国产守时型氢钟性能的初步测试

1 引言
　　原子钟是标准时间产生与保持中的关键设备，中科院国家授时中心的守时原子钟多年来一直依赖进口，美国作为当今世界上高精密守时钟的主要生产国家对我国实行严格的出口限制。上海天文台1970年开始氢钟研制，其真正实用型氢钟的研制成功是在1987年。这种氢钟从1989年开始，已先后生产了四十多台，用于中国VLBI网、卫星测控、计量以及导航定位系统等国家重要科学试验项目及军工任务中。然而，由于大多数该类型氢钟的长期稳定度性能较低（未进入10-15），更重要的是其可靠性，尤其是长期运转的可靠性指标较低，不能满足高精密守时的需要，因此一直以来主要作为频率标准使用。
　　上海天文台前期研制生产的40台左右的氢钟实际使用表明：(1)大多数氢钟的长期稳定度性能较低，未进入10-15 ；(2)其可靠性，尤其是长期运转的可靠性指标也低。实际使用中所暴露出的不可靠性问题，主要集中在真空钛离子泵高压打火和真空系统微漏气。钛泵打火使真空背景瞬间变坏，影响脉泽振荡，严重时导致锁相系统瞬间失锁，使输出频率发生变化；而真空系统漏气，使真空本底压力升高，氢工作流量增大，加重钛泵负担，缩短钛泵寿命。
　　守时型原子钟要求具有很高的长期运转可靠性和稳定性，在中国科学院知识创新工程经费的支持下，经过技术准备，上海天文台开始了为国家授时中心时频基准系统研制守时型氢钟的工作。两台主动型氢钟H45和H46于2005年初运抵国家授时中心。国家授时中心时频基准实验室随即展开测试验收工作，通过一年多严格和全面的测试，基本掌握了该种钟的运行特性，目前这两台钟已经加入NTSC的守时系统，其时差数据也定期报送BIPM。通过对测试数据和问题的分析反馈，也为守时型氢原子钟的生产、设计、改进提供了依据。
2 针对国产氢钟性能的改进
　　改进主要针对改善长期运转可靠性、改善温度效应从而提高稳定性能指标方面来进行：
　　（1）真空泵用美国Varian公司的钛离子泵代替。近一年多的考机运转，未发现明显的高压打火现象。克服了国产钛离子泵经常高压打火这一弊端；
　　（2）原子储存泡由圆形改为椭球泡，避免圆形泡内微波电磁场有可能存在的相位相反方向问题，有效地增加了填充因子10%以上。
　　（3）磁屏蔽筒壁厚由0.9mm增加到1.2mm，改善了屏蔽系数，有效地增加了磁屏蔽效果。（引自王义遒老师的《量子频标原理》第433页公式7.4.12）
　　（4）谐振腔端面及盖板处理工艺的改进，将谐振腔端面与盖板之接触面抛光到光学平，是这两台氢钟与上海天文台以往氢钟另一个显著不同之处。这种措施对氢钟的长期稳定度和频率漂移率将有明显改善，这由下面分析可以看出。腔频变化引起氢脉泽输出频率的变化由下式表示：
　　对于典型的氢脉泽腔，它的共振频率对腔长的变化率近似为10MHz/cm，对于Q腔/Q线～10-5,则腔长变化一个原子的线度（10-8cm）将引起钟输出的相对频率变化10-15。
　　（5）电子学系统的改进：
　　A.温度控制
　　

改变恒温控制电路，原控制电路为固定增益式，现改为反馈放大式，使温度控制精度从5％到2%。钟的温度系数从1E-13改善到<5E-14。
　　B.铁氧体隔离器改进

　
　　隔离器隔离度从30dB升高到60dB。高频放大器噪声系数从1.5dB降低0.7 dB。
　　C.自动调谐器

　　原自动调谐器温漂较大，改进其中的电路：
　　（1）移相器原为模拟电路，其中用到了较大的电阻和电容，存在温度效应，现改成数字移相，去掉了电阻电容。
　　（2）积分器原采用的是运放LF356，零漂为5uV/ ℃ ，现改用AD8610，零漂为0.5uV/ ℃ 。
经以上改进后，有望改善氢钟的温度效应。

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　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图1 NTSC不同类型守时钟的日差曲线
3 国产氢钟性能初步测试

　　噪声和波动情况反映的是钟的短期频率稳定性情况。图1是NTSC守时系统中不同类型原子钟的日差曲线。从图中可以看到，H45和H46的短期频率波动要明显大于Sigma-tau氢钟，与5071A铯钟相当；曲线中速率突变的地方是因为钟房温度剧变引起的，其环境温度带来的时差变化约为10ns/±1oC。然而，同时可以看到，两台Sigma-tau氢钟具有明显的速率漂移，其后果是尽管其短期波动小，但在TAI归算中的权重依然很低（H45和H46与其相当），这是由于国际原子时TAI归算方法（ALGOS算法）主要考察的是守时钟的长期稳定性能。
　　两台国产守时型氢钟经过一年多时间的运行，从守时工作的连续、可靠运行要求来看，其中一台钟（H45）出现多次技术故障，可靠性差，难以做为守时钟使用；另外一台H46基本上连续运行，表现良好。
　　从两台氢钟开始运转的时差数据来分析其性能，可以得到如下结论：两台钟短期频率起伏均较大，比5071A高性能管略差。后来通过给两台钟更换综合器FPGA芯片以后，使其温度效应明显改善，钟稳定性提高，目前，H45和H46的短期频率波动比Sigma-tau氢钟略大，与5071A铯钟相当。从而可以看到，国产氢钟仍然有提高其稳定性的潜力，这需要研制单位根据测试结果，特别是长期运行性能来不断加以改进。
　　钟的稳定度测试采用比对数据分析计算来得到。表1和图2为选择某段时期氢钟房环境温度恒定时三类守时钟（美国Sigma-tau,上海氢钟H46，铯5071A）相对于12台5071A铯原子钟平均时间尺度TA’(12Cs)的稳定度（日期：2006年4月15日- 5月15日）,稳定度的计算采用Allan方差（公式略）。从初步计算结果看，在环境温度保持稳定（温度变化小于±0.5oC）时，H46短稳略差于美国氢钟，中、长稳后与Sigma-tau相当，当然由于采样时间短，因此其性能还需要更多数据来论证。

　　表1 三种守时钟相对于TA’(12Cs)的稳定度

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　　　　　　　　　　　　图2 NTSC三类守时钟相对于TA’(12Cs)的稳定度
4 结论
　　从技术层面来说，国产氢钟经过许多年的努力，通过不断的技术革新如真空、储存泡、磁屏蔽等,比较起以前产品来说,稳定度和可靠性有了显著的提高。其不足是：连续稳定运转的能力尚需进一步改进，这是做为守时钟的基础。同时，要进一步改进短稳及相躁，以得到良好的稳定性能。
　　总之，国产氢钟在高精密守时应用中取得了可喜的成绩，但是要真正替代进口，满足守时钟关于稳定性、可靠性的要求还需要作进一步改进。同时，在改进加工工艺、增加辅助系统如直流供电和内部干电池等方面还需进一步努力。