改善铷原子钟物理部分温度系数的研究.pdf

2 0 1 1 年1 2 月 第3 1 卷第6 期 宇航计测技术 J o u r n a lo fA s t r o n a u t i cI e t r o l o g ya n dI e a s u r e m e n t D e c 。2 0 1 1 V 0 1 3 1 。N o 6 文章编号：1 0 0 0 一7 2 0 2 ( 2 0 1 1 ) 0 6 0 0 0 8 一0 4中图分类号：T H 7 1 4 1 改善铷原子钟物理部分温度系数的研究 张俊翟浩杨炜王世伟陆防卫立勋崔敬忠 ( 兰州空间技术物理研究所，兰州7 3 0 0 0 0 ) 文献标识码：A 摘要 铷原子钟的温度系数是决定其长期频率稳定度的关键因素，物理部分的温度系数又是铷原子钟温 度系数的重要组成部分。为了改善物理部分的温度系数，在理论分析的基础上开展了试验研究，结果表明：提出的 改善物理部分温度系数的措施是有效的。这对于进一步提高星载铷原子钟频率稳定度具有积极作用。 关键词 铷原子钟物理部分温度系数频率稳定性 S t u d yo nI m p r o V i n gT e m p e r a t u r eC o e f f i c i e n tf o r P h y s i c a lP a c k a g eo fR u b i d i u mA t o m i cC l o c k Z H A N GJ u nZ H A IH a oY A N GW e iW A N GS h i w e iI UF a n gW E IL 0 x u nC 叽J i n g - z h o n g ( L a n z h o us p a c et e c h n o l o g yI n s t i t u t e 。fP h y s i c s ，L a n z h o u7 3 0 0 0 0 ) A b s t r a c tR m p e r a t u r ec o e f f i c i e n to fr u b i d i u ma t o m i cc l o c ki sk e yf a c t o rt h th a si m p o r t a l l ti l u e n c eo ni t sl o n gt e r mf r e q u e n c ys t a b i l i t y R m p e r a t u r ec o e f f i c i e n to fp h y s i c sp a c k a g ei si m p o r t a n tp a r to f R m p e m t u r ec o e f f i c i 朗to fr u b i d i u ma t o m i cc l o c kF o ri m p r o v i n gt e m p e r a t w ec o e m c i e n t ，a n a l y z e ss o m e r e a s o n Sa 1 1 dt a k e ss o m ee x p e r i m e n tE x p e r i H l e mr e s u l t sv e r i f yt h e s e 阻y st h a tc a nr e a l l yi m p r O v et e m p e r a t u r ec o e m c i e n to fp h ”i c sp a c k a g e T h ew o r k 谢l lb eu s e f u lt oi m p r o v i n gf r e q u e n c ys t a b i l i t yo fs p a c e b o r n er u b i d i u ma t o m i cc l o c k K e yw o r d s R u b i d i u ma t o m i cc l o c kP h y s i c sp a c k a g eT e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n tF r e q u e n c y s t a b i l i t v 1 引言 气泡型铷原子频标以其体积小、质量低、功耗 低、稳定性优良，成为目前应用最广泛的原子频标。 它利用8 7R b 原子基态5 2S 。两超精细塞曼子能级F 一1 ，m r o 和F 一2 ，m F o 之间的跃迁频率进行鉴 频，经过锁频环路将晶振频率锁定于此跃迁频率1 | 。 收稿日期：2 0 1 1 一0 7 1 8 作者简介：张俊( 1 9 7 6 一) 。男，工程师，主要研究方向：铷原子频标技术研究。 铷原子钟由物理部分和电路构成，其中物理部分起 原子鉴频器的作用。 由铷原子频标理论可知，影响物理部分长期频 率稳定度的因素主要有三项：光频移、碰撞频移和微 波功率频移 2 。这三种频移量理论上很难精确计 算，各因素单独试验测量又比较繁琐，易引入比较大 的测试误差。因此，工程上常采用的方法是将铷原 子钟底板温度对三种频移的影响进行叠加考虑，即 万方数据 第6 期改善铷原子钟物理部分温度系数的研究 测试铷原子钟的频率温度系数( 简称温度系数) 。通 过改变铷原子钟底板温度来测试铷原子钟频率准确 度的变化量，用频率准确度的相对变化量除以铷原 子钟底板温度变化量就得到了温度系数，这种方法 在实际研制中简便可行，得到了广泛应用。铷原子 钟温度系数的简化模型是：物理部分温度系数与电 路部分温度系数的和再除以铷原子钟热增益。铷原 子钟的温度系数是决定其长期频率稳定度的关键因 素，其中物理部分的温度系数又是铷原子钟温度系 数的重要方面。因此，物理部分温度系数的优劣对 于改善铷原子钟温度系数具有重要意义。本文主要 分析物理部分的温度系数，这对于探索物理部分的 性能改进具有积极的意义。 2 物理部分方案设计 物理部分采用两泡( 集成滤光系统) 、单控温( 铷 灯泡、吸收泡一体控温) 设计方案。物理部分组成框 图如图1 所示，包括光谱灯，集成泡，微波腔、光电检 测电路和控温电路等。 图1 铷原子钟物理部分组成框图 3 温度系数与三种频移的关系 前面已经介绍了温度系数是三种频移的叠加效 应，现在需要对这种关系进行进一步的数学表征。 3 1 碰撞频移与控温温度的关系 碰撞频移经验公式如下 3 v p P 。( p + 艿( T T 0 ) ) + ) ，( T 一瓦) 2 ( 1 ) 式中：v 。碰撞频移，d B 旷1 ；卜：吸收泡温度， 近似为物理部分控温温度，；T o 参考温度点， ；P o 温度为T o 时缓冲气体压力，P a ；肛一压 力频移系数；卜压力频移温度系数；r 压力 频移二次温度系数。 本物理部分吸收泡的工作温度小于7 0 口c ，可以 不考虑压力频移二次温度系数对吸收泡频率的影 晌。因此，得公式 v p P 。( 口+ 艿( T T 。) ) ( 2 ) 对式( 2 ) 求导，得 坳一半T P 。d T ( 3 ) 3 2 光频移与控温温度的关系 光频移近似公式 4 如下 I + + l ，一二J ! ! I 里! 旦l 盟21 丝二型建 垤 2 7 【7 7 2( 叫一( U 积) + P 4 ( 4 ) 式中：li ) 原子基态能级，对应能量E 。；l 口) 原子激发态能级，对应能量E ；F 电偶 极算符；苫光电场的复振幅；叫单色光频 率；叫。一( E n E ) 刀；1 卜Ia ) 态的能级寿命。 由于抽运光可看作许多单色光的叠加，因此光 频移量也是许多单色光引起的频移的叠加。抽运光 的波形函数和许多因素有关，如铷灯泡的工作状态、 吸收泡的工作温度、缓冲气体的压力和种类等。由 于物理部分采用单控温方案，控温温度变化都会引 起上面的因素变化，所以光频移也是控温温度的函 数，对式( 4 ) 求导，得( 很难求解，只给出一般表达 式) 觚一券T ( 5 ) 3 3 微波功率频移与控温温度的关系 由于微波磁场强度的不均匀是造成微波功率频 移的主要原因，而微波磁场强度与控温温度关系不 大，因此，可认为微波功率频移与控温温度无关系。 在本设计中，采用微波功率负反馈控制措施，可以使 微波功率频移减小到1 1 0 啊1 2 d B m ，进而使频移量 减小到1 1 0 1 4 以内。 3 4 物理部分温度系数的定义和分析公式 物理部分温度系数的定义为：物理部分安装基 板温度每变化1 所引起的物理部分频率准确度的 变化量。因此，物理部分温度系数的计算公式为 万方数据 宇航计测技术 a 一v T J ( 舢p + v 。) t ( 6 )4 2 使6 和a 加T 反向 式中：a 一一物理部分温度系数；血频率变化 量；舢。碰撞频移微变量；出。光频移微变 量；T ，基板温度变化量，。 由于物理部分安装在控温基板上，物理部分内 部控温各部位与安装基板之问具有一定热增益，并 且由于其与外壳导热连接方式的不同，物理部分内 部控温各部位热增益是不同的。假设引起碰撞频移 的特征部位的热增益为G ，引起光频移的特征部位 的热增益为G 2 ，则有如下近似关系式 T 1 一T ，G l( 7 ) T 2 一T ，G 2 ( 8 ) 式中：T 1 引起碰撞频移的特征部位的温度变化 量；瓦一一引起光频移的特征部位的温度变化量。 将式( 7 ) 代入式( 3 ) 得 v p P o 艿T ，G 1 ( 9 ) 将式( 8 ) 代入式( 5 ) ，得 血s 一券瓦G 2 ( 1 0 ) 将式( 9 ) 和式( 1 0 ) 代入式( 6 ) ，得 口_ P o 讲击+ 券麦 ( 1 1 ) 4 改善温度系数的途径 式( 1 1 ) 是一个比较粗略的近似公式，其中进行 了多项假设，但是，该公式可以为改善物理部分温度 系数提供一个工程指导。 4 1 减，J 、6 币口a ，g a T 减小物理部分压力频移温度系数艿的主要方法 是对缓冲气体( 主要是N z ，A r 气体) 的压力配比进 行优化控制，对吸收泡工作温度进行优化，使每种缓 冲气体压力频移温度系数的叠加效应为最小。 由公式( 4 ) 可以看出，如果叫一c U 耐一o ，则理论 上a v 。a T o 。因此，实践中需要找到零光频移 点 5 ，主要方法有加中性挡光片、优化铷灯泡和吸收 泡的工作温度等。 这项措施的局限I 生在于：由于采用单控温方案，不 可能找到一个物理部分控温温度点同时满足艿和 a 妇a T 都小，只能折中考虑，另外也增加了调整难度。 除了同时减小艿和a v 。a T ，另一个思路是使这 两个参数互为反向。根据经验，可以将艿调整为正， 因此需要调整使a v 。a T 为合适的负值即可。控制 a v 。a T 为正的方法主要有优化铷灯泡和吸收泡的 工作温度、几何尺寸、同位素配比、调节铷灯的工作 状态等。 4 3增大G l 和G 2 由式( 1 1 ) 可以看出：这项措施的效果应该是明 显的。但是，由于铷灯组件在物理部分内部是发热 部件，尤其在真空中，如果铷灯组件热耗不能及时散 出，不仅会导致物理部分控温失控，而且会引起铷灯 泡工作温度超出正常值。因此，热增益增大的措施 是有前提条件的，必须在保证物理部分控温正常的 条件下增大热增益。为了最大限度增大热增益，思 路是尽可能降低铷灯组件激励功率，采取的方法有： ( 1 ) 优化振荡电路参数、确定合适的铷灯泡导 热量、优化铷灯泡大小和形状、优化线圈圈数和线径 粗细 6 、调整激励线圈与铷灯泡的间距以及线圈与 灯室的间距等。 ( 2 ) 对铷灯组件灯室单独控温，提高灯室控温 温度，降低激励功率。 4 4 调节G 。G 2 令口一o ，由式( 1 1 ) 可得 G 1 G 2 一一P o 艿a T a y 。 ( 1 2 ) 因此，只要G ，G 2 满足式( 1 2 ) 的比值，则理论 上可实现温度系数为零。在实践中，为了降低调整 难度，一般可将其中一个热增益值选固定，通过调整 优化另一个热增益的大小，就可以改善温度系数。 5 改善温度系数的试验验证 5 1 物理部分控温温度优化试验 通过调整缓冲气体的总压力和压力配比，改变控 温温度，选取各种组合参数工况测试物理部分频率误 差随控温温度变化的曲线，由此试验得到优化的缓冲 气体压力配比和最佳控温温度。图2 为最终优化得到 的频率误差随控温温度的测试曲线，由该曲线可以看 出：控温温度在6 3 4 9 时频率误差变化斜率最小，趋 近于极值点。这是碰撞频移与光频移补偿抵消的最好 结果，大多数情况是在控温温度6 3 5 时，物理部分 频率误差随控温温度的变化系数约为3 1 0 叫1 ；根 万方数据 第6 期 改善铷原子钟物理部分温度系数的研究 据测试经验，物理部分底板温度每变化1 ，控温温度 变化约o 1 ，因此，推算得物理部分温度系数约为3 1 0 _ 1 2 。 图2 物理部分控温温度优化曲线图 5 2 物理部分安装接口热增益优化试验 物理部分热接口安装方式为在6 个安装孔面处 加装调节垫片。通过优化垫片分布位置、导热率、面 积、厚度参数，得到了一组最优化参数。图3 、图4 分别是垫片材料分别为聚四氟乙烯、铜的温度系数 测试曲线。由图3 和图4 对比曲线可以看出：垫片 为聚四氟乙烯材料时，物理部分温度系数较好，但控 温容易失控，所以不宜采用；而选取铜作为垫片材料 是一个比较折中的方案，既可以保证控温正常，又不 投他甜 I1 5 ：系数尘f 囊k 囊， 图3 频率温度曲线( 聚四氟乙烯垫片) 图 5 3 铷灯组件热增益优化试验 根据式( 1 2 ) ，要使G 。G 2 比值合适，为了调整 方便，可以固定G - ，只通过调整G 。来微调该比值。 G z 调整的难点在于如何选取引起光频移的特征部 位。经过试验摸索，在铷灯组件部位加一个调节热 图4 频率温度曲线( 铜垫片) 国 阻的螺钉，就可以对G 2 进行微调，从而改善温度系 数。图5 为R z 调节前的温度系数测试曲线，图6 为 R ：微调后温度系数测试曲线。 图5 频率温度曲线( 螺钉调节前) 图 图6 频率温度曲线( 螺钉调节后) 图 由图5 和图6 曲线可以看出：温度系数经过调 整优化，改善了约2 l O _ 1 2 。 ( 下转第2 9 页) 锄雌 悟憎嗜陋 万方数据 第6 期V c 环境下捷联惯导系统误差建模与仿真平台设计 2 9 图6= 一1 0 0 ”速度位置误差曲线国 响，如东向平台偏角钆一1 0 o ，且东向速度误差6 ”e = o 1 m s 时，速度和位置误差曲线如图7 所示。 二u ，1 4 I 乒丁 【r 。- 汹? h 一- F r 。， 嚣卜、广八 “H 旷扩 ； 篓全辫 f h _ m ，r 专一、V 、 r 一r 一 *o i 萋八公A 。飞j 图7 班= 1 0 o ，且8 班= o 1 m s 时误差图 4 结束语 本文首先详细分析了捷联惯导系统的误差来源， 并构建由惯性器件、安装误差及初始条件误差共3 1 个误差源组成的捷联惯导系统误差模型，最终在v C 环境下开发了捷联惯导系统误差仿真平台。结果证 明，该平台具有操作简便、执行效率高的优点，且为捷 联惯导系统进行误差分配和器件选型提供了参考。 参考文献 1 丁姜，郝永平，于洋V c 环境下捷联惯导仿真平台的 开发 盯科技创新导报，2 0 0 8 ( 2 8 ) ：1 5 2 王松，刘建业赖际舟机载安装误差对捷联惯导系统 的综合影响研究 J 传感器与微系统，2 0 0 7 2 6 ( 9 ) ：2 9 3 2 3 周朴，王省书，秦石乔黄宗升激光陀螺捷联姿态测量 系统误差建模与仿真研究 J 红外与激光工程2 0 0 7 3 6 ( 4 ) ：5 6 5 5 6 9 4 徐凤霞，曾鸣，苏宝库安装误差角对陀螺加速度表的 误差模型的影响口 航空精密制造技术。2 0 0 6 ，4 2 ( 2 ) ： 1 9 2 1 2 9 5 以光衙等惯性导航原理 M 航空工业出版社，1 9 8 7 6 秦永元，张洪钺，汪叔华卡尔曼滤波与组合导航原