超導(dǎo)穩(wěn)頻振蕩器的研究

王暖讓， 年 豐， 高連山， 馮克明

（北京無線電計量測試研究所計量與校準(zhǔn)技術(shù)重點實驗室，北京100854）

超導(dǎo)穩(wěn)頻振蕩器的研究

王暖讓， 年 豐， 高連山， 馮克明

（北京無線電計量測試研究所計量與校準(zhǔn)技術(shù)重點實驗室，北京100854）

基于理論分析和計算機仿真，得到了超導(dǎo)穩(wěn)頻振蕩器的設(shè)計方案，主要包括高Q超導(dǎo)腔、低溫環(huán)境及鎖相環(huán)電路等組件的設(shè)計。通過實驗驗證，超導(dǎo)腔的Q值達(dá)到2×109，低溫環(huán)境溫度達(dá)到1.8 K，溫度的穩(wěn)定度優(yōu)于0.001 K。根據(jù)實驗結(jié)果優(yōu)化設(shè)計后進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，得到了初步實驗結(jié)果，超導(dǎo)穩(wěn)頻振蕩器的1 s頻率穩(wěn)定度達(dá)到10-13量級。

計量學(xué)；超導(dǎo)穩(wěn)頻振蕩器；頻率標(biāo)準(zhǔn)；微波腔；品質(zhì)因數(shù)

1 引 言

超導(dǎo)穩(wěn)頻振蕩器（SCSO）具有極高的Q值（107～1010）及非常小的溫度系數(shù)，因而其短期頻率穩(wěn)定度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了傳統(tǒng)原子鐘（氫鐘、銣鐘、銫鐘等），最高可以達(dá)到10-15～10-16／τ（1 s＜τ＜1 000 s）［1，2］，是當(dāng)前最高的中短穩(wěn)（1 s＜τ＜100 s）標(biāo)準(zhǔn)。隨著微波技術(shù)和高穩(wěn)定檢溫學(xué)的發(fā)展，目前已可以達(dá)到10-17～10-18／τ。其包含以下技術(shù)：超高Q值的微波腔以減少腔內(nèi)損耗，高穩(wěn)定控溫技術(shù)以減少溫度對頻率的牽引，高穩(wěn)定頻率控制技術(shù)以提供正反饋，振動隔離以防止外界的振動影響。

SCSO主要包括超導(dǎo)腔、低溫組件、鎖相環(huán)等。為了得到更高的頻率穩(wěn)定度，超導(dǎo)腔一般由大晶粒鈮材加工而成［3］，鈮材加工方法在文獻(xiàn)［4～6］中有詳細(xì)闡述，而超導(dǎo)腔的研究一般集中在高能物理領(lǐng)域，主要用來做線加速器，主要研究如何實現(xiàn)消除Q降、提高加速性能。因此，有關(guān)用于頻率標(biāo)準(zhǔn)超導(dǎo)腔設(shè)計的文獻(xiàn)較少，一般集中在美國斯坦福大學(xué)、日本無線電研究所和美國加州理工大學(xué)。這些研究機構(gòu)從20世紀(jì)60年代就開始了對超導(dǎo)腔的研究，并取得很大進(jìn)展。美國斯坦福大學(xué)Buchman等人利用頻率8.6 GHz的鈮腔，電子束焊接而成，并經(jīng)高溫高真空退火、化學(xué)處理，工作模式為TM010，工作溫度為1.2 K的環(huán)境下進(jìn)行測試，得到的短期頻率穩(wěn)定度最高可達(dá)10-16／τ（30 s＜τ＜1 000 s）［7］。

低溫組件是為超導(dǎo)腔提供高穩(wěn)定度的低溫環(huán)境，工作溫度一般在2 K以下，而液氦溫度為4.2 K，需要通過減壓降溫實現(xiàn)溫度下降，得到2 K的工作溫度，傳統(tǒng)低溫系統(tǒng)使用浸泡式，即把超導(dǎo)腔裝置直接放置在液氦中，但此種方式容易受液氦蒸發(fā)的干擾，以致超導(dǎo)腔的溫度和壓力會有所變化。近年來，隨著制冷技術(shù)發(fā)展，杜瓦發(fā)展也越來越快，目前國外最新制冷設(shè)備如下：液氦灌注在杜瓦外層，內(nèi)層采用3級冷臺，利用電路實現(xiàn)控溫。這種方式的優(yōu)點是內(nèi)部低溫環(huán)境的溫度及壓力穩(wěn)定性較好，據(jù)報道溫度穩(wěn)定度可以達(dá)到 nK量級［8］，但是相比而言價格比較昂貴。由于溫度的穩(wěn)定度達(dá)到nK，所以一般的測、控溫手段無法使用，因而利用超導(dǎo)量子干涉器（SQUID）來達(dá)到測、控溫的目的。

為了測量和穩(wěn)定超導(dǎo)腔的頻率，必須采用鎖相環(huán)技術(shù)（PLL）。利用低噪聲頻綜與超導(dǎo)腔腔頻進(jìn)行比較，得到的反饋誤差電壓來調(diào)整低噪聲頻綜，腔頻就可以穩(wěn)定到更高的量級，也必須采用一個高穩(wěn)定性的參考源。

國內(nèi)也曾開展過SCSO的研究工作，但沒有得到滿意結(jié)果，主要原因是超導(dǎo)腔的Q值不高，國外超導(dǎo)腔的Q值一般在109以上，國內(nèi)超導(dǎo)腔的Q值一般低于108，很難達(dá)到109。西南交通大學(xué)超導(dǎo)研究中心曾在低溫鈮超導(dǎo)微波諧振腔系統(tǒng)和低溫鈮超導(dǎo)微波表面電阻方面展開過研究工作，測試結(jié)果不甚理想。航天科工集團二院二○三所“十一五”開始從事SCSO的研究，目前已取得較大進(jìn)展，得到了Q值為109的超導(dǎo)腔，目前正進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)等方面的工作。此外，國內(nèi)很多機構(gòu)如中科院高能所及北京大學(xué)等單位，利用超導(dǎo)腔進(jìn)行粒子加速器的研究，此類超導(dǎo)腔頻率較低，一般在1 GHz以下［9～11］。目前，為了滿足國內(nèi)時間頻率計量的需求，需要建立更為穩(wěn)定的短穩(wěn)標(biāo)準(zhǔn)，而超導(dǎo)穩(wěn)頻振蕩器無疑是目前最佳選擇。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 超導(dǎo)腔設(shè)計

超導(dǎo)腔的示意圖如圖1所示。其設(shè)計需要考慮的因素包括：頻率、Q值、工作模式、工作溫度。其中Q值尤為重要，其直接影響超導(dǎo)腔穩(wěn)頻器的短期穩(wěn)定度，通過理論計算得到影響Q值的主要因素，提高Q值的方法就是降低工作溫度、處理超導(dǎo)腔內(nèi)表面；根據(jù)材料的超導(dǎo)電性及其機械強度特性，選擇純鈮作為超導(dǎo)腔體的制作材料，RRR越大鈮材的導(dǎo)熱性越好，這樣可以避免超導(dǎo)腔過早地由于熱量堆積而失超，但是RRR值越大機械性能會變差，容易變形，所以RRR值一般選擇300；而頻率選擇決定了微波腔尺寸，進(jìn)而影響所選用杜瓦尺寸；低溫超導(dǎo)下模式選擇一般是TM010模式，由于此模式為基模，比較穩(wěn)定；工作溫度一般選擇低于液氦溫度（4.2 K）；由于所用模式為TM010模式，耦合方式采用探針耦合。

經(jīng)仿真計算，得到超導(dǎo)腔參數(shù)如下：頻率為4.4 GHz，l＝26.4 mm，D＝50 mm，r1＝18 mm，l1＝50 mm，r2＝10 mm，l2＝50 mm，輸入天線的插入深度為31.5 mm時，Qin為109，此時βin＝1；輸出天線的插入深度為13 mm時，Qt為1×1011，此時βt＝0.01。

2.2 低溫環(huán)境設(shè)計

由于液氦溫度為4.2 K，而根據(jù)計算只有在溫度達(dá)到2 K時超導(dǎo)腔的Q值才能達(dá)到109，這就需要對實驗杜瓦進(jìn)行減壓降溫。原理圖如圖2所示，利用兩個8 L干泵并聯(lián)、針閥與真空閥并聯(lián)對杜瓦進(jìn)行抽氣減壓。由于減壓降溫過程中大量的低溫氦氣被抽出，為了防止機械泵被凍壞，通過計算及調(diào)研選擇波紋管主管道為6 m。通過控制機械泵及兩個閥門，保證杜瓦內(nèi)氣壓線形平穩(wěn)下降，這樣可以減少液氦的浪費及提高減壓效率。

減壓降溫系統(tǒng)最大難點就是抽氣量及溫度控制，抽速過快會導(dǎo)致液氦大量氣化。擬采用大口徑真空閥與針閥門并聯(lián)來實現(xiàn)流量的精確控制。

為了降低減壓降溫系統(tǒng)對超導(dǎo)腔的影響，需要設(shè)計一個真空空間。此空間需要放得下3個超導(dǎo)腔。這種方式下減壓降溫系統(tǒng)引起的溫度壓力變化對超導(dǎo)腔幾乎沒有什么影響，但是存在缺點就是達(dá)到溫度平衡所需時間較長。

2.3 鎖相環(huán)電路設(shè)計

電路主要完成出入腔信號的頻差檢測，并使用經(jīng)超導(dǎo)腔檢測出的誤差信號來控制晶振，形成反饋控制環(huán)路，電路設(shè)計方案如圖3所示。

圖2 減壓降溫系統(tǒng)示意圖

圖3 超導(dǎo)穩(wěn)頻振蕩器頻率標(biāo)準(zhǔn)電路部分框圖

具體電路工作原理如下：電路部分整體為一個鎖頻環(huán)路，將10 MHz晶振產(chǎn)生的頻率鎖在超導(dǎo)腔的諧振頻率上。其中又包含一個鎖相環(huán)路，將DRO鎖在10 MHz晶振上，以獲得激勵超導(dǎo)腔所需要的4.42 GHz微波信號。

10 MHz晶體振蕩器輸出的基準(zhǔn)信號通過一高隔離度放大器分配出3路，其中一路輸出信號經(jīng)過80 000次分頻，用以生成125 Hz的調(diào)制信號。另一路經(jīng)過440次的倍頻，產(chǎn)生4.4 GHz的微波信號用以與DRO（介質(zhì)振蕩器）鑒相，壓控DRO，使DRO鎖在10 MHz晶振上。第3路10 MHz信號為DDS提供時鐘信號。

使用DDS生成20 MHz帶有125 Hz的方波調(diào)頻信號，并將其與DRO生成信號進(jìn)行混頻，以產(chǎn)生4.42 GHz的微波調(diào)頻信號，此信號經(jīng)過衰減器后，通過耦合環(huán)饋進(jìn)超導(dǎo)腔。

該微波信號經(jīng)過超導(dǎo)腔鑒頻后，調(diào)頻波轉(zhuǎn)變?yōu)檎{(diào)幅波，經(jīng)過微波諧振腔的另一個耦合環(huán)，此調(diào)幅波被送入前置LNA。隨后，放大后的微波信號經(jīng)檢波器檢出的125 Hz信號幅度包絡(luò)。此幅度包絡(luò)信號與10 MHz晶振分頻產(chǎn)生的125 Hz調(diào)頻信號進(jìn)行同步檢波，并將同步檢波后的誤差信號經(jīng)濾波和積分后，生成直流信號用以控制10 MHz，實現(xiàn)環(huán)路鎖定。

2.4 系統(tǒng)分析

影響頻率穩(wěn)定度最重要的環(huán)境因素包括：溫度穩(wěn)定度、壓力穩(wěn)定度、地磁場。其中影響溫度的因素主要包括：超導(dǎo)腔的表面電阻及熱膨脹。解決該問題擬采用辦法包括：增加超導(dǎo)腔壁厚減小溫度影響，超導(dǎo)腔放置在真空容器中以隔離減壓降溫對溫度的影響，采用溫控系統(tǒng)。杜瓦內(nèi)的壓力影響超導(dǎo)腔的頻率，擬采用辦法是保持超導(dǎo)腔工作在一個高真空環(huán)境里。解決地磁場對頻率影響的辦法是利用高屏蔽因子的磁屏蔽，保證工作環(huán)境的穩(wěn)定性。

影響頻率穩(wěn)定度的因素較多，熱噪聲引起的頻率起伏如式（1）所示：

式中，τ為測量時間，Q為諧振腔的品質(zhì)因數(shù)，P為功率，kTN為熱噪聲能量。

功率變化引起電磁場的變化而導(dǎo)致的頻率起伏如式（2）所示：

式中，h為普朗克常數(shù)。

根據(jù)式（1）和式（2），經(jīng)理論計算可以得到最小頻率起伏為：

式中，An＝kTN／（fh），對于SCSO，的值約為-10-6J-1。根據(jù)上述公式進(jìn)行估算，SCSO最小頻率起伏10-16，因此其秒穩(wěn)理論上可以達(dá)到10-15量級。

3 實驗研究

超導(dǎo)腔組裝完畢后抽真空，同時進(jìn)行低溫烘烤，當(dāng)真空度達(dá)到10-6Pa量級時，抽真空結(jié)束即可進(jìn)行實驗系統(tǒng)組裝并進(jìn)行液氦灌注，根據(jù)差壓計的指示進(jìn)行灌注，灌滿所用時間為4 h。此時杜瓦內(nèi)溫度為4.2 K，利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測試，得到的參數(shù)為：f＝4.42 GHz，Q＝2.9×107。測試完畢即進(jìn)行減壓降溫，首先開一個干泵，利用針閥調(diào)節(jié)抽氣速度，根據(jù)壓力表的讀數(shù)，使杜瓦內(nèi)壓力平穩(wěn)下降。隨著壓力下降，溫度逐漸下降，但是速度越來越慢，打開另外一個干泵使兩個干泵并聯(lián)抽氣，控制針閥及真空閥，使杜瓦內(nèi)最后溫度平穩(wěn)在1.8 K，然后進(jìn)行測試，得到參數(shù)如下：f＝4.42 GHz，Q＝2×109。

隨后進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，系統(tǒng)框圖如圖4所示。低相噪頻綜輸出一個與超導(dǎo)腔頻率相近的調(diào)制微波信號，調(diào)制頻率為125 kHz，調(diào)制頻偏為10 Hz，輸入到超導(dǎo)腔，經(jīng)過耦合輸出信號，進(jìn)入檢波器進(jìn)行包絡(luò)檢波，得到的信號進(jìn)入鎖相放大器，同時低相噪頻綜輸出一個與調(diào)制信號同相位的信號作為鎖相放大器的參考，通過調(diào)節(jié)相位、放大倍數(shù)等參數(shù)，輸出一個誤差電壓壓控低相噪頻綜的晶振，實現(xiàn)環(huán)路鎖定。

圖4 超導(dǎo)穩(wěn)頻振蕩器系統(tǒng)框圖

環(huán)路鎖定后進(jìn)行指標(biāo)測試，輸出的10 MHz信號與參考的10 MHz信號同時輸入到頻率穩(wěn)定度測試儀，得出測試結(jié)果，1 s頻率穩(wěn)定度最高可達(dá)到5×10-13。

4 結(jié) 論

SCSO具有廣泛應(yīng)用前景，我們從“十一五”開始從事這方面工作，目前正在進(jìn)行整個系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)，已取得較大進(jìn)展。但是，目前存在問題還比較多，需要進(jìn)行優(yōu)化。下一步工作重點主要有兩個方面：一是降低超導(dǎo)腔的頻率溫度系數(shù)，初步擬通過消除超導(dǎo)腔應(yīng)力、提高溫度穩(wěn)定度等進(jìn)行優(yōu)化；二是環(huán)路優(yōu)化設(shè)計，通過降低電路噪聲、參數(shù)優(yōu)化等手段來進(jìn)行。預(yù)期通過系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計，可使SCSO的秒穩(wěn)進(jìn)入10-14量級。

］

［1］ Blom field D L H，Pointon A J.Short-term frequency stability of an L band oscillator with a superconducting cavity［J］.Electronics Letters，1973，9（19）：461-462.

［2］ Ciovati G，Kneisel P.Preliminary results on the simultaneous excitation of the TM010 and TE011 modes in a single cell Niobium cavity［C］／／IEEE Proceedings of 2005 Particle Accelerator Conference，Knoxville，Tennessee，2005，3844-3846.

［3］ Dick C J，Strayer D M.Development of the superconducting cavitymaser as a stable frequency source［C］／／Proc 38th Annual Symposium on Frequency Control，Philadelphia，Pennsylvania，1984，435-446.

［4］ Turneaure J P，Viet N T.Superconducting Nb TMOlOmode electron-beamw elded cavities［J］.Applied Physics Letters，1970，16（9）：333-335.

［5］ Diepers H，Martens.Superconducting niobium TEOllmode cavitieswith high criticalmagnetic field and high Q value［J］.Phys Lett，1972，38（5）：337-338.

［6］ Furuya T，Hosoyama K，Kato T，et al.C-band superconducting cavity research at KEK［C］／／Proc 1979 Linear Accelerator Conference，Montauk，1979，194-196.

［7］ Buchman S，Turneaure J P，Lipa J A，et al.A superconductingmicrowave oscillator clock for use on the Space Station［C］／／1998 IEEE International Frequency Control Symposium，Pasadena，CA，1998，534-539.

［8］ Yeh N C，Strayer D M，Anderson V L，et al.Superconducting-cavity-stabilized oscillator for precise frequencymeasurements［J］.Physica B，2000，（280）：557-558.

［9］ 郝建奎，焦飛，黃森林，等.提高射頻超導(dǎo)加速腔性能的表面干式處理研究［J］.物理學(xué)報，2005，54（7）：3375-3379.

［10］ 葛明騏，趙生初，孫虹，等.1.3 GHz單cell高梯度低損耗超導(dǎo)腔設(shè)計研究［J］.高能物理與核物理，2006，30（4）：354-358.

［11］ 溫華明，嚴(yán)陸光，林良真.超導(dǎo)在加速器中的應(yīng)用概況［J］.低溫與超導(dǎo)，2005，33（1）：46-49.

Study on a Superconducting Cavity Stabilized Oscillator

WANG Nuan-rang， NIAN Feng， GAO Lian-shan， FENG Ke-ming
（Beijing Institute of Radio Metrology＆Measurement National Key Laboratory of Metrology and Calibration Technology，Beijing 100854，China）

The design of a superconducting cavity stabilized oscillator（SCSO）is achieved based on theory analysis and computer simulation.It includes the design of superconducting cavity with high quality factor，cryogenic environment，PLL and so on.The quality factor of cavity reaches 2×109and the temperature is 1.8K and the temperature stability is better than 0.001K in experiment.The experiment result is achieved through system debug and optimization that the stability of1s reaches 10-13.

Metrology；Superconducting cavity stabilized oscillator；Frequency standard；Microwave cavity；Quality factor

TB939

：A

：1000-1158（2015）03-0324-04

10.3969／j.issn.1000-1158.2015.03.21

2013-07-02；

：2013-12-23

國防軍工計量科研項目（J042011C001）

王暖讓（1980-），男，山東青島人，北京無線電計量測試研究所高級工程師，博士，主要從事原子頻標(biāo)的研究。lorious＠163.com