HP5071A铯原子钟的工作参数的监视与分析(精)

1、1HP5071A 铯原子钟内部工作参数的监视与分析刘春侠 王改霞 漆溢(中国科学院陕西天文台，陕西省临潼，710600)摘要基于对 1997 年上半年购进的 6 台 HP5071A 铯原子钟的内部工作参数的监视结果， 分析 了 3台铯原子钟(CsO8、Cs11、Cs16)从开始运行到铯束管寿命结束期间内部工作参数的 变化趋势， 以及铯束管在寿命将要到期期间各种工作参数的变化情况。 对铯原子钟内部工作 参数的长期观察与分析有助于对铯原子钟进行更好的维护、保养和使用。关 键 词：铯原子钟 内部工作参数 钟特性1引言1997 年上半年国家授时中心购进了六台 HP5071A 铯原子钟替换了老一代的 H

2、P5061A， 这六台钟的代号分别为 Cs07(C1 351 007) 、 Cs08 (C1351008)、 Cs11(C1351011)、 Cs16(C1351016)、Cs17( C1351017)、Cs18( C1351018)，它们共同承担着 UTC( NTSC )的控 制和TA( NTSC)的产生与保持。自从 97 年下半年这些钟的数据提供给国际权度局(BIPM)至今，除 Cs18 仍继续工作外(Cs18 在 99 年因铯束管故障更换了新的铯束管)，Cs07 和 Cs17 因其它故障分别于 2003 年 2 月 1 日( MJD : 52670)和 2003 年 9 月 24 日(

3、MJD : 52905) 停机检修，历时这两台钟分别工作了5 年零 8 个月和 6 年零 3 个月；Cs11、Cs16、Cs08 分别于 2003 年 4 月 14 日( MJD : 52743 )、2003 年 8 月 11 日( MJD : 52862 )、2003 年 9 月 23 日( MJD : 52905)电子倍增器电压(E-Mult )达到极限值，预示钟的寿命即将到期。为 了对有关情况进行进一步的观察分析，我们对 Cs11、 Cs16 和 Cs08 均延长了 12 个月的工 作期后才决定关机，此时这三台钟的工作年限分别是 5 年零 10 个月、 6 年零 2 个月和 6 年 零

4、3 个月。在本文中，给出了 Cs08、 Cs11 和 Cs16 从开始工作到寿命结束期间的实际观测结果， 以及它们在初始阶段和寿命终了期间的详细数据， 并对这些参数从开始工作到寿命结束期间 的变化趋势以及铯束管在寿命到期期间的性能变化情况作了分析。2长期监视的结果5071A 给出了多种有价值内部工作状态参数列入表 11，我们仅对与铯束管有密切关系 的几项主要参数进行了较为详细的分析。 表 2 给出了 3 台铯原子钟在开始阶段和寿命到期时 各参数的变化情况以供参考。2表 1: HP5071A 的内部工作参数表 2:铯原子钟内部工作参数的初始值和终了值釧始值终了值CsOBCellCslGCsOSC

5、sllCsl6离子泵电流皿）0-0.20-0.20,21.6-0. 818.7-16.5锂東管炉压（V）8, 2. 57. 9-8.27. 4*7.68.503.507.6-0抿荡器炉压（V）-8.3-9-E.99-3.99-9-38.9-E.99振蕭器控制12.02-12.47-0.73-0.824.4M. 75X19.9426 3跖UM. 53XC场控制电毓（mA）12.143-12. M7 12.15-12.15612144-12 M712.14512.152-12.1S112.147-12,148微枝信号强度（1）31-30.7X17.311.4X2竄 4 四,2EK1氐微破信号强度住

6、）2928.7X16-16.2%27.2-27.8%28.1-27. 4X15.315.6X27.4-24.9%电子倍増器电压（巧1520-1447A4M2A51204-11781969-25531612-25531325-2553信号增益14.4%14.4%14.414400%143曲注 ： 1 . 初 始 值 所 取 的 时 间 段 为 钟 开 始 运 行 后 一 年 的 数 据 （ 即 ： 从9 7 年 6 月 至 9 8 年 6 月 ）2.终了值取自铯束管的电子倍增器电压达到极限值前一个月到停钟前最后一点的数据。3.对长期监视结果的分析3.1 HP5071A 内部工作参数的变化趋势图

7、1图 9 给出了 3 台 HP5071A 从开始运行到寿命结束期间几个主要参数的整体变化趋 势，从这些图中可以看出， 钟的大部分参数从开始运行到结束一直工作在一个变化很小的范 围内，只有少数几个参数在钟停止工作前才有了明显的变化。图 1 是 3 台钟离子泵电流“ Ion Pump 的变化情况，从中可以看出 Cs11 和 Cs16 在起始 阶段非常稳定，从 97 年 6 月 29 日（ MJD 50628 ）到 2000 年 4 月 14 日（ MJD 51588） 一直 工作在 0-0.2卩 A ,而 Cs08 开始时波动较大（0-1.4 卩 A）,工作了两年之后逐渐趋于平稳， 一直到寿命结束

8、该钟的离子泵电流一直稳定在0.2 卩 A ;Cs11 在工作了两年之后波动逐渐变大（0-2.2 卩 A） ; Cs16 在两年之后到寿命结束期间变化更大， 从 0.2 卩 A 逐渐变到 16.5 卩 A。图 2 和图 3 是铯束管炉压“ CBT Oven”和压控震荡器炉压“ Osc. Oven ”的变化曲线， 从图 3可见 3 台钟的压控震荡器炉压变化十分相似，均工作在-8.9V 和-9V 之间，从开始工作到寿命结束其波动只有0.1V ;从图 3 可见 3 台钟的铯束管炉压尽管基数值略有差异，但工作参数离子泵电流QonPump）葩東管炉压（CET。四n）压控晶振炉压（OSC Oven）压扌空晶

9、振揑制电压 （死，siitrol）C场控制电流C-fi胡curr）葩東管的微彼信号强度 （打ampllT艳耒管的微波信号强度（町咖讥2）艳耒管电子倍増器电压（E-multipliT频率扌空制回路増益（Signal Gain）0-40uA0 10V并 J0V-巧95%10 0 14 心 mAoioo% oioo% 1000 - 255314.4 58 X3在正常工作期间它们的波动均非常小(约 0.2V),寿命一旦结束，它们很快变为“0”，这种变化是在 3 台钟的电子倍增器电压达到极限值一个月之后才出现的。图 4 是压控震荡器的控制电压“Osc. Ctrl ”百分比。从图中可看出3 台钟的这一参数

10、值各不相同，Cs16 的该值比较稳定，一直保持在-1.5% +1.5%之间；而对 Cs08 和 Cs11 而言，尽管各参数的起始值并不相同，但它们的控制趋势非常相似。图 5 是 C 场电流“ C-Field ”变化情况，从开始运行到寿命结束，3 台钟的波动均很小，而且较稳定。 Cs08 工作在(12.145 0.1)mA ； Cs11 工作在(12.151 0.1)mA ； Cs16 工 作在(12.146 0.1)mA，即使某台钟偶尔出现较大的波动，但也不会超过0.6 mA。图 6 和图 7 是铯束管的微波信号强度“ RF ampl ”变化百分比，从图中可以看出，在正 常工作期间 3 台钟的

11、该参数均比较稳定，而且以一个非常缓慢的速率(几乎可以认为是不变的)变化，直到故障开始出现时才有了微小的波动。图 8 是铯束管电子倍增器电压“E-Mult ”的变化趋势。在起始阶段 3 台钟的该参数均比较高，然后逐渐下降，Cs08 由 1511V( MJD 50628)下降到 1448V( MJD 50797)； Cs16 由1204V (MJD 50628)下降到 1178V( MJD 50965)； Cs11 由 1446V ( MJD 50628)下降到 1345V(MJD 50965)；这种过程持续了半年到一年的时间之后，3 台钟的该参数分别以 0.26V/天、0.05V/天、0.16V

12、/天的速率逐渐上升。 Cs08 的明显上升是从 2003 年 9 月 3 日( MJD 52885) 开始，在 20 天的时间内很快由正常值上升为极限值(2553V)； Cs16 的明显上升是从 2003年 8 月 4 日(MJD 52855)，在一周的时间内很快上升为极限值；对铯束管而言，电子倍增 器电压是一个很重要的参数，一旦该参数出现明显变化，钟的性能将很快变差。在电子倍增器电压达到极限值的同时，信号增益“Sig nal Gain ”开始出现变化(见图9)，在正常情况下信号增益一直保持在14.4%,在铯束管电子倍增器电压达到极限值后Cs08和 Cs11 在 10 天左右的时间里很快由14

13、.4%上升为 100% Cs16 则在 1 个月的时间里很快上升为 100%从有关的几个图中还可以看出，铯炉电压下降为0 是铯束管电子倍增器电压”和信号增益都达到极限值之后才出现的。50500510005150%DS2CQC&2S053000图 3.压控振荡器炉压的长期变化图 4.压控振荡器控制电压的长期变化Ion Punp4注：在图 4、图 6、图 7、图 9 中各信 号的变化百分比均是相对于该信号最大值 的百分比。3.2 HP5071A 寿命到期期间性能指标的变化情况这里以 Cs08 和 Cs16 为例，来分析钟寿命到期期间性能指标的变化情况。我们根据实际观测到的数据，经归算得到T

14、A ( NTSC )-CLOCKi, TA(NTSC)是根据当时正在运行中的几台正常钟等权平均得到的原子时，CLOCK 是 Cs08 或 Cs16 的钟数据。数据选取的时间段是铯束管的电子倍增器电压“E-Mult ”达到极限值前后各一个月左右的时间，对Cs08 取自 2003 年 8 月 23 日至 10 月 23 日( MJD : 52874-52935 )的数据；对 Cs16 取自 2003 年 7 月 1 日至9月20 日( MJD : 52821-52905)的数据。 图10和图11是“ E-Mult ”达到极限值 前后TA(NTSC) -Cs08和 TA(NTSC) -Cs16 的变

15、化曲线，从图中看出，在“ E-Mult ”达到极 限值前，该曲线几乎是一条直线，这说明钟的速率基本稳定；当“E-Mult ”达到极限值后，该曲线出现了随机波动，说明钟的速率发生了很大的变化。图 12 和图 13 分别是相邻两小时的 TA ( NTSC) -Cs08 和 TA(NTSC) -Cs16 值之差变化曲线图，可以看出当“E-Mult ”达到极限值后钟的速率及速率的波动随着时间的推移逐渐增大，直到铯束管炉压为 0 时，钟的特1 1 . . .Ampll(CsD8)Ampll(CsL6)Ampll(Csll)1 | 图 5.C 场电流的长期变化图 6.铯束管的微波信号强度的长期变化图 7.

16、铯束管的微波信号强度的长期变化图 8.铯束管的电子倍增器电压的长期变化町D3530252015：05Q5Q5Da 510005150D5200052500530DO町DRF anpLitude (1)%RF an)(plitude(2)E-rnaltipLierKJD%SignalGain图 9.频率控制回路增益的长期变化5性发生了质的变化，预示着铯束管的寿命即将结束。为了比较在正常工作期间和故障刚开始时(铯束管电子倍增器电压达到极限值)钟的性能变化情况， 我们对 2003 年 6 月份 TA(NTSC) -CLOCK的数据和 2003 年 9 月 22 日至 10 月 22 日( Cs08

17、的铯束管电子倍增器电压达到 2553V)以及 2003 年 8 月 6 日至 9 月 5 日(Cs16 的铯束管电子倍增器电压达到2553V )的 TA(NTSC) -CLOCK 数据进行了分析处理，(TA(NTSC)为正常工作时 NTSC 所有钟的等权平均；(TA(NTSC)是故障开始时现有的几台 正常钟等权平均得到的) 得出了铯束管电子倍增器电压达到极限值前后稳定度的变化情况列 于表 3,从表 3 可见当铯束管电子倍增器电压达到极限值时钟的稳定度将下降一到两个数量 级，这样的钟将对原子时计算产生很大的影响。所以，在进行原子时计算时我们就应当剔除这台钟的数据。表 3:铯束管电子倍增器电压达到

18、极限值前后稳定度变化情况Cs08%定度变化情況稳定度变化情况采样间扁正常情况下E-rrult达到极限值正常情况下E-mul t 达到极限值3600sL 4E-1.34. 8E-121.2E-134. 0E-1243200s3.亞 741.4E-123. 4E-141. 2E-1286400s2. 3E-148. 9E-132. 6E-149. 3E-L3(432000s8. 5E-153 9E-131.1E-143 8E-13铯原子钟寿命到期期间比对数据的变化情况:注:图 12. TA(NTSC) / -Cs08第( n+1n+1)小时-TA(NTSC)x-Cs08第 n n 小时图 13.

19、TA(NTSC) / -Cs16第什)小时-TA(NTSC) / -Cs16第 n n，小时图 12.TA -CsOS (2003, 08. 23-10* 23)MJD血TA -Csl6 (2003. 07, 01 -09. 20)图 10. TA(NTSC) / -Cs08 的变化曲线图 11. TA(NTSC) / -Cs16 的变化曲线图 13.63.3 其它观察为了更详细准确地观察 HP5071A 的内部参数的变化规律，从 2003 年下半年开始，时间比对实验室实现了钟参数的自动采集（每小时工控机自动记录一次钟的内部工作参数）。因此对 2003 年初购进的 3 台新钟和 2004 年

20、4 月更换铯束管的五台钟的运行状况可方便地进行 监视。通过对初期内部工作状态的监视分析，我们发现这 8 台钟的大部分参数变化规律极为相似，有个别钟的个别参数和其它钟恰好相反，有的参数呈不规则变化。由于篇幅所限，这 里不再详述。钟的内部工作参数的这种变化究竟对它的寿命和性能产生怎样的影响？还有待 进一步的分析。4.结论由以上分析可见，当一台钟的寿命即将结束时，首先是电子倍增器电压达到极限值，与此同时信号增益开始变化，这种变化一般持续一周到一个月左右的时间。铯束管炉压下降为0 是在电子倍增器电压和信号增益均达到极限值后10 天到一个月左右的时间才出现的。因此，铯原子钟的内部参数是钟工作状态的监视窗

21、口。一台钟的运行寿命一般在 6 年左右，一旦电子倍增器电压达到极限值，钟的寿命将会很快结束2。长期监视、细心观察钟的内部工作参数，以便随时发现某台钟的性能变化情况，对于我们在守时工作中更合理地调整主钟系统、决定某台钟是否参与国际原子时的计算是非常有益的。总之，这方面的工作将为高精度的时间测量、合理利用钟资源和不断提高守时质量提供有关依据。参考文献1Agile nt Tech nologies.Agile nt 5071A Primary Freque ncy Stan dardOperati ng andProgrammi ng Man ual.2000.2 Yueyan Shan , Hoc

22、k Ann Chua , Hoon Neo. Proceedings of the Asia-Pacific Workshop onTime and Frequency 2000(ATF2000)C.Tokyo : 2000, 179-186.The monitoring and analyses of the operational Parametersof Cesium Clock HP5071ALIU Chu n-Xia WANG Gai-Xia QI Yi(National Time Service Center, The Chinese Academy of Sciences, Lintong, Shaanxi