В представленной работе описываются основные достоинства рубидиевых стандартов частоты.
Ключевые слова: стандарт частоты, рубидиевая газовая ячейка, дискриминатор атомный
Определение частоты стало наиболее точным измерительным процессом. Поэтому все шире проявляется тенденция сведения измерений самых разнообразных физических величин к измерению частоты. Это в свою очередь предъявляет все более жесткие требования к точности, надежности и удобству измерения частоты и превращает этот процесс в одну из наиболее актуальных физических и технических задач. С этой проблемой тесно связаны точные измерения промежутков времени и разности фаз периодических процессов, необходимые для многих областей науки и техники. Области применения точного измерения частоты: служба времени, навигация, исследование космоса, многие другие области науки. Одним из основных элементов систем измерения частоты является опорный стандарт частоты.
- Квантовые стандарты частоты.
КСЧ представляют собой источники сигналов с эталонными частотами. В этих приборах используются физические принципы, при которых значение и неизменность во времени частоты выходных сигналов определяются стабильностью частот соответствующих энергетическим переходам атомов и молекул различных веществ и их изотопов, таких как Н2, Cs, Rb [1].
По принципам построения квантовые стандарты частоты подразделяются на приборы активного и пассивного типа. Наиболее точными КСЧ активного типа являются водородные генераторы. Примером подобного использования является эталонный стандарт частоты, находящийся в Москве.
Широкое распространение получили стандарты пассивного типа, в которых преобразованная частота кварцевого генератора сравнивается с частотой атомного перехода рабочего вещества в физическом блоке — атомном дискриминаторе (ДА). Среди ДА в настоящее время чаще всего используются цезиевые атомно-лучевые трубки (АЛТ) и дискриминаторы на рубидиевой газовой ячейке. В соответствии с этим общепринято использовать названия атомно-лучевые стандарты (цезиевые или рубидиевые) и квантовые стандарты частоты на рубидиевой газовой ячейке (КСЧ-РГЯ) с оптической накачкой или просто рубидиевые стандарты частоты.
- Дискриминатор атомный.
Атомный дискриминатор представляет из себя одну из главных частей квантового стандарта частоты на рубидиево-газовой ячейке (КСЧ-РГЯ). Работа высокостабильного квантового стандарта частоты основана на принципе подстройки менее стабильной частоты кварцевого генератора по высокостабильной частоте энергетического перехода между двумя состояниями (называемыми сверхтонкими подуровнями атомов рубидия Rb 87) [2].
Остановимся поподробнее на механизме обеспечения и регистрации переходов в атомном дискриминаторе. Схема атомного дискриминатора представлена на рисунке 1.
Рис. 1. Схема накачки и регистрации переходов
Основная задача атомного дискриминатора — обеспечение высокостабильной частоты квантовых переходов, эта частота равна 6834 687 000 Гц (в литературе 6834.7 МГц). Для выделения этой частоты используется метод оптической накачки [3].
-
Основные параметры.
- Характеристики нестабильности.
Нестабильность частоты стандартов характеризует ее случайные флуктуации во времени, обусловленные различными источниками шума, которые носят случайный характер.
Принято различать кратковременную и долговременную нестабильность частоты.
К кратковременной нестабильности, обусловленной флуктуациями с характером дробового шума (белого шума), относятся измерения до 103-104 сек.
Флуктуации, имеющие характер фликер-шума, определяют долговременные характеристики частоты. К ним относят характеристики с временем измерения 104 и более сек.
К характеристикам нестабильности относятся:
− относительное отклонение по частоте;
− случайные флуктуации;
− дрейф частоты.
Относительное отклонение по частоте.
Заявленная частота называется номинальной и обозначается fном.
Однако в реальных условия мы получаем частоту с некоторой погрешностью. Отклонение от номинальной частоты называется относительным отклонением по частоте.
Случайные флуктуации.
Случайные флуктуации обусловлены источниками шума (тепловые, дробовые), которые часто называют «кратковременной нестабильностью»; эти флуктуации становятся тем более существенными, чем короче интервалы времени, и требуют статистического исследования. Флуктуации могут быть описаны с помощью статистики, в качестве одной из характеристики нестабильности.
Дрейф частоты.
Известно, что рубидиевым стандартам частоты присущ дрейф частоты во времени, обусловленный изменением распределения рабочего вещества внутри спектральных приборов, составляющих ДА, процессами старения, связанными с поглощением этого вещества стенками этих приборов и другими взаимосвязанными процессами. Данные процессы носят долговременный характер, проявляются на длительных временах работы стандарта и с достаточной точностью аппроксимируются линейной временной зависимостью [3].
Значение линейного дрейфа в первые месяцы работы КСЧ-РГЯ (квантовый стандарт частоты на рубидиевой газовой ячейке) составляет (1…3)Е-11 о.е./мес., после года работы прибора (1…5)Е-12 о.е./мес. На рисунке 2 приведен долговременный дрейф частоты стандарта 2009 года, снятый экспериментальным путем. Отдельные выбросы и скачки частоты на графике обусловлены сбоями системы измерения, а также условиями испытания стандарта, но, как видно из рисунка, они не мешают определить основную тенденцию изменения дрейфа частоты во времени. Вместе с тем, необходимость сохранения точностных характеристик аппаратуры систем синхронизации специального назначения в периоды отсутствия сигналов спутниковых систем навигации оставляет актуальным использование в этой аппаратуре КСЧ-РГЯ с высокими эксплуатационными и метрологическими характеристиками, обеспечивающих «автономный» режим работы системы в течение длительного периода.
Рис. 2. Долговременный дрейф частоты стандарта 2009 года
После года работы дрейф частоты имеет низкое значение, которое составляет (1…5)Е-12о.е./месс и достаточно хорошо аппроксимируется линейной функций. Что позволяет строить точные прогнозы поведения частоты стандарта во времени. Темой данной бакалаврской работы будет разработка стенда для автоматической настройки атомного дискриминатора, описание методики настройки атомного дискриминатора, который является одной из важнейших частей, обеспечивающих работу стандартов частоты.
3.2. Актуальность рубидиевых стандартов частоты.
Рубидиевые стандарты нашли применение в наземных системах синхронизации и навигации, а также в спутниковой системе навигации ГЛОНАСС. В случае обеспечения непрерывного сличения и корректировки частоты стандарта их относительная погрешность по частоте в течение всего времени эксплуатации не превысит 5Е-12 о.е. Такая возможность позволила снизить требования к эксплуатационным характеристикам непосредственно физических блоков стандартов — атомных дискриминаторов и, как следствие, упростить их конструкцию, уменьшить вес и габариты.
Малые габариты, низкая стоимость при сохранении высоких метрологических характеристик обусловили быстрый рост разработок и производства таких приборов и их применения в широком спектре направлений.
Рубидиевые стандарты частоты завоевывают большую популярность благодаря небольшим размерам и неплохими характеристиками. Вместе с тем, им присущ долговременный дрейф частоты. В то же время данная проблема успешно решается с помощью корректировки частоты по сигналам ГЛОНАСС, GPS или при сличении со стандартом более высокого класса. Подобное применение называется «дисциплинированным стандартом частоты».
Заключение.
Рубидиевые стандарты частоты остаются актуальны в настоящее время и способны использоваться в различных отраслях науки и техники, соответствия высоким требованиям к точности.
Литература:
- Басевич А. Б. Применение в аппаратуре систем единого времени квантовых стандартов частоты. СПб: ОАО «РИРВ», 2014. 70 с.
- Басевич А. Б. Стандарт частоты: Руководство по эксплуатации. СПб: ОАО «РИРВ», 2005. 61 с.
- Геворкян А. Г. Квантовый стандарт частоты: Эскизный проект. СПб: ОАО «РИРВ», 1990. 47 с.
