HP5071A銫原子鐘的工作參數(shù)的監(jiān)視與分析精

1、HP5071A 銫原子鐘內(nèi)部工作參數(shù)的監(jiān)視與分析劉春俠 王改霞 漆溢中國科學院陜西天文臺，陜西省臨潼， 710600)基于對 1997 年上半年購進的 6 臺 HP5071A 銫原子鐘的內(nèi)部工作參數(shù)的監(jiān)視結(jié)果， 分析 了 3臺銫原子鐘(Cs08、Cs11、Cs16)從開始運行到銫束管壽命結(jié)束期間內(nèi)部工作參數(shù)的 變化趨勢， 以及銫束管在壽命將要到期期間各種工作參數(shù)的變化情況。對銫原子鐘內(nèi)部工作參數(shù)的長期觀察與分析有助于對銫原子鐘進行更好的維護、保養(yǎng)和使用。關(guān)鍵詞：銫原子鐘內(nèi)部工作參數(shù) 鐘特性81引言Cs07(C1351007) 、 Cs08 ( C1351008 )、 Cs11( C135101

2、1)、 Cs161997年上半年國家授時中心購進了六臺 HP5071A 銫原子鐘替換了老一代的 HP5061A， 這六臺鐘的代號分別為(C1351016)、Cs17( C1351017)、Cs18( C1351018)，它們共同承擔著 UTC( NTSC )的控 制和TA( NTSC)的產(chǎn)生與保持。自從97年下半年這些鐘的數(shù)據(jù)提供給國際權(quán)度局(BIPM )至今，除Cs18仍繼續(xù)工作外(Cs18在99年因銫束管故障更換了新的銫束管)，Cs07和Cs17 因其它故障分別于 2003年2月1 日( MJD : 52670)和2003年9月24 日( MJD : 52905) 停機檢修，歷時這兩臺鐘分

3、別工作了5年零8個月和6年零3個月；Cs11、Cs16、Cs08分別于 2003 年 4 月 14 日( MJD : 52743 )、2003 年 8 月 11 日( MJD : 52862 )、2003 年 9 月 23 日( MJD : 52905)電子倍增器電壓(E-Mult )達到極限值，預(yù)示鐘的壽命即將到期。為 了對有關(guān)情況進行進一步的觀察分析，我們對Cs11、Cs16和Cs08均延長了 12個月的工作期后才決定關(guān)機，此時這三臺鐘的工作年限分別是 5年零 10個月、 6年零 2個月和 6年 零 3 個月。在本文中，給出了 CsO8、Cs11和Cs16從開始工作到壽命結(jié)束期間的實際觀測

4、結(jié)果， 以及它們在初始階段和壽命終了期間的詳細數(shù)據(jù)， 并對這些參數(shù)從開始工作到壽命結(jié)束期間 的變化趨勢以及銫束管在壽命到期期間的性能變化情況作了分析。2長期監(jiān)視的結(jié)果5071A 給出了多種有價值內(nèi)部工作狀態(tài)參數(shù)列入表 11，我們僅對與銫束管有密切關(guān)系 的幾項主要參數(shù)進行了較為詳細的分析。 表 2 給出了 3 臺銫原子鐘在開始階段和壽命到期時 各參數(shù)的變化情況以供參考。工作參數(shù)離子泵電流3 Pump）典型范圍0 10V-10V10.0 14 Q5mA0 100%0 - 100%1000- 2553V144 貂表1: HP5071A的內(nèi)部工作參數(shù)葩東管爐壓（CBT0；7e） 壓控晶振爐壓（QSCC

5、X亡11） 壓控晶振控制電壓 Qsc, gHtrol） C場控制電流C-fi蟲cufi） 艷束管的微波信號強度（EJampll）. 鋰耒管的微波信號強度（RPampl2） 艷東管電子倍増器電壓E-multipliM 頻率控 制 回路增益 （Signal Gam）表2:銫原子鐘內(nèi)部工作參數(shù)的初始值和終了值劎始值終了值CsOBCsLlCslSCe03CsllCe16離子泵電流（uA）0.4 L40-0.2E20.21.6-0. 813.7-16. 5穌管爐壓CV）8.2七 57. W. 27. 4*T,6a.50盤苑07.6-0抿蕩器爐a（V）-S.3-3-E 37-9-9-S.9-E 3T振藕器

6、控制-IM 1-3.52 %12.0缶12.47 %-0737.嶷4.北3.陸19.93-20,31.16-0.53C場控制電疣（mA）12.143-12.12.1512.15612.14412.14712.14G12.152-12.1&112.17-12.143微枝信號強度CO門弘門4驚23.29 5%2呂4刃1 %托.4収微波信號強度2428.7%16-162%27.2-27.8%28.1-2?, 4X16.3-15,627.444. g%電子倍増器電壓（V）1520-14471傘111創(chuàng)51204-11781969-25531612-25531325-2E53信號増益14.414

7、.4%14.4%14-100?14.4ID D %14.4-100%注：1.初始值所取的時間段為鐘開始運行后一年的數(shù)據(jù)（即：從 97年6月至98年6月）。2.終了值取自銫束管的電子倍增器電壓達到極限值前一個月到停鐘前最后一點的數(shù)據(jù)。3. 對長期監(jiān)視結(jié)果的分析3.1 HP5071A內(nèi)部工作參數(shù)的變化趨勢圖1圖9給出了 3臺HP5071A從開始運行到壽命結(jié)束期間幾個主要參數(shù)的整體變化趨 勢，從這些圖中可以看出， 鐘的大部分參數(shù)從開始運行到結(jié)束一直工作在一個變化很小的范 圍內(nèi)，只有少數(shù)幾個參數(shù)在鐘停止工作前才有了明顯的變化。圖1是3臺鐘離子泵電流“ Ion Pump的變化情況，從中可以看出 Cs11

8、和Cs16在起始 階段非常穩(wěn)定，從 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開始時波動較大（0-1.4卩A）,工作了兩年之后逐漸趨于平穩(wěn)， 一直到壽命結(jié)束該鐘的離子泵電流一直穩(wěn)定在0.2卩A ; Cs11在工作了兩年之后波動逐漸變大（0-2.2卩A） ; Cs16在兩年之后到壽命結(jié)束期間變化更大，從0.2卩A逐漸變到16.5卩A。圖2和圖3是銫束管爐壓“ CBT Oven”和壓控震蕩器爐壓“ Osc. Oven ”的變化曲線， 從圖3可見3臺鐘的壓控震蕩器爐壓變化十分相似，均工作在-8.9V和-9V之

9、間，從開始工作到壽命結(jié)束其波動只有0.1V ;從圖3可見3臺鐘的銫束管爐壓盡管基數(shù)值略有差異，但在正常工作期間它們的波動均非常小(約 0.2V),壽命一旦結(jié)束，它們很快變?yōu)椤?”，這種變化是在3臺鐘的電子倍增器電壓達到極限值一個月之后才出現(xiàn)的。圖4是壓控震蕩器的控制電壓“Osc. Ctrl ”百分比。從圖中可看出3臺鐘的這一參數(shù)值各不相同，Cs16的該值比較穩(wěn)定，一直保持在-1.5% +1.5%之間；而對Cs08和Cs11而言，盡管各參數(shù)的起始值并不相同，但它們的控制趨勢非常相似。圖5是C場電流“ C-Field ”變化情況，從開始運行到壽命結(jié)束，3臺鐘的波動均很小，而且較穩(wěn)定。 Cs08 工

10、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，即使某臺鐘偶爾出現(xiàn)較大的波動，但也不會超過0.6 mA 。圖6和圖7是銫束管的微波信號強度“ RF ampi”變化百分比，從圖中可以看出，在正 常工作期間3臺鐘的該參數(shù)均比較穩(wěn)定，而且以一個非常緩慢的速率(幾乎可以認為是不變的)變化，直到故障開始出現(xiàn)時才有了微小的波動。圖8是銫束管電子倍增器電壓“E-Mult ”的變化趨勢。在起始階段3臺鐘的該參數(shù)均比較高，然后逐漸下降，Cs08 由 1511V( MJD 50628)

11、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)；這種過程持續(xù)了半年到一年的時間之后，3臺鐘的該參數(shù)分別以 0.26V/天、0.05V/天、0.16V/天的速率逐漸上升。 Cs08的明顯上升是從 2003年9月3 日( MJD 52885) 開始，在20天的時間內(nèi)很快由正常值上升為極限值(2553V)； Cs16的明顯上升是從 2003年8月4日(MJD 52855)，在一周的時間內(nèi)很快上升為極限值；對銫束管而言，電

12、子倍增 器電壓是一個很重要的參數(shù)，一旦該參數(shù)出現(xiàn)明顯變化，鐘的性能將很快變差。在電子倍增器電壓達到極限值的同時，信號增益“Sig nal Gain ”開始出現(xiàn)變化(見圖9)，在正常情況下信號增益一直保持在14.4%，在銫束管電子倍增器電壓達到極限值后Cs08和Cs11在10天左右的時間里很快由14.4%上升為100% Cs16則在1個月的時間里很快上升為100%從有關(guān)的幾個圖中還可以看出，銫爐電壓下降為0是銫束管電子倍增器電壓”和信號增益都達到極限值之后才出現(xiàn)的。* Pump(CsOS) Pump(Cs16J* Pump(Cs11)上fIon Funp15102520_亠出卅 4一航二5100

13、0515005210052500530001UC05C5C0njD圖1.離子泵電流的長期變化圖2.銫束管爐壓的長期變化圖3.壓控振蕩器爐壓的長期變化圖4.壓控振蕩器控制電壓的長期變化mA12. 15S12. 15612. 16412. 15212.1512. 14312. 14612. 1312. 14212.14C-field currentC-FUldtt：!OS)C-rjeld(CsllJ6C6C061000 ElEOO52ODOE2ED0 E30D0EF ajiplitude Cl)353025201510505DBQ0 610005150052D0D5250C530DO町DAmplK

14、CsOS) AmplKCsie) AmpH(CELl)圖5.C場電流的長期變化圖6.銫束管的微波信號強度的長期變化圖7.銫束管的微波信號強度的長期變化圖8.銫束管的電子倍增器電壓的長期變化注：在圖4、圖6、圖7、圖9中各信SignalGain%圖9.頻率控制回路增益的長期變化號的變化百分比均是相對于該信號最大值 的百分比。3.2 HP5071A壽命到期期間性能指標的變化情況這里以Cs08和Cs16為例，來分析鐘壽命到期期間性能指標的變化情況。我們根據(jù)實際觀測到的數(shù)據(jù)，經(jīng)歸算得到TA ( NTSC )'-CLOCK , , TA(NTSC)是根據(jù)當時正在運行中的幾臺正常鐘等權(quán)平均得到的原

15、子時，CLOCK是Cs08或Cs16的鐘數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)選取的時間段是銫束管的電子倍增器電壓“E-Mult ”達到極限值前后各一個月左右的時間，對Cs08取自2003年8月23日至10月23 日( MJD : 52874-52935 )的數(shù)據(jù)；對 Cs16取自2003年7 月1日至9月20 日( MJD : 52821-52905)的數(shù)據(jù)。圖 前后 TA(NTSC) -Cs08 和 TA(NTSC) -Cs16 的變化曲線， 限值前，該曲線幾乎是一條直線，這說明鐘的速率基本穩(wěn)定； 該曲線出現(xiàn)了隨機波動，說明鐘的速率發(fā)生了很大的變化。10和圖11是“ E-Mult ”達到極限值 從圖中看出，在“ E-

16、Mult ”達到極 當“E-Mult ”達到極限值后，圖12和圖13分別是相鄰兩小時E-Mult ”達到直到銫束管爐壓為0時，鐘的特的TA ( NTSC) '-Cs08和TA(NTSC) -Cs16值之差變化曲線圖，可以看出當“ 極限值后鐘的速率及速率的波動隨著時間的推移逐漸增大，性發(fā)生了質(zhì)的變化，預(yù)示著銫束管的壽命即將結(jié)束。為了比較在正常工作期間和故障剛開始時（銫束管電子倍增器電壓達到極限值）鐘的性能變化情況，我們對 2003年6月份TA（NTSC） -CLOCK i的數(shù)據(jù)和2003年9月22日至 10月22 日（ Cs08的銫束管電子倍增器電壓達到 2553V）以及2003年8月6

17、日至9月5日（Cs16的銫束管電子倍增器電壓達到2553V）的TA（NTSC） -CLOCK i數(shù)據(jù)進行了分析處理，（TA（NTSC）為正常工作時NTSC所有鐘的等權(quán)平均；（TA（NTSC）是故障開始時現(xiàn)有的幾臺 正常鐘等權(quán)平均得到的）得出了銫束管電子倍增器電壓達到極限值前后穩(wěn)定度的變化情況列 于表3,從表3可見當銫束管電子倍增器電壓達到極限值時鐘的穩(wěn)定度將下降一到兩個數(shù)量 級，這樣的鐘將對原子時計算產(chǎn)生很大的影響。所以，在進行原子時計算時我們就應(yīng)當剔除這臺鐘的數(shù)據(jù)。ns W -CsOS (2003, OE. 23-10. 23)20C0E-mul 達到 2W3V 115C010C05C052

18、370 528E0 528S0 529C0 52910 52920 52930 5?940 町D-500ns200D-200-400-6C0-8C0-10C0-120DTA ' -Csie C2003.07. 01-09.20)二 E-imilt達到 2553V52S1D52830 52SSD 52870528SD52910MJE圖10. TA(NTSC) / -Cs08的變化曲線圖11. TA(NTSC) " -Cs16的變化曲線nsICOns相臨兩小時的CTA-CsOg）值之差匸E-mul達到2芳7/500-50-100 52870 528SD 528S0 62900 5

19、29J0 52920 52930 52940UDIDC5C-6C圖12.相臨兩小時的CTA，-Csl6）值之差-10C 52引052S305235052S7052S9052910mjD圖13.注:圖 12. TA(NTSC) / -Cs08 第( n+1)小時-TA(NTSC) " -Cs08第 n，小時圖 13. TA(NTSC) / -Cs16第什)小時-TA(NTSC) / -Cs16第 n，小時表3:銫束管電子倍增器電壓達到極限值前后穩(wěn)定度變化情況釆樣間渝、GO呂穩(wěn)定度變化情況CM 6穩(wěn)定度變化情況正常情況下E-irul t達到極限值正常情況下E-mul t達到極限值3600

20、s1. 4E-134. SE-121.2E-134. 0E-1243200s汛 0£-141. 4E-123. 4E-141.2E-1286400s2. 3E-148. 9E-132. 6E-149. 3E-13432000E8. 5E-153. 9E-131.1E-143. 8E-13銫原子鐘壽命到期期間比對數(shù)據(jù)的變化情況:3.3其它觀察為了更詳細準確地觀察 HP5071A的內(nèi)部參數(shù)的變化規(guī)律，從2003年下半年開始，時間比對實驗室實現(xiàn)了鐘參數(shù)的自動采集（每小時工控機自動記錄一次鐘的內(nèi)部工作參數(shù)）。因此對2003年初購進的3臺新鐘和2004年4月更換銫束管的五臺鐘的運行狀況可方便地

21、進行 監(jiān)視。通過對初期內(nèi)部工作狀態(tài)的監(jiān)視分析，我們發(fā)現(xiàn)這8臺鐘的大部分參數(shù)變化規(guī)律極為相似，有個別鐘的個別參數(shù)和其它鐘恰好相反，有的參數(shù)呈不規(guī)則變化。由于篇幅所限，這 里不再詳述。鐘的內(nèi)部工作參數(shù)的這種變化究竟對它的壽命和性能產(chǎn)生怎樣的影響？還有待 進一步的分析。4. 結(jié)論由以上分析可見，當一臺鐘的壽命即將結(jié)束時，首先是電子倍增器電壓達到極限值，與此同時信號增益開始變化， 這種變化一般持續(xù)一周到一個月左右的時間。銫束管爐壓下降為0是在電子倍增器電壓和信號增益均達到極限值后10天到一個月左右的時間才出現(xiàn)的。因此，銫原子鐘的內(nèi)部參數(shù)是鐘工作狀態(tài)的監(jiān)視窗口。一臺鐘的運行壽命一般在 6年左右，一旦電子

22、倍增器電壓達到極限值，鐘的壽命將會很快結(jié)束。長期監(jiān)視、細心觀察鐘的內(nèi)部工作參數(shù)，以便隨時發(fā)現(xiàn)某臺鐘的性能變化情況，對于我們在守時工作中更合理地調(diào)整主鐘系統(tǒng)、決定某臺鐘是否參與國際原子時的計算是非常有益的?？傊@方面的工作將為高精度的時間測量、合理利用鐘資源和不斷提高守時質(zhì)量提供有關(guān)依據(jù)。參考文獻5071A Primary Freque ncy Stan dardOp erat ing andHoon Neo. Proceedings of the Asia-Pacific Workshop on1 Agile nt Tech no logies.Agile ntP rogrammi ng Man ual.2000.2 Yueyan Shan，Hock Ann Chua ，Time and Frequency 2000(ATF2000)C.Tokyo : 2000，179-186.The monitoring and analyses of the op erational Parametersof Cesium Clock HP5071ALIU Chu n-Xia WANG Gai-Xia QI Yi(National Time Service Center, The Chinese Academy of Sciences, Lin