小型磁選態(tài)銫原子鐘產(chǎn)品化進(jìn)展

陳 江 馬 沛 王 驥 郭 磊 馬寅光 崔敬忠 楊 煒 涂建輝劉志棟 成大鵬 朱宏偉 鄭 寧 黃良育 楊 軍 高 瑋 董鵬玲

(蘭州空間技術(shù)物理研究所，真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州 730000)

1 引 言

1967年，第十三屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)通過了原子秒的定義，將秒定義在了133Cs原子的兩個(gè)基態(tài)超精細(xì)能級(jí)的躍遷上[1]，磁選態(tài)銫原子鐘(以下簡(jiǎn)稱銫鐘)就是實(shí)現(xiàn)這種躍遷的設(shè)備。

銫鐘的研制難度非常大，中國(guó)從其研制到產(chǎn)品化經(jīng)歷了整整半個(gè)世紀(jì)。1966年，啟動(dòng)小銫鐘的研制[2]；1982年，成功研制出樣機(jī)，性能與HP5061A相當(dāng)，但存在故障率較高、壽命較短的問題[3]，其中壽命問題是由于倍增器的增益衰減過快引起的。2006年，啟動(dòng)高性能銫鐘的研制，目標(biāo)是將性能提升至HP5071A水平，且徹底解決壽命短的問題；2015年，突破包括單束束光學(xué)優(yōu)化、長(zhǎng)壽命MgO膜層制備等在內(nèi)的全部關(guān)鍵技術(shù)，研制出長(zhǎng)壽命高性能銫鐘[4]。2016年，正式啟動(dòng)高性能銫鐘的產(chǎn)品化工作。

產(chǎn)品化的一項(xiàng)重要內(nèi)容是生產(chǎn)線的建設(shè)。2016年，完成了銫束管封裝系統(tǒng)等設(shè)備的改造與升級(jí)，具備了年產(chǎn)5臺(tái)銫鐘的能力；2017年，完成了銫束管裝配線的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了年產(chǎn)10臺(tái)銫鐘的能力；2018年，完成了頻標(biāo)電路裝配線及調(diào)試線的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)20臺(tái)銫鐘的能力；2019年完成了集裝配、調(diào)試及測(cè)試于一體的第一條銫鐘生產(chǎn)線，年產(chǎn)可達(dá)到30臺(tái)銫鐘。

然而，對(duì)于銫鐘更關(guān)注產(chǎn)品化過程中其他方面的內(nèi)容，即產(chǎn)品的性能、可靠性和壽命[3,5]。作為一級(jí)頻率標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)銫鐘的一個(gè)基本要求是其頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度要高，另一個(gè)要求是能夠長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行。而長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行對(duì)銫鐘的可靠性和倍增器壽命同時(shí)提出了要求。

本文將對(duì)銫鐘產(chǎn)品化過程中關(guān)注的銫鐘的指標(biāo)測(cè)試情況，可靠性及倍增器壽命和評(píng)估方法作簡(jiǎn)要介紹。

2 銫鐘指標(biāo)測(cè)試

產(chǎn)品的性能包括兩個(gè)方面的內(nèi)容：一是指標(biāo)的好壞，對(duì)銫鐘這些指標(biāo)包括準(zhǔn)確度、穩(wěn)定度、溫度系數(shù)及磁敏感度等；二是指標(biāo)的一致性，如秒穩(wěn)到萬(wàn)秒穩(wěn)的指標(biāo)是否在某個(gè)區(qū)間之內(nèi)等。交付銫鐘一致性對(duì)比曲線如圖1所示，Allan方差穩(wěn)定性測(cè)量數(shù)據(jù)見表1。

圖1 交付銫鐘的Allan方差及一致性對(duì)比曲線圖Fig.1 Allan variance curves and consistency comparison of delivered cesium atomic clocks

表1 交付銫鐘的Allan方差穩(wěn)定性測(cè)量數(shù)據(jù)Tab.1 Allan variances stability data of delivered cesium atomic clocks銫鐘編號(hào)1s10s100s103s104s105s5071A標(biāo)準(zhǔn)型≤1.2E-11≤8.5E-12≤2.7E-12≤8.5E-13≤2.7E-13≤8.5E-145071A優(yōu)質(zhì)型≤5.0E-12≤3.5E-12≤8.5E-13≤2.7E-13≤8.5E-14≤2.7E-140014.4E-124.0E-121.2E-123.2E-139.6E-144.4E-140023.6E-122.4E-127.4E-132.0E-138.5E-141.5E-140036.7E-125.9E-121.7E-125.8E-131.7E-135.7E-140046.7E-123.4E-128.1E-132.3E-136.3E-142.7E-140054.6E-122.7E-127.7E-132.6E-137.1E-141.9E-140062.8E-123.2E-127.4E-132.3E-138.0E-142.7E-140076.6E-123.6E-121.0E-123.9E-131.1E-133.6E-14

續(xù)表1銫鐘編號(hào)1s10s100s103s104s105s0084.7E-123.0E-121.1E-123.5E-131.5E-137.1E-140096.1E-123.8E-121.5E-124.7E-131.4E-13—0106.3E-124.5E-121.3E-123.9E-132.0E-13—0116.2E-125.2E-121.3E-124.6E-131.7E-13—0124.8E-123.5E-128.3E-132.4E-137.9E-142.7E-14

為便于比較，圖3和表1分別給出了標(biāo)準(zhǔn)型和高性能型(優(yōu)質(zhì)型)5071A銫鐘的指標(biāo)[6]。從圖3可以看出，產(chǎn)品的性能指標(biāo)優(yōu)于5071A標(biāo)準(zhǔn)型。部分指標(biāo)達(dá)到了高性能型。主要是由于產(chǎn)品采用了以下方案和技術(shù)。

1)物理部分采用單束光學(xué)方案，即只有一束銫原子進(jìn)入微波腔完成躍遷，該方案可以利用微波腔中微波磁場(chǎng)的均勻區(qū)域，從而消除Ramsey牽引[7]；

2)銫鐘電路采用了數(shù)字技術(shù)，對(duì)重要參數(shù)如C場(chǎng)電流等實(shí)時(shí)優(yōu)化，特別對(duì)倍增器電壓實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)以保證輸出信號(hào)電流是穩(wěn)定的。

由于產(chǎn)品的實(shí)測(cè)指標(biāo)介于5071A標(biāo)準(zhǔn)型和高性能型之間，所以指標(biāo)的一致性非常好。主要由于在產(chǎn)品生產(chǎn)時(shí)采取了以下措施。

1)對(duì)零部件及部組件在選用之前進(jìn)行測(cè)試，對(duì)不達(dá)標(biāo)的零部件及部組件堅(jiān)決淘汰；

2)嚴(yán)格按照真空工藝對(duì)部組件進(jìn)行清洗及烘烤；

3)嚴(yán)格按照固化的工藝文件裝配銫束管和電路；

4)電路采用模塊化設(shè)計(jì)，模塊連線使用標(biāo)準(zhǔn)接插件。

產(chǎn)品的準(zhǔn)確度、溫度系數(shù)及磁敏感度等指標(biāo)的測(cè)試與一致性情況如下。

1)準(zhǔn)確度優(yōu)于5E-12，這是由于頻率綜合器采用了48位的DDS，頻率調(diào)節(jié)的分辨率可達(dá)2.8E-7Hz；

2)溫度系數(shù)優(yōu)于3E-14/℃，這是由于在伺服算法中使用參數(shù)優(yōu)化算法補(bǔ)償溫度引起的微波頻率、微波功率參數(shù)漂移；

3)磁敏感度優(yōu)于3E-14/Gs，主要是采用了多層磁屏蔽技術(shù)。

3 銫鐘的可靠性

銫鐘的可靠性始終是產(chǎn)品化過程中的關(guān)注點(diǎn)之一[5]。在電子倍增器的壽命問題未解決之前，可靠性問題并不突出；壽命問題解決之后，可靠性問題就顯現(xiàn)出來了。

可靠性問題主要體現(xiàn)在銫鐘電路的故障率較高，這與電路的復(fù)雜性有關(guān)。銫鐘電路需要為銫束管提供分辨率達(dá)到E-7Hz水平的微波激勵(lì)信號(hào)、5種精確可調(diào)的電壓電流信號(hào)以及兩種低噪聲可調(diào)高壓源、需要采集銫束管輸出的nA級(jí)微弱電流信號(hào)，在此基礎(chǔ)上用伺服算法控制壓控晶振，完成環(huán)路閉鎖。要滿足上述要求使得銫鐘電路頗為復(fù)雜，故帶來可靠性問題。

可能發(fā)生的故障和相應(yīng)的措施主要有：在產(chǎn)品化初期，交付用戶的產(chǎn)品中有部分出現(xiàn)了失鎖現(xiàn)象。經(jīng)排查發(fā)現(xiàn)是微波系統(tǒng)9 192MHz壓控振蕩器發(fā)生了錯(cuò)鎖，通過擴(kuò)大微波鏈路RF壓控振蕩器頻率范圍，降低了壓控靈敏度，消除了發(fā)生錯(cuò)鎖的隱患。交付用戶的產(chǎn)品中還出現(xiàn)過離化絲電源失效的情況，通過更改設(shè)計(jì)，增加輸出級(jí)功率冗余，解決了問題。此外還出現(xiàn)過銫爐電源波動(dòng)、整機(jī)入鎖失敗等其它故障，通過更改設(shè)計(jì)后這些問題全部解決。三年來產(chǎn)品化過程中出現(xiàn)的主要故障見表2。

表2 銫鐘產(chǎn)品化過程中出現(xiàn)的故障現(xiàn)象和解決措施Tab.2 Failure phenomena and solutions in the process of commercialization of cesium atomic clock序號(hào)故障現(xiàn)象解決措施1微波模塊失鎖更換VCO型號(hào),降低壓控靈敏度2銫爐電源波動(dòng)更改銫爐控制端,增加上拉電阻3離化絲電源失效更改離化絲電源設(shè)計(jì),提高設(shè)計(jì)裕度4整機(jī)入鎖失敗修改軟件,調(diào)整參數(shù)掃描閾值5輸出模塊同步失效修改硬件,增加輸入保護(hù)電路

銫鐘不僅在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境得到應(yīng)用，而且在其他環(huán)境，如溫度范圍超過10℃的環(huán)境中也得到很好的應(yīng)用，希望將其推廣應(yīng)用至更復(fù)雜的環(huán)境下，如車載、機(jī)載或艦載，或復(fù)雜的電磁、鹽霧環(huán)境下等。這些環(huán)境條件不僅可能影響產(chǎn)品的指標(biāo)，而且有可能使產(chǎn)品的靠性降低，以至于出現(xiàn)故障。為了進(jìn)一步提高可靠性，有必要開展環(huán)境適應(yīng)性方面的工作。

首先，通過振動(dòng)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了銫束管內(nèi)部檢測(cè)器和鈦泵兩個(gè)部組件的薄弱環(huán)節(jié)，針對(duì)薄弱環(huán)節(jié)重新設(shè)計(jì)了部組件中存在的懸臂結(jié)構(gòu)，此外根據(jù)振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)整機(jī)也進(jìn)行了力學(xué)加固，在上述基礎(chǔ)上產(chǎn)品通過了GJB150A規(guī)定公路運(yùn)輸(三級(jí)公路卡車運(yùn)輸級(jí)隨機(jī)振動(dòng))試驗(yàn)，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)情況如圖2所示；其次，為了適應(yīng)更寬的溫度范圍，進(jìn)行了熱學(xué)仿真及實(shí)際紅外攝影識(shí)別薄弱環(huán)節(jié)，通過機(jī)箱布局調(diào)整改善了散熱路徑，目前整機(jī)可在0℃～50℃范圍正常工作，如圖3所示；此外，按照GJB 151B-2013陸軍地面測(cè)試項(xiàng)目，開展了7項(xiàng)EMC試驗(yàn)：CE102，RE102，RS103，CS101，CS114，CS115，CS116，最終全部通過，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖4所示。最后，進(jìn)行了其他試驗(yàn)，包括低氣壓、高低溫存儲(chǔ)、霉菌試驗(yàn)等，通過這些試驗(yàn)識(shí)別出機(jī)箱內(nèi)部開放式布局模塊存在風(fēng)險(xiǎn)，采取了噴涂三防漆、增加密封手段等措施降低了風(fēng)險(xiǎn)。通過上述環(huán)境試驗(yàn)改進(jìn)了設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高了銫鐘的可靠性。

圖2 銫鐘振動(dòng)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.2 Field diagram of vibration test of cesium atomic clock

圖3 銫鐘紅外攝影熱成像圖Fig.3 Thermal imaging of cesium atomic clock by infrared photography

圖4 銫鐘7項(xiàng)EMC試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.4 Seven EMC tests had been carried out for cesium atomic clock

在使用過程中，通過用戶反饋及時(shí)解決發(fā)現(xiàn)的問題。三年來產(chǎn)品性能和質(zhì)量不斷提升。雖然交付產(chǎn)品數(shù)量逐年增長(zhǎng)，但故障率持續(xù)下降，由開始的超過50%降至現(xiàn)在的10%，預(yù)計(jì)未來將低于5%。

4 電子倍增器壽命

電子倍增器將銫束管pA量級(jí)的信號(hào)電流放大至近百nA級(jí)輸出，這種放大作用是由其內(nèi)部打拿極表面的MgO膜層提供的。放大能力由膜層的二次發(fā)射系數(shù)描述[8]，二次發(fā)射系數(shù)越大，倍增器的放大倍數(shù)(增益)將越高。倍增器正常工作時(shí)，二次發(fā)射系數(shù)將不斷下降，當(dāng)下降到某一特定值時(shí)，放大電流就不足于鎖定電路中的晶振，這段時(shí)間就是倍增器的壽命。長(zhǎng)期以來，國(guó)內(nèi)研制的倍增器由于二次發(fā)射系數(shù)下降過快，使得銫鐘壽命很短，往往只有幾個(gè)月。

由于MgO容易與空氣中的水蒸氣及CO2反應(yīng)從而影響了膜層的二次電子發(fā)射性能[9,10]，因此應(yīng)盡可能減小倍增器暴露空氣的時(shí)間。然而在銫束管的裝配過程中，暴露空氣是不可避免的，所以最根本的解決方法是提高M(jìn)gO膜的化學(xué)穩(wěn)定性。Y.Morimoto等人發(fā)現(xiàn)致密性好的MgO膜擁有較好的化學(xué)穩(wěn)定性及抗腐蝕性能[11]。由于磁控濺射鍍膜方法工藝成熟，容易實(shí)現(xiàn)膜層的致密化，因此國(guó)內(nèi)啟動(dòng)了采用該方法制備MgO膜層的研究，并最終成功，從而解決了倍增器壽命短的問題。

前文提出通過增加電子倍增器的電壓調(diào)節(jié)功能，提高了銫鐘的性能，此外它還帶來另一個(gè)好處：電子倍增器的壽命可以評(píng)估了。當(dāng)MgO膜層的二次發(fā)射系數(shù)下降時(shí)，倍增器的放大倍數(shù)相應(yīng)下降，為了彌補(bǔ)下降，電路將提高倍增器的電壓。這樣，當(dāng)銫鐘工作時(shí)，隨著倍增器放大倍數(shù)的不斷減小，其電壓將不斷上升，如圖5所示，從而使倍增器壽命的評(píng)估成為可能。

圖5 銫鐘正常工作時(shí)倍增器電壓持續(xù)上升Fig.5 The voltage of the multiplier keeps rising when cesium atomic clock works

當(dāng)測(cè)得倍增器每天電壓增幅，可根據(jù)式(1)得到近似評(píng)估倍增器的壽命[4]

(1)

式中：T——銫鐘壽命；V2——是電路可提供的最大電壓；V1——倍增器的起始工作電壓；ΔV——電壓每天增幅。

根據(jù)式(1)，評(píng)估了2010～2015年研制銫鐘的壽命，見表3。評(píng)估結(jié)果給出了國(guó)產(chǎn)高性能銫鐘關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)時(shí)倍增器壽命的進(jìn)展情況。

當(dāng)倍增器每天電壓增幅進(jìn)入小量時(shí)，將出現(xiàn)一個(gè)新現(xiàn)象。從起始電壓開始，電壓不增反降，經(jīng)過一段時(shí)間(一般為1個(gè)月到半年)后倍增器電壓降到最低，然后才開始近似線性上升，如圖6所示。這種電壓下降是由于倍增器正常工作時(shí)，轟擊在MgO膜層表面的電子會(huì)將表面吸附的氣體雜質(zhì)不斷去除，從而新鮮膜層逐漸顯露引起的。過去之所以

表3 2010～2015年倍增器壽命評(píng)估結(jié)果及進(jìn)展情況Tab.3 Life assessment results and progress of multiplier in 2010～2015時(shí)間2010年2011年2012年2013年2014年2015年電壓每天增幅/V221386.61.80.2倍增器壽命2個(gè)月3個(gè)月5個(gè)月半年2年10年

沒觀察到這種現(xiàn)象，是由于電壓上升太快將此現(xiàn)象掩蓋了。完整的壽命評(píng)估公式應(yīng)當(dāng)修改如下

(2)

式中：T1——電壓下降階段持續(xù)的天數(shù)；V0——電壓在下降階段的最低點(diǎn)；V2——最大電壓；ΔV——電壓每天增幅。

根據(jù)式(2)，對(duì)交付產(chǎn)品的倍增器壽命進(jìn)行了評(píng)估，平均壽命約為8年。

圖6 壽命突破后倍增器電壓在銫鐘正常工作時(shí)變化曲線圖Fig.6 Curve of voltage changes of multiplier after its life breakthrough

需要指出的是銫鐘壽命不僅取決于倍增器，還取決于如裝銫量等其他因素。銫鐘正常工作時(shí)，每年消耗約1g銫，為了匹配倍增器8年的壽命，新版銫鐘裝銫量超過了8g，這樣新版銫鐘的壽命估計(jì)為8年。但對(duì)于高性能型銫鐘，銫的消耗量增加了，每年超過1.5g，因此對(duì)于高性能型銫鐘，預(yù)計(jì)其壽命為5年。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了銫原子鐘產(chǎn)品化過程中關(guān)注的指標(biāo)測(cè)試、可靠性進(jìn)展及倍增器壽命評(píng)估等內(nèi)容。在產(chǎn)品化過程中還包括如何縮短建線周期、把握市場(chǎng)需求、降低生產(chǎn)成本、將技術(shù)研發(fā)與產(chǎn)品開發(fā)以及平臺(tái)開發(fā)分離等很多問題，有待進(jìn)一步探索。