真空环境下铷钟性能的研究

崔敬忠，杨坦，张玲，梁耀廷，涂建辉，杨炜，张金海

（兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室，兰州730000）

真空环境下铷钟性能的研究

崔敬忠，杨坦，张玲，梁耀廷，涂建辉，杨炜，张金海

（兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室，兰州730000）

星载铷钟是目前全球导航定位卫星中搭载的主要星载钟之一，其工作环境除了前期地面联试是大气环境外，其余大部分时间主要是在真空环境下工作，因此研究真空环境中铷钟的性能对卫星导航系统的发展起着重要的作用。研究了真空环境下铷钟的主要技术指标，包括输出频率稳定性、准确度和漂移率的变化规律。分析了真空环境对铷钟性能的影响，从而为星载铷钟的使用提供借鉴，同时对提高星载铷钟性能有一定的参考价值。

铷钟；真空环境；性能

0　引言

铷钟与氢钟和铯钟相比，因体积、功耗和重量方面的优势在空间得到广泛应用，包括导航系统，军用通信系统、电子侦察系统和海洋监视系统等[1-3]。铷钟的构成主要由物理部分、电路部分和晶振构成。铷钟物理部分主要起鉴频器的作用，提供铷87原子基态超精细能级间距的6.8 GHz稳定的原子跃迁频率信号，通过电路部分，将压控晶振的频率锁定，进而输出稳定的10 MHz左右的频率信号。铷钟物理部分的物理过程主要在3个铷泡中完成，由灯泡发出的光谱信号照射到由铷85和缓冲气体构成的滤光泡，滤除部分不利于光抽运的光如a线，剩余b线。在吸收泡中，该过滤光抽运铷87形成态分布的翻转。如果耦合的微波频率与铷87原子的基态超精细跃迁频率相符合，原子可重新吸收投射光，该过程可由光电探测器检出，用于锁定晶振[11]。主要的物理过程在3个铷泡中完成，工作介质为铷蒸气原子，多余的铷以液态或固态的形式存在于铷泡中。物理过程的稳定需要对3个铷泡进行精密的控温。在物理层面，需要对影响铷钟输出频率的各种因素进行控制，这些因素主要有：光频移、微波功率频移、缓冲气体碰撞频移和温度波动频移[12]。

铷钟在空间的工作环境与地面有很大的不同，包括空间辐照、微重力、真空等[4]。其中真空环境对铷钟的影响较大，包括稳定度、准确度和漂移率等。为了解铷钟的真空工作特点，国内外对铷钟在真空环境下进行了长期的寿命测试[5-7]，对比空间飞行数据[8-9]，总结出了一些规律。文章对这些实验和飞行数据进行一些分析研究，以便更好的掌握星载铷钟的特点为用户提供基础材料。

1　真空环境对稳定度的影响

在大气环境下，除了易受外界温度变化影响外，吸收泡体积的变化也是引起频率波动的主要原因。吸收泡的形状随外界大气压力而变化[15]，变化的大小与玻璃壁厚和形状有关。从大气到真空，通过有限元分析，吸收泡的形变约0.2%，引起的频移约-5E-10。而实际上大气的压力每天均在变化，变化的幅度与所处纬度有关，低纬度约300～400 Pa，随纬度的升高而降低。设大气的压力105Pa，假定频率的变化与外界压力为线性关系，吸收泡体积变化引起的频移约为-5E-30×300/10E5=1.5E-13。这预示着在大气环境下，铷钟的稳定度随取样时间变化的闪变本底在1E-13量级，很难达到更好的指标。而铷钟在真空环境条件下可以达到优于1E-14的水平[16]。图2给出了国产铷钟物理部分的稳定度测试结果，万秒取样时间的稳定度可以达到7E-15，集成整机的天稳指标已经优于5E-15/天。

图1　铷钟温度周期性波动引起的频率稳定度变化图

图2　国产铷钟物理部分稳定度测试曲线图

2　真空环境对准确度的影响

从大气到真空，铷钟的工作状态发生较大的变化，包括微波功率、控温温度、铷泡的形变等[17]。其中，吸收泡的形变引起的频移最大。当铷钟从大气进入真空后，吸收泡由于外界压力的减小，体积会增大，增大的体积与吸收泡的直径的四次方成正比，与吸收泡窗口厚度的平方成反比，一般有-5E-10/大气压的变化。也就是每个大气压变化会引起-5E-10的频移。而实际上一个设计良好的铷钟，当从大气进入真空环境后，各个方面均会发生一定的变化，包括光谱灯的发光状态、铷泡各处的温度、输入到物理部分微波腔中的微波功率等。物理层面的表现形式为从大气到真空环境的转变，带来的好处是温度控制比较稳定。当气压低到100 Pa以后开始显现，表现在需要更小的加热功率，更稳定的控温温度，频率稳定度的提高。对于压力引起的频率准确度的变化问题，可以在真空环境下进行标定，将铷钟输出频率调节到尽量靠近设定值。但是必须注意的是，无论从真空到大气还是从大气到真空，铷钟都需要较长时间的平衡过程[9]。平衡过程完成后，铷钟进入稳定的漂移阶段。

图3是铷钟在轨频率随工作时间的变化曲线。可以看出，在第1年，铷钟的漂移率约为1E-12/天。经过1年后，铷钟的漂移率明显下降，为3E-14/天，工作稳定性有明显改善，表现在频率的波动明显减小，经过5年后趋于极度稳定状态。再次验证了铷钟“越烧越好”的说法，同时也验证了铷钟的长寿命。

图3　铷钟在轨工作频率随时间变化曲线

3　真空环境对漂移率的影响

真空环境有利于铷钟的稳定工作，这样可以将铷钟工作过程中细微的频率波动从大量数据中分辨出来[18]。图4是GPSIIR铷钟开机200天后频率的波动情况。左侧纵坐标是频率变化，右侧纵坐标是铷灯光强的波动。从图中可以看出，频率的波动和光强的波动时间严格对应，说明频率的变化是由光强的变化引起的。此类变化在星载铷钟较为普遍，对GPS IIR系统的星载铷钟统计发现[19]，约有1/3以上的星载铷钟有不同程度的频率跳变现象，幅度在E-12到E-13量级。跳变过程中，铷钟稳定度指标降低，漂移率波动，之后恢复正常。

真空环境对铷钟的漂移率变化有比较大的影响。在真空中开机后，铷钟经历预热、平衡和漂移三个过程，图5给出一个演示过程。图中横坐标是以天为单位的开机时间，纵坐标是相对频率的变化。开机几天后结束预热阶段，之后在几百天的过程中建立平衡，之后进入稳定漂移阶段。这一过程对所有的铷钟都是相似的，不同的是经历的时间常数可能不同，最终的漂移阶段表现形式略有差别。如GPS铷钟的漂移阶段以扩散模型拟合比较贴切，Milstar铷钟以多项指数拟合比较合理[20-21]。也有不同的观点，并进行了大量的研究和猜测。最直接的原因可能是光频移，当铷钟工作过程中，铷灯中的铷与玻璃表面发生化学反应和物理渗透[22]，生成阻挡光线透过的挡光层[23]，使得铷灯发出的光不断减弱，通过光频移效应改变铷钟的输出频率。

图4　GPS铷钟工作时频率变化曲线图

图5　铷钟开机过程曲线图

其次是玻璃的氦渗漏引起的[24]，大气中约有0.53 Pa的氦，在铷泡充制完成后，大气中的氦会渗透到玻璃泡中。当铷钟在真空环境下工作时，吸收泡内的氦会向外渗漏。引起氦分压的降低，由于氦的压力频移系数为正5.4 Hz/Pa，氦向外渗漏会引起负向频率缓变。这一过程是指数变化，时间常数与玻璃的壁厚和渗氦系数有关，一般的时间常数以年为单位，是一个缓变过程。GPS研制初期将铷钟频率漂移率不能达到1E-13/天的指标归因于氦的作用。为此进行了大量的实验，将真空系统中充入与泡内相平衡的氦，证明铷钟的漂移率有数量级的提升。后来采用低渗氦玻璃，有效减小了氦渗漏对漂移的影响。在吸收泡内，铷的迁徙也是一个可能引起频率缓慢变化的原因，吸收泡内温度相差0.1℃的不同区域，铷的迁徙时间可能需要百天的时间[25]。另外一个可能的原因是吸收泡内的氮气的消耗，在吸收泡的工作过程中，吸收泡内的氮气可能与铷和玻璃形成一定的化合物，由于氮气压力频移系数是正的3.9 Hz/Pa，当氮气损耗时，会引起长期的负向频移。这一假设与GPS铷钟的测试和在轨数据一致，但与Milstar星载铷钟的在轨数据有出入。分析两种星载铷钟的差别，最大可能性在于吸收泡所使用的玻璃有差别。GPS铷钟所用吸收泡玻璃是低渗氦玻璃，耐碱级别为Ⅲ级，较易产生化学反应；Milstar铷钟吸收泡所用玻璃为Ⅱ级，不易与铷产生化学反应。所以Milstar铷钟的长期频率漂移接近于线性，而GPS的是持续的扩散物理模型，其结果已经由在轨和长期测试数据所证明。

4　小结

通过已有的实验数据，对铷钟在真空条件下的行为特征进行了分析研究。从真空对铷钟输出频率稳定度、准确度和漂移率三个方面的影响分析，简单说，大气压力引起的频率波动可得到有效的限制，同时热设计良好的铷钟在真空中更有利于温度的稳定，当氦渗漏和其他前期的物理化学过程结束后，铷钟表现出极其优良的、可与被动氢钟相媲美的稳定度指标。同时必须指出，铷钟的漂移率指标还是比铯钟和氢钟差，需要进一步的研究和采用新的技术来提高。

[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]王义遒，王庆吉，傅济时，等.量子频标原理[M].北京：科学技术出版社，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]霍红庆，李冠斌，崔敬忠，等.压力变化对铷原子频标频率准确度影响研究[C]//2007年全国时间频率学术会议，2007：209-212.

[16]张金海，陈溶波，张玲，等.提高铷原子频标物理部分稳定度的研究[J].计量学报，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]涂建辉，李冠斌，达道安，等.铷光谱灯老化过程分析[J].真空与低温，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，研究员，主要从事铷原子频标技术研究。E-mail：cuijingzhong_1@sina.cn。