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(guó)科學(xué)院陜西天文臺(tái)，陜西省臨潼， 710600)基于對(duì) 1997 年上半年購進(jìn)的 6 臺(tái) 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(tái)銫原子鐘(Cs08、Cs11、Cs16)從開始運(yùn)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(shì)， 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(duì)銫原子鐘內(nèi)部工作參數(shù)的長(zhǎng)期觀察與分析有助于對(duì)銫原子鐘進(jìn)行更好的維護(hù)、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(guó)家授時(shí)中心購進(jìn)了六臺(tái) HP5071A 銫原子鐘替換了老一代的 HP5061A， 這六臺(tái)鐘的代號(hào)分別為(C1351016)、Cs17( C1351017)、Cs18( C1351018)，它們共同承擔(dān)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(guó)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(jī)檢修，歷時(shí)這兩臺(tái)鐘分

3、別工作了5年零8個(gè)月和6年零3個(gè)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(dá)到極限值，預(yù)示鐘的壽命即將到期。為 了對(duì)有關(guān)情況進(jìn)行進(jìn)一步的觀察分析，我們對(duì)Cs11、Cs16和Cs08均延長(zhǎng)了 12個(gè)月的工作期后才決定關(guān)機(jī)，此時(shí)這三臺(tái)鐘的工作年限分別是 5年零 10個(gè)月、 6年零 2個(gè)月和 6年 零 3 個(gè)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(shí)際觀測(cè)

4、結(jié)果， 以及它們?cè)诔跏茧A段和壽命終了期間的詳細(xì)數(shù)據(jù)， 并對(duì)這些參數(shù)從開始工作到壽命結(jié)束期間 的變化趨勢(shì)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(zhǎng)期監(jiān)視的結(jié)果5071A 給出了多種有價(jià)值內(nèi)部工作狀態(tài)參數(shù)列入表 11，我們僅對(duì)與銫束管有密切關(guān)系 的幾項(xiàng)主要參數(shù)進(jìn)行了較為詳細(xì)的分析。 表 2 給出了 3 臺(tái)銫原子鐘在開始階段和壽命到期時(shí) 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(chǎng)控制電流C-fi蟲cufi） 艷束管的微波信號(hào)強(qiáng)度（EJampll）. 鋰耒管的微波信號(hào)強(qiáng)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(chǎng)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(hào)強(qiáng)度CO門弘門4驚23.29 5%2呂4刃1 %托.4収微波信號(hào)強(qiáng)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(hào)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(shí)間段為鐘開始運(yùn)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(dá)到極限值前一個(gè)月到停鐘前最后一點(diǎn)的數(shù)據(jù)。3. 對(duì)長(zhǎng)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(shì)圖1圖9給出了 3臺(tái)HP5071A從開始運(yùn)行到壽命結(jié)束期間幾個(gè)主要參數(shù)的整體變化趨 勢(shì)，從這些圖中可以看出， 鐘的大部分參數(shù)從開始運(yùn)行到結(jié)束一直工作在一個(gè)變化很小的范 圍內(nèi)，只有少數(shù)幾個(gè)參數(shù)在鐘停止工作前才有了明顯的變化。圖1是3臺(tái)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(shí)波動(dòng)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(dòng)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(tái)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(dòng)只有0.1V ;從圖3可見3臺(tái)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(dòng)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(tái)鐘的電子倍增器電壓達(dá)到極限值一個(gè)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(tái)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(duì)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(shì)非常相似。圖5是C場(chǎng)電流“ C-Field ”變化情況，從開始運(yùn)行到壽命結(jié)束，3臺(tái)鐘的波動(dòng)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(tái)鐘偶爾出現(xiàn)較大的波動(dòng)，但也不會(huì)超過0.6 mA 。圖6和圖7是銫束管的微波信號(hào)強(qiáng)度“ RF ampi”變化百分比，從圖中可以看出，在正 常工作期間3臺(tái)鐘的該參數(shù)均比較穩(wěn)定，而且以一個(gè)非常緩慢的速率(幾乎可以認(rèn)為是不變的)變化，直到故障開始出現(xiàn)時(shí)才有了微小的波動(dòng)。圖8是銫束管電子倍增器電壓“E-Mult ”的變化趨勢(shì)。在起始階段3臺(tái)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(shí)間之后，3臺(tái)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(shí)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(shí)間內(nèi)很快上升為極限值；對(duì)銫束管而言，電

12、子倍增 器電壓是一個(gè)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(dá)到極限值的同時(shí)，信號(hào)增益“Sig nal Gain ”開始出現(xiàn)變化(見圖9)，在正常情況下信號(hào)增益一直保持在14.4%，在銫束管電子倍增器電壓達(dá)到極限值后Cs08和Cs11在10天左右的時(shí)間里很快由14.4%上升為100% Cs16則在1個(gè)月的時(shí)間里很快上升為100%從有關(guān)的幾個(gè)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(hào)增益都達(dá)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(zhǎng)期變化圖2.銫束管爐壓的長(zhǎng)期變化圖3.壓控振蕩器爐壓的長(zhǎng)期變化圖4.壓控振蕩器控制電壓的長(zhǎng)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(chǎng)電流的長(zhǎng)期變化圖6.銫束管的微波信號(hào)強(qiáng)度的長(zhǎng)期變化圖7.銫束管的微波信號(hào)強(qiáng)度的長(zhǎng)期變化圖8.銫束管的電子倍增器電壓的長(zhǎng)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(zhǎng)期變化號(hào)的變化百分比均是相對(duì)于該信號(hào)最大值 的百分比。3.2 HP5071A壽命到期期間性能指標(biāo)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(biāo)的變化情況。我們根據(jù)實(shí)際觀測(cè)到的數(shù)據(jù)，經(jīng)歸算得到TA ( NTSC )'-CLOCK , , TA(NTSC)是根據(jù)當(dāng)時(shí)正在運(yùn)行中的幾臺(tái)正常鐘等權(quán)平均得到的原

15、子時(shí)，CLOCK是Cs08或Cs16的鐘數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)選取的時(shí)間段是銫束管的電子倍增器電壓“E-Mult ”達(dá)到極限值前后各一個(gè)月左右的時(shí)間，對(duì)Cs08取自2003年8月23日至10月23 日( MJD : 52874-52935 )的數(shù)據(jù)；對(duì) 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(jī)波動(dòng)，說明鐘的速率發(fā)生了很大的變化。10和圖11是“ E-Mult ”達(dá)到極限值 從圖中看出，在“ E-

16、Mult ”達(dá)到極 當(dāng)“E-Mult ”達(dá)到極限值后，圖12和圖13分別是相鄰兩小時(shí)E-Mult ”達(dá)到直到銫束管爐壓為0時(shí)，鐘的特的TA ( NTSC) '-Cs08和TA(NTSC) -Cs16值之差變化曲線圖，可以看出當(dāng)“ 極限值后鐘的速率及速率的波動(dòng)隨著時(shí)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(shí)（銫束管電子倍增器電壓達(dá)到極限值）鐘的性能變化情況，我們對(duì) 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(dá)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(dá)到2553V）的TA（NTSC） -CLOCK i數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析處理，（TA（NTSC）為正常工作時(shí)NTSC所有鐘的等權(quán)平均；（TA（NTSC）是故障開始時(shí)現(xiàn)有的幾臺(tái) 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(dá)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(dāng)銫束管電子倍增器電壓達(dá)到極限值時(shí)鐘的穩(wěn)定度將下降一到兩個(gè)數(shù)量 級(jí)，這樣的鐘將對(duì)原子時(shí)計(jì)算產(chǎn)生很大的影響。所以，在進(jìn)行原子時(shí)計(jì)算時(shí)我們就應(yīng)當(dāng)剔除這臺(tái)鐘的數(shù)據(jù)。ns W -CsOS (2003, OE. 23-10. 23)20C0E-mul 達(dá)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(dá)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(shí)的CTA-CsOg）值之差匸E-mul達(dá)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(shí)的CTA，-Csl6）值之差-10C 52引052S305235052S7052S9052910mjD圖13.注:圖 12. TA(NTSC) / -Cs08 第( n+1)小時(shí)-TA(NTSC) " -Cs08第 n，小時(shí)圖 13. TA(NTSC) / -Cs16第什)小時(shí)-TA(NTSC) / -Cs16第 n，小時(shí)表3:銫束管電子倍增器電壓達(dá)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(dá)到極限值正常情況下E-mul t達(dá)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(duì)數(shù)據(jù)的變化情況:3.3其它觀察為了更詳細(xì)準(zhǔn)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(shí)間比對(duì)實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了鐘參數(shù)的自動(dòng)采集（每小時(shí)工控機(jī)自動(dòng)記錄一次鐘的內(nèi)部工作參數(shù)）。因此對(duì)2003年初購進(jìn)的3臺(tái)新鐘和2004年4月更換銫束管的五臺(tái)鐘的運(yùn)行狀況可方便地

21、進(jìn)行 監(jiān)視。通過對(duì)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(tái)鐘的大部分參數(shù)變化規(guī)律極為相似，有個(gè)別鐘的個(gè)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(duì)它的壽命和性能產(chǎn)生怎樣的影響？還有待 進(jìn)一步的分析。4. 結(jié)論由以上分析可見，當(dāng)一臺(tái)鐘的壽命即將結(jié)束時(shí)，首先是電子倍增器電壓達(dá)到極限值，與此同時(shí)信號(hào)增益開始變化， 這種變化一般持續(xù)一周到一個(gè)月左右的時(shí)間。銫束管爐壓下降為0是在電子倍增器電壓和信號(hào)增益均達(dá)到極限值后10天到一個(gè)月左右的時(shí)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(tái)鐘的運(yùn)行壽命一般在 6年左右，一旦電子

22、倍增器電壓達(dá)到極限值，鐘的壽命將會(huì)很快結(jié)束。長(zhǎng)期監(jiān)視、細(xì)心觀察鐘的內(nèi)部工作參數(shù)，以便隨時(shí)發(fā)現(xiàn)某臺(tái)鐘的性能變化情況，對(duì)于我們?cè)谑貢r(shí)工作中更合理地調(diào)整主鐘系統(tǒng)、決定某臺(tái)鐘是否參與國(guó)際原子時(shí)的計(jì)算是非常有益的?？傊@方面的工作將為高精度的時(shí)間測(cè)量、合理利用鐘資源和不斷提高守時(shí)質(zhì)量提供有關(guān)依據(jù)。參考文獻(xiàn)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