小型磁选态铯原子钟产品化进展

陈 江 马 沛 王 骥 郭 磊 马寅光 崔敬忠 杨 炜 涂建辉刘志栋 成大鹏 朱宏伟 郑 宁 黄良育 杨 军 高 玮 董鹏玲

(兰州空间技术物理研究所，真空技术与物理重点实验室，甘肃兰州 730000)

1 引 言

1967年，第十三届国际计量大会通过了原子秒的定义，将秒定义在了133Cs原子的两个基态超精细能级的跃迁上[1]，磁选态铯原子钟(以下简称铯钟)就是实现这种跃迁的设备。

铯钟的研制难度非常大，中国从其研制到产品化经历了整整半个世纪。1966年，启动小铯钟的研制[2]；1982年，成功研制出样机，性能与HP5061A相当，但存在故障率较高、寿命较短的问题[3]，其中寿命问题是由于倍增器的增益衰减过快引起的。2006年，启动高性能铯钟的研制，目标是将性能提升至HP5071A水平，且彻底解决寿命短的问题；2015年，突破包括单束束光学优化、长寿命MgO膜层制备等在内的全部关键技术，研制出长寿命高性能铯钟[4]。2016年，正式启动高性能铯钟的产品化工作。

产品化的一项重要内容是生产线的建设。2016年，完成了铯束管封装系统等设备的改造与升级，具备了年产5台铯钟的能力；2017年，完成了铯束管装配线的建设，实现了年产10台铯钟的能力；2018年，完成了频标电路装配线及调试线的建设，实现年产20台铯钟的能力；2019年完成了集装配、调试及测试于一体的第一条铯钟生产线，年产可达到30台铯钟。

然而，对于铯钟更关注产品化过程中其他方面的内容，即产品的性能、可靠性和寿命[3,5]。作为一级频率标准，对铯钟的一个基本要求是其频率准确度和稳定度要高，另一个要求是能够长期连续运行。而长期连续运行对铯钟的可靠性和倍增器寿命同时提出了要求。

本文将对铯钟产品化过程中关注的铯钟的指标测试情况，可靠性及倍增器寿命和评估方法作简要介绍。

2 铯钟指标测试

产品的性能包括两个方面的内容：一是指标的好坏，对铯钟这些指标包括准确度、稳定度、温度系数及磁敏感度等；二是指标的一致性，如秒稳到万秒稳的指标是否在某个区间之内等。交付铯钟一致性对比曲线如图1所示，Allan方差稳定性测量数据见表1。

图1 交付铯钟的Allan方差及一致性对比曲线图Fig.1 Allan variance curves and consistency comparison of delivered cesium atomic clocks

表1 交付铯钟的Allan方差稳定性测量数据Tab.1 Allan variances stability data of delivered cesium atomic clocks铯钟编号1s10s100s103s104s105s5071A标准型≤1.2E-11≤8.5E-12≤2.7E-12≤8.5E-13≤2.7E-13≤8.5E-145071A优质型≤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

续表1铯钟编号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

为便于比较，图3和表1分别给出了标准型和高性能型(优质型)5071A铯钟的指标[6]。从图3可以看出，产品的性能指标优于5071A标准型。部分指标达到了高性能型。主要是由于产品采用了以下方案和技术。

1)物理部分采用单束光学方案，即只有一束铯原子进入微波腔完成跃迁，该方案可以利用微波腔中微波磁场的均匀区域，从而消除Ramsey牵引[7]；

2)铯钟电路采用了数字技术，对重要参数如C场电流等实时优化，特别对倍增器电压实时调节以保证输出信号电流是稳定的。

由于产品的实测指标介于5071A标准型和高性能型之间，所以指标的一致性非常好。主要由于在产品生产时采取了以下措施。

1)对零部件及部组件在选用之前进行测试，对不达标的零部件及部组件坚决淘汰；

2)严格按照真空工艺对部组件进行清洗及烘烤；

3)严格按照固化的工艺文件装配铯束管和电路；

4)电路采用模块化设计，模块连线使用标准接插件。

产品的准确度、温度系数及磁敏感度等指标的测试与一致性情况如下。

1)准确度优于5E-12，这是由于频率综合器采用了48位的DDS，频率调节的分辨率可达2.8E-7Hz；

2)温度系数优于3E-14/℃，这是由于在伺服算法中使用参数优化算法补偿温度引起的微波频率、微波功率参数漂移；

3)磁敏感度优于3E-14/Gs，主要是采用了多层磁屏蔽技术。

3 铯钟的可靠性

铯钟的可靠性始终是产品化过程中的关注点之一[5]。在电子倍增器的寿命问题未解决之前，可靠性问题并不突出；寿命问题解决之后，可靠性问题就显现出来了。

可靠性问题主要体现在铯钟电路的故障率较高，这与电路的复杂性有关。铯钟电路需要为铯束管提供分辨率达到E-7Hz水平的微波激励信号、5种精确可调的电压电流信号以及两种低噪声可调高压源、需要采集铯束管输出的nA级微弱电流信号，在此基础上用伺服算法控制压控晶振，完成环路闭锁。要满足上述要求使得铯钟电路颇为复杂，故带来可靠性问题。

可能发生的故障和相应的措施主要有：在产品化初期，交付用户的产品中有部分出现了失锁现象。经排查发现是微波系统9 192MHz压控振荡器发生了错锁，通过扩大微波链路RF压控振荡器频率范围，降低了压控灵敏度，消除了发生错锁的隐患。交付用户的产品中还出现过离化丝电源失效的情况，通过更改设计，增加输出级功率冗余，解决了问题。此外还出现过铯炉电源波动、整机入锁失败等其它故障，通过更改设计后这些问题全部解决。三年来产品化过程中出现的主要故障见表2。

表2 铯钟产品化过程中出现的故障现象和解决措施Tab.2 Failure phenomena and solutions in the process of commercialization of cesium atomic clock序号故障现象解决措施1微波模块失锁更换VCO型号,降低压控灵敏度2铯炉电源波动更改铯炉控制端,增加上拉电阻3离化丝电源失效更改离化丝电源设计,提高设计裕度4整机入锁失败修改软件,调整参数扫描阈值5输出模块同步失效修改硬件,增加输入保护电路

铯钟不仅在实验室环境得到应用，而且在其他环境，如温度范围超过10℃的环境中也得到很好的应用，希望将其推广应用至更复杂的环境下，如车载、机载或舰载，或复杂的电磁、盐雾环境下等。这些环境条件不仅可能影响产品的指标，而且有可能使产品的靠性降低，以至于出现故障。为了进一步提高可靠性，有必要开展环境适应性方面的工作。

首先，通过振动试验，发现了铯束管内部检测器和钛泵两个部组件的薄弱环节，针对薄弱环节重新设计了部组件中存在的悬臂结构，此外根据振动试验结果对整机也进行了力学加固，在上述基础上产品通过了GJB150A规定公路运输(三级公路卡车运输级随机振动)试验，试验现场情况如图2所示；其次，为了适应更宽的温度范围，进行了热学仿真及实际红外摄影识别薄弱环节，通过机箱布局调整改善了散热路径，目前整机可在0℃～50℃范围正常工作，如图3所示；此外，按照GJB 151B-2013陆军地面测试项目，开展了7项EMC试验：CE102，RE102，RS103，CS101，CS114，CS115，CS116，最终全部通过，试验现场如图4所示。最后，进行了其他试验，包括低气压、高低温存储、霉菌试验等，通过这些试验识别出机箱内部开放式布局模块存在风险，采取了喷涂三防漆、增加密封手段等措施降低了风险。通过上述环境试验改进了设计，进一步提高了铯钟的可靠性。

图2 铯钟振动试验现场Fig.2 Field diagram of vibration test of cesium atomic clock

图3 铯钟红外摄影热成像图Fig.3 Thermal imaging of cesium atomic clock by infrared photography

图4 铯钟7项EMC试验现场Fig.4 Seven EMC tests had been carried out for cesium atomic clock

在使用过程中，通过用户反馈及时解决发现的问题。三年来产品性能和质量不断提升。虽然交付产品数量逐年增长，但故障率持续下降，由开始的超过50%降至现在的10%，预计未来将低于5%。

4 电子倍增器寿命

电子倍增器将铯束管pA量级的信号电流放大至近百nA级输出，这种放大作用是由其内部打拿极表面的MgO膜层提供的。放大能力由膜层的二次发射系数描述[8]，二次发射系数越大，倍增器的放大倍数(增益)将越高。倍增器正常工作时，二次发射系数将不断下降，当下降到某一特定值时，放大电流就不足于锁定电路中的晶振，这段时间就是倍增器的寿命。长期以来，国内研制的倍增器由于二次发射系数下降过快，使得铯钟寿命很短，往往只有几个月。

由于MgO容易与空气中的水蒸气及CO2反应从而影响了膜层的二次电子发射性能[9,10]，因此应尽可能减小倍增器暴露空气的时间。然而在铯束管的装配过程中，暴露空气是不可避免的，所以最根本的解决方法是提高MgO膜的化学稳定性。Y.Morimoto等人发现致密性好的MgO膜拥有较好的化学稳定性及抗腐蚀性能[11]。由于磁控溅射镀膜方法工艺成熟，容易实现膜层的致密化，因此国内启动了采用该方法制备MgO膜层的研究，并最终成功，从而解决了倍增器寿命短的问题。

前文提出通过增加电子倍增器的电压调节功能，提高了铯钟的性能，此外它还带来另一个好处：电子倍增器的寿命可以评估了。当MgO膜层的二次发射系数下降时，倍增器的放大倍数相应下降，为了弥补下降，电路将提高倍增器的电压。这样，当铯钟工作时，随着倍增器放大倍数的不断减小，其电压将不断上升，如图5所示，从而使倍增器寿命的评估成为可能。

图5 铯钟正常工作时倍增器电压持续上升Fig.5 The voltage of the multiplier keeps rising when cesium atomic clock works

当测得倍增器每天电压增幅，可根据式(1)得到近似评估倍增器的寿命[4]

(1)

式中：T——铯钟寿命；V2——是电路可提供的最大电压；V1——倍增器的起始工作电压；ΔV——电压每天增幅。

根据式(1)，评估了2010～2015年研制铯钟的寿命，见表3。评估结果给出了国产高性能铯钟关键技术攻关时倍增器寿命的进展情况。

当倍增器每天电压增幅进入小量时，将出现一个新现象。从起始电压开始，电压不增反降，经过一段时间(一般为1个月到半年)后倍增器电压降到最低，然后才开始近似线性上升，如图6所示。这种电压下降是由于倍增器正常工作时，轰击在MgO膜层表面的电子会将表面吸附的气体杂质不断去除，从而新鲜膜层逐渐显露引起的。过去之所以

表3 2010～2015年倍增器寿命评估结果及进展情况Tab.3 Life assessment results and progress of multiplier in 2010～2015时间2010年2011年2012年2013年2014年2015年电压每天增幅/V221386.61.80.2倍增器寿命2个月3个月5个月半年2年10年

没观察到这种现象，是由于电压上升太快将此现象掩盖了。完整的寿命评估公式应当修改如下

(2)

式中：T1——电压下降阶段持续的天数；V0——电压在下降阶段的最低点；V2——最大电压；ΔV——电压每天增幅。

根据式(2)，对交付产品的倍增器寿命进行了评估，平均寿命约为8年。

图6 寿命突破后倍增器电压在铯钟正常工作时变化曲线图Fig.6 Curve of voltage changes of multiplier after its life breakthrough

需要指出的是铯钟寿命不仅取决于倍增器，还取决于如装铯量等其他因素。铯钟正常工作时，每年消耗约1g铯，为了匹配倍增器8年的寿命，新版铯钟装铯量超过了8g，这样新版铯钟的寿命估计为8年。但对于高性能型铯钟，铯的消耗量增加了，每年超过1.5g，因此对于高性能型铯钟，预计其寿命为5年。

5 结束语

本文介绍了铯原子钟产品化过程中关注的指标测试、可靠性进展及倍增器寿命评估等内容。在产品化过程中还包括如何缩短建线周期、把握市场需求、降低生产成本、将技术研发与产品开发以及平台开发分离等很多问题，有待进一步探索。