-Class Oscillators[C]//40th Annual Precise Time and Time Interval（PTTI）Meeting，2008：29-50.

[10]王義遒，王慶吉，傅濟時，等.量子頻標原理[M].北京：科學技術出版社，1986.

[11]Vanier J，Audoin C.The quantum physics of atomic frequen?cy standards[R].Adam Hilger，1989.

[12]Vanier J，Kunski R，Paulin P，et al.On the Light Shift and Buffer Gas Shift in Passive Rubidium Frequency Standards [C]//36th AnnualFrequency ControlSymposium，1982：345-354.

[13]Klimcak C C，Huang C M.Vapor-CELL clock frequency and environmental pressure：resonance-cell volume changes[R]. Frequency ControlSymposium（FCS），2010.

[14]Riley W J.Techniques for frequency stability analysis[C]// IEEE international frequency control symposium，Tampa，FL，2003：48.

[15]霍紅慶，李冠斌，崔敬忠，等.壓力變化對銣原子頻標頻率準確度影響研究[C]//2007年全國時間頻率學術會議，2007：209-212.

[16]張金海，陳溶波，張玲，等.提高銣原子頻標物理部分穩定度的研究[J].計量學報，2011，36（6）：144-147.

[17]Riley W J.The physics of the environmental sensitivity of ru?bidium gas cell atomic frequency standards[J].IEEE transac?tions on ultrasonics，ferroelectrics，and frequency control，1992，39（2）：232-240.

[18]Camparo J.Frequency equilibration and the light-shift effect for block IIR GPS rubidium clocks[R].Aerospace Corp Los Angeles CA，2004.

[19]Phelan J，Dass T，Freed G，et al.GPS block IIR clocks in space：current performance and plans for the future[C]//Pro?ceedings of the 2005 IEEE International Frequency Control Symposium and Exposition，2005：19-25.

[20]Riley WJ.Early in-orbitperformance ofGPS block IIRrubid?ium clocks[C]//29th Annual Precise Time and Time Interval（PTTI）Meeting，1997：213-220.

[21]Coffe J G，Camparo J C.Long-term stability of a rubidium atomic clock in GEO synchronous orbit[C]//31st Annual Pre?cise Time and Time Interval（PTTI）Meeting，1999：65-73.

[22]涂建輝，李冠斌，達道安，等.銣光譜燈老化過程分析[J].真空與低溫，2006，12（3）：173-175.

[23]Cook R A，Frueholz R P.An improved rubidium consumption model for discharge lamps used in rubidium frequency stan?dards[C]//Frequency Control Symposium，1988，Proceed?ingsofthe 42nd Annual，IEEE，1988：525-531.

[24]Goldberg S，Lynch T J，Riley W J.Further Test Results for Prototype GPS Rubidium Clocks[C]//17th Annual Precise Time and Time Interval（PTTI）Meeting，1985：145-155.

[25]Riley W J.Rubidium frequency standard primer，www.lulu. com.

STUDY OF THE PERFORMANCE OF RUBIDIUM FRQUENCY STANDARD IN VACUUM ENVIRONMENT

CUI Jing-zhong，YANG Tan，Zhang Ling，LINAG Yao-ting，TU Jian-hui，YANG Wei，ZHANG Jin-hai
（Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Insitute of Physics，Lanzhou 730000，China）

Rubidium frequency standard is one of the major atomic frequency standards for satellite global navigation positioning system.On-board rubidium frequency standard operate in vacuum environment after launching.Research on the behavior of rubidium frequency standard in vacuum environment is important for the development of satellite navigation positioning system.In this article，the performance of rubidium frequency standard in vacuum was analyzed，including frequency stability，frequency accuracy and frequency drifting，for the application purpose.It will be useful to improve the performance of rubidium frequency standard in space.

rubidium frequency standard；vacuum environment；performance

TB939

A

1006-7086（2016）05-0271-05

10.3969/j.issn.1006-7086.2016.05.005

2016-06-14

崔敬忠（1962-），男，河南人，研究員，主要從事銣原子頻標技術研究。E-mail：cuijingzhong_1@sina.cn。