铷频标物理系统的改进研究.pdf

收稿日期： ， 修回日期： 作者简介：陈溶波（ ），男，博士，工程师，主要研究方向：原子频标技术。 年 月宇航计测技术 ， 第 卷 第 期 ， 文章编号： （） 中图分类号： 文献标识码： 铷频标物理系统的改进研究 陈溶波 张金海 涂建辉 崔敬忠 （兰州空间技术物理研究所，兰州 ） 摘 要 物理系统是铷频标的核心部件，通过分析影响频率稳定度的因素，对物理系统内部结构进行了改 进。 改进后的物理系统采用分离滤光的三泡结构，增加了光学滤光技术，此外，物理系统还选用了磁控管微波腔。 经测试，改进后的铷频标温度系数为 ，频率稳定度约为 （ ）。 关键词 铷频标 物理系统 光学滤光 磁控管微波腔 温度系数 Study on Modifying Physics Package of Rubidium Frequency Standards - - - - （ ， ） Abstract （） - ， ， - （） （ ） Key words - 1 引 言 卫星导航定位的精度与原子频标的稳定度有直 接的关系。 近年来， 卫星导航等应用领域的蓬勃发 展，对铷频标稳定度指标提出了极大的需求。 在卫 星导航的刺激下，铷原子频标的稳定度指标也得到 了很大的提高。 星载铷钟短期稳定 度指标小于 ，稳定度小于 ，最 好的指标甚至达到了 。 原子频标一般由物理系统和电路系统两部分组 成。 物理系统产生原子鉴频信号；电路系统为物理 系统提供微波激励并输出稳定的频率。 频率稳定度 是原子频标最重要的性能指标之一，短期稳定度主 要由原子鉴频信号的信噪比决定，而信噪比主要取 决于物理系统的性能；长期稳定度最主要的影响因 素是光频移和温度系数。 针对影响铷频标短期和长 期稳定度的因素，本文对被动型气泡式铷原子频标 物理系统结构进行了改进设计，改进后的物理系统 采用分离滤光的三泡结构，增加了光学滤光技术。 此外，物理系统还选用了磁控管微波腔。 其中，光学 滤光降低系统噪声；磁控管微波腔具有 场型分 布，有利于增强原子跃迁信号强度；分离滤光的三泡 结构有利于调节系统的温度系数 。 经测试，改进后 的铷频标温度系数达到 ，频率稳定度 达到 （ ）。 2 物理系统结构和工作原理 铷钟物理系统结构主要由铷光谱灯、腔泡组件、 场线圈、光电检测器 、磁屏蔽、加热筒、外壳组成。 物理系统工作原理为 ：充有同位素 和缓 冲气体的灯泡在激励电路作用下发射包括 线和 线的抽运光，再由充有同位素 和缓冲气体的滤 光泡滤除对光抽运无作用的 线，最终由剩余谱线 中的 线激发充有同位素 和混合缓冲气体的 吸收泡，使处于基态的 原子发生跃迁并与外部 馈入的微波激励信号形成共振吸收，通过光电探测 器检测吸收泡的透射光强来检测微波共振，形成光 检信号，此信号输出到伺服用于锁定外部的压控晶 体振荡器，进而输出稳定的频率。 3 频率稳定度分析 铷频标稳定度满足如下关系 （ ） VS VN Q VS VN （） 式中： 原子跃迁谱线 Q 值；， 分 别为谱线频率和线宽；VS VN 原子跃迁信号的 信噪比；谱线Q值越大，信噪比越高，则 （ ） 越小， 即频率稳定度越高。 由频率稳定度公式可知，提高铷原子频标短期 稳定度主要在于减小跃迁谱线线宽、提高原子跃迁 谱线信号强度和降低物理系统输出噪声。 对物理系统而言，缓冲气体种类、微波腔的模 式、抽运光谱纯度、光电管探测面积等是影响线宽和 信噪比的主要因素。 通过在吸收泡中充入缓冲气体 可以使线宽压缩到 左右，很难再进一步压 窄。 因此，提高铷原子频标短期稳定度的主要途径 是提高物理系统信噪比。 一方面是增大原子跃迁信 号强度，另一方面是降低系统噪声。 有研究显示 ，当环境温度波动 ，铷频 标万秒稳定度大约为 。 由于铷频标千秒以 上的中、长期稳定度一般在 量级，所以， 微小的环境温度波动已经对长期稳定度产生较大的 影响。 物理系统中，由于三个玻璃泡都是利用铷的 饱和蒸汽进行工作，因此温度会对灯泡，滤光泡和吸 收泡产生影响。 影响的表现形式不尽相同，对于灯 泡和滤光泡是光频移效应，对于吸收泡的影响主要 是碰撞频移。 由量子频标理论可知，光频移和碰撞 频移都是影响铷频标长期稳定度的主要因素。 因 此，提高铷频标长期稳定度的一个有效途径是减小 光频移和降低物理系统的温度敏感性。 4 改进设计 针对上述影响铷频标稳定度的因素，本文对铷 频标物理系统进行了以下一些改进设计。 4 1 光学滤光 物理系统噪声主要表现在光电探测器接收光子 的散弹噪声 ，因为铷光谱灯中不仅有铷原子光 谱，还有起辉气体光谱。 后者对原子跃迁毫无贡献， 噪声的来源主要是这些无用光。 通过光学滤光可以 有效滤除光谱灯中的无用光成分，降低光子的散弹 噪声。 根据铷光谱和起辉气体光谱波长的分布情 况，本文最终选择一种带通滤光片。 滤光前后的光 谱分布如图 所示，滤光前后检测到的噪声信号分 别为 和 ，噪声减少了左右。 4 2 磁控管微波腔 微波腔储存微波辐射能量，使微波场与原子相 互作用，同时为吸收泡提供热环境，它的性能很大程 度上决定了物理系统的性能指标。 物理系统微波腔 由磁控管取代传统的 腔 ，相比 腔，磁控 管腔具有 Q 值大、信噪比高、体积小等优点。 通过 软件仿真得到磁控管微波腔磁场分布如图 所示。 由图 可以看出，磁控管腔内磁力线大部分沿 轴方向，而且轴线附近的磁场最密集、磁场强度最 大，这是典型的 模式电磁场结构。 这种模式下 的磁场分量在腔体轴线附近即吸收泡所在的区域与 腔轴向平行且密集分布，中轴附近的区域正是抽运 光照射的区域，这种场分布非常有利于激发原子 （，）跃迁并产生微波共振吸收。 所以，改进后的 宇航计测技术 年 图1 加载滤光片前后光谱分布 图2 磁控管微波腔磁场分布 微波腔可以增大原子跃迁信号强度，提高物理系统 鉴频信号信噪比。 4 3 温度系数优化 铷频标的光频移由滤光泡决定，碰撞频移由吸 收泡决定，频移大小主要取决于温度、缓冲气体种 类、气压等。 无论光频移还是碰撞频移，理论上定量 计算都非常复杂。 由于这两种频移都与温度有很大 关系，工程上一般以温度系数来衡量频移的大小。 分离滤光的三泡结构有利于滤光泡和吸收泡参数的 调节。 由于本文设计的物理系统滤光泡和吸收泡处 在同一个恒温区，必须找到一个温度，使得这个温度 下光频移和温度系数最小。 有研究结果显示 ，零 光频移温度点与滤光泡缓冲气体参数有关，而与吸 收泡参数关系不大。 所以在实验中，首先优化滤光 泡缓冲气体参数，得到合适的零光频移点温度和光 频移系数，然后通过调节吸收泡参数来优化温度系 数。 只要缓冲气体参数选取合适 ，就可以在零光频 移温度点处使吸收泡和滤光泡的温度系数最大限度 的抵消，光频移系数和温度系数同时达到最小 。 通过改变物理系统安装基板温度 ，得到了频率 误差随基板温度变化曲线 ，如图 所示。 图 3 铷频标温度系数测试曲线 基板温度范围为 ，温度变化间隔为 左右，每个温度点稳定 以上，整机输出频率对 基板温度变化较不敏感，平均温度系数为 。 5 稳定度测试 物理系统经过上述改进后，与地面测试电路集 成联调。 对改进后的铷频标进行了初步测试，参考 频率源采用主动氢钟 ，频率测量采用 公司生产的 比对仪，取样时间为 。 频率稳定测试结果如图 所示。 由图可以看出，铷频标的频率稳定度约为 ， 到 的稳定度很好地符合。 其中， 稳定度达到了 。 经分析发现，短 期稳定度的提高主要由于物理系统原子跃迁信号信 噪比提高所致； 稳定度达到了 ， 长期稳定度的提高主要由于温度系数优化所致。 第 期 铷频标物理系统的改进研究 图4 铷频标稳定度测试曲线 6 结束语 本文分析了影响铷频标稳定度的因素，决定短 期稳定度的因素主要是物理系统信噪比，决定长期 稳定度的因素主要是温度敏感性。 针对这些因素， 本文对物理系统做了相应的改进设计，主要的改进 有：物理系统内部光路上增加光学滤光片；磁控管微 波腔取代 腔；分离滤光的三泡结构取代集成滤 光的两泡结构。 通过实验验证，得出结论如下： （）光学滤光可以降低系统的噪声； （）磁控管微波腔可以增加原子跃迁信号强 度； （）分离滤光的三泡结构有利于优化物理系统 温度系数。 通过各项测试指标可以看出这些改进设计是积 极有效的。 不管是铷频标的温度系数，还是稳定度 都得到了很大的提高。 经过改进设计，铷频标温度 系数达到 ，稳定度达到了 （ ）。 需要指出，本文的研究还比较初步，还有很多 需要细化的后续工作，比如进一步优化磁控管腔的 场型分布和填充因子、进一步提高光电探测效率 等。 由于磁控管腔比 腔体积还小，可以适当 增大磁控管的直径和光电探测面积，使更多