磁選態(tài)銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研制進(jìn)展

王驥，黃良育，陳江，馬沛，劉志棟，郭磊，成大鵬，馬寅光，董鵬玲，崔敬忠，張照瑞

（1.蘭州空間技術(shù)物理研究所，蘭州 730000；2.真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000）

0 引言

銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)，又稱為銫原子頻標(biāo)或銫原子鐘，具有頻率準(zhǔn)確度高、頻率漂移率低以及長期頻率穩(wěn)定度好的優(yōu)勢(shì)，大量用于地面守時(shí)、授時(shí)和GPS、GLONASS等衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)[1-3]。銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)在國際計(jì)量局（BIPM）的所有守時(shí)頻率標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)占有近70%的比例，我國守時(shí)和時(shí)間頻率計(jì)量也大量使用高性能銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)，包括中國科學(xué)院國家授時(shí)中心、中國計(jì)量科學(xué)研究院、北京無線電計(jì)量測(cè)試研究所等單位，共有數(shù)百臺(tái)銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)在用[4-6]。隨著軍隊(duì)信息化和現(xiàn)代化建設(shè)的逐步展開，戰(zhàn)場(chǎng)時(shí)空統(tǒng)一、武器系統(tǒng)精確控制、作戰(zhàn)行動(dòng)密切協(xié)同等場(chǎng)景對(duì)于時(shí)間頻率及其同步的要求越來越高，守時(shí)用途的國產(chǎn)銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)需求量也在穩(wěn)步增加[7-8]。

1 磁選態(tài)銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)關(guān)鍵技術(shù)

磁選態(tài)銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)采用傳統(tǒng)的二極型非均勻磁場(chǎng)方法制備和檢測(cè)原子，技術(shù)成熟，其關(guān)鍵特征包括：產(chǎn)生熱原子束的銫爐及其準(zhǔn)直器、二極型選態(tài)磁場(chǎng)及其束光學(xué)、分離振蕩場(chǎng)微波腔、熱絲離化及電子倍增器放大。銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)主要由磁選態(tài)銫束管和頻標(biāo)電路兩部分構(gòu)成，下面分別對(duì)這兩部分進(jìn)行討論。

1.1 磁選態(tài)銫束管

磁選態(tài)銫束管屬于復(fù)雜的電真空器件，主要由銫爐及其準(zhǔn)直器、選態(tài)磁鐵、微波腔、檢測(cè)器和電子倍增器等組成[9]。其中，銫爐及其準(zhǔn)直器、選態(tài)磁鐵及束光學(xué)、電子倍增器決定了銫束管輸出信號(hào)的信噪比和線寬等主要指標(biāo)。

1.1.1 銫爐及其準(zhǔn)直器

銫爐提供經(jīng)過準(zhǔn)直的銫原子束流，基本實(shí)現(xiàn)方法是加熱超高純度的金屬銫，在100℃左右形成銫蒸氣流，通過微型多通道準(zhǔn)直器后形成小發(fā)散角的銫原子束。

銫原子鐘對(duì)堿金屬銫（Cs）的純度要求高，一般要達(dá)到 99.95%以上，為了降低噪聲還要把鉀和銣的含量控制在0.03%以下[10]。銫提純通常采用多級(jí)真空蒸餾的方法，一般三級(jí)蒸餾后就可以將大部分氧化物和其他金屬去除掉[11]。進(jìn)一步提純銫需要采用分子蒸餾方法，降低同族元素帶來的噪聲，使銫純度從99.5%達(dá)到99.95%[10]。

磁選態(tài)銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)分為標(biāo)準(zhǔn)型和高性能型，其中銫爐工作溫度不同是一個(gè)重要特征。表1是具體銫原子鐘的爐溫配置。兩種爐溫下的飽和蒸氣壓相差約一個(gè)量級(jí)，使銫原子鐘穩(wěn)定度相差約3倍[12]，但是壽命明顯縮短[13]。

表1 標(biāo)準(zhǔn)型和高性能型銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)銫爐溫度對(duì)比

微型多通道準(zhǔn)直器是影響銫原子鐘束流強(qiáng)度的關(guān)鍵器件。該準(zhǔn)直器采用“平片+波紋片”的多層重疊結(jié)構(gòu)，銫原子以分子流形式在其中運(yùn)動(dòng)，噴出的銫原子束截面接近于矩形，面積約為2 mm2，如圖1所示。由于要在2 mm2矩形面積上制作500個(gè)以上、等效孔徑約50 μm、孔深與直徑比超過60的微孔陣列，微型多通道準(zhǔn)直器工藝難度大。為使微型多通道準(zhǔn)直器能通過較多的平行束銫原子，相同截面條件下微孔壁厚要盡可能薄，針對(duì)該要求提出了通透率或開口比指標(biāo)，即通孔面積與矩形截面面積之比。國內(nèi)早期銫束管研制采用了蜂窩狀結(jié)構(gòu)，近年來隨著微通道板制作技術(shù)快速發(fā)展也采用過玻璃微通道板，主要問題是壁厚受工藝限制，通透率或開口比在60%左右。文獻(xiàn)[14]中提出了使用多齒滾壓成形工藝實(shí)現(xiàn)波紋片批量加工的方法，使用了厚度為0.1 mm的不銹鋼膜，因尺寸大不能直接用于銫原子鐘。作者團(tuán)隊(duì)采用了0.01 mm厚度的金屬薄膜，解決了金屬薄膜波紋片成形問題，制作出了符合要求的“平片+波紋片”準(zhǔn)直器。

圖1 銫束管用微型多通道準(zhǔn)直器結(jié)構(gòu)

1.1.2 單束磁選態(tài)束光學(xué)優(yōu)化

單束磁選態(tài)銫束管采用二線場(chǎng)選態(tài)，這也是目前小型磁選態(tài)銫原子鐘的主流方案。從準(zhǔn)直器發(fā)出的銫原子束進(jìn)入到選態(tài)磁鐵狹縫中，理想情況下全部集中在磁場(chǎng)梯度均勻區(qū)，形成有效銫原子束流，如圖2所示。

圖2 二極型選態(tài)磁鐵

二極型選態(tài)磁鐵主要由凸極頭和凹極頭組成，銫原子進(jìn)入選態(tài)磁鐵縫隙中，在非均勻磁場(chǎng)中受到的力與銫原子有效磁矩和磁場(chǎng)梯度有關(guān)，其中態(tài)和態(tài)的銫原子受到磁場(chǎng)力方向相同，受力后向磁鐵的凸極頭偏轉(zhuǎn)，態(tài)的銫原子受力后向磁鐵凹極頭偏轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)兩種基態(tài)銫原子的磁場(chǎng)分離。銫原子在選態(tài)磁鐵中的運(yùn)動(dòng)軌跡精確計(jì)算需要采用數(shù)值方法[15-17]。

磁選態(tài)銫原子鐘使用了兩個(gè)完全相同的選態(tài)磁鐵部件，如圖3所示。前者（A磁鐵）用于實(shí)現(xiàn)原子態(tài)制備，選擇態(tài)和態(tài)的銫原子用于躍遷，經(jīng)過微波腔后一部分態(tài)銫原子躍遷到態(tài)，后者（B磁鐵）實(shí)現(xiàn)檢測(cè)功能，即包含和態(tài)的銫原子束經(jīng)過 B選態(tài)磁鐵后選出態(tài)原子用于檢測(cè)。實(shí)現(xiàn)速率分布、束光學(xué)效率精確計(jì)算的銫原子運(yùn)動(dòng)三維模擬需要采用蒙特卡羅方法[18-19]。大量的模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)，磁選態(tài)束光學(xué)對(duì)銫原子的利用率很低，銫束管選速范圍很窄，可直接利用選定的銫原子速度進(jìn)行簡化計(jì)算，快速獲得束光學(xué)參數(shù)。二維平面上的單束磁選態(tài)銫原子鐘束光學(xué)設(shè)計(jì)結(jié)果如圖3所示。

圖3 單束磁選態(tài)銫原子鐘束光學(xué)軌跡設(shè)計(jì)模擬結(jié)果

銫原子束在選態(tài)磁鐵內(nèi)的偏轉(zhuǎn)是束光學(xué)模擬和工程實(shí)際需要解決的主要問題。精心設(shè)計(jì)的束光學(xué)參數(shù)以及據(jù)此制作的銫束管是高性能型磁選態(tài)銫原子鐘的保證。

1.1.3 長壽命電子倍增器技術(shù)

銫束管產(chǎn)生的鑒頻用銫離子信號(hào)強(qiáng)度僅為1 pA左右，需要放大到10 nA以上才能被電路正常處理，該功能由電子倍增器實(shí)現(xiàn)。電子倍增器中的二次電子發(fā)射材料是氧化鎂，二次電子發(fā)射系數(shù)為2.4～4，采用銀鎂合金激活產(chǎn)生的合金型發(fā)射體不耐大電流轟擊是其致命弱點(diǎn)[20]。長壽命二次電子發(fā)射需要制備膜層致密、膜厚均勻且厚度可控的氧化鎂薄膜。基于成熟的磁控濺射鍍膜方法，國內(nèi)制備出致密性高的氧化鎂膜[21]。該氧化鎂薄膜的形貌結(jié)果如圖4所示，膜厚不均勻性優(yōu)于5%。

圖4 掃描電子顯微鏡1萬倍氧化鎂形貌圖

一般認(rèn)為，二次電子發(fā)射材料的性能主要由氧化鎂薄膜決定。氧化鎂材料雖然具有很好的二次電子發(fā)射特性，但其導(dǎo)電性較差，在電子轟擊下鎂的蒸發(fā)速度與轟擊電流密度成二次方關(guān)系[20]，因此需要嚴(yán)格控制氧化鎂薄膜厚度。針對(duì)鎂離子在氧化鎂薄膜中的運(yùn)動(dòng)軌跡問題，結(jié)合打拿極材料特性，在Dekker模型的基礎(chǔ)上建立新的二次電子發(fā)射模型[22]，采用 Monte-Carlo 法模擬出了銫離子在氧化鎂中的運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖5所示。銫離子垂直入射時(shí)散射軌跡沿中心基本對(duì)稱，二次電子軌跡在距離入射點(diǎn)越近的地方越密集，隨著入射離子路程的增加，能夠與氧化鎂發(fā)生作用的離子數(shù)量減少。

圖5 銫離子在氧化鎂中運(yùn)動(dòng)軌跡的蒙特卡羅模擬圖

進(jìn)一步分析表明，銫離子入射厚度在60～70 nm時(shí)，二次電子發(fā)射系數(shù)最大，過薄或者過厚都會(huì)使二次電子發(fā)射系數(shù)值降低。薄膜太薄時(shí)，入射電子透過薄膜入射到不銹鋼基底上導(dǎo)致二次電子發(fā)射系數(shù)降低；薄膜太厚時(shí)，二次電子發(fā)射后氧化鎂薄膜層中的電子大量損失，膜層導(dǎo)電性下降，會(huì)使得氧化鎂膜層損失電子得不到及時(shí)補(bǔ)充，從而在膜層表面積累正電荷形成電場(chǎng)而阻止二次電子的有效逸出。

利用這種經(jīng)過厚度優(yōu)化的均勻、致密的氧化鎂薄膜制作了盒柵型電子倍增器，采用光電激發(fā)產(chǎn)生入射原電子的方法進(jìn)行測(cè)試檢驗(yàn)[23]，增益衰減符合銫束管長壽命要求。圖6為該類型電子倍增器工作電壓隨時(shí)間變化情況，連續(xù)測(cè)試接近3年，工作電壓從起始的1 158 V開始緩慢上升，連續(xù)工作2年后電壓增幅平均小于0.1 V/d，電子倍增器壽命預(yù)計(jì)可以超過10年。

圖6 銫原子頻標(biāo)整機(jī)內(nèi)電子倍增器工作電壓變化曲線

1.2 頻標(biāo)電路

頻標(biāo)電路包括壓控晶振、微波頻率源、小信號(hào)放大、電源電路和數(shù)字伺服控制電路等，利用銫束管提供的鑒頻信號(hào)對(duì)壓控晶振頻率進(jìn)行控制，輸出標(biāo)準(zhǔn)頻率和時(shí)間信號(hào)。目前，銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)采用數(shù)字化技術(shù)自動(dòng)采集和實(shí)時(shí)控制各種物理參量，使銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)整機(jī)能保持長期連續(xù)穩(wěn)定工作[21]。下面主要介紹與性能相關(guān)的微波頻率源和數(shù)字伺服控制技術(shù)。

1.2.1 低噪聲微波頻率源

低噪聲微波頻率源主要由微波倍頻鎖相環(huán)路和中頻直接頻率合成模塊（DDS）構(gòu)成，原理框圖如圖7所示。該微波頻率源方案借鑒了文獻(xiàn)[24]提出的新結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高了集成度，由10 MHz直接產(chǎn)生9 192.6 MHz的銫束管所需微波信號(hào)，采用9 192.6 MHz壓控晶振（VCO）提高了微波輸出信號(hào)的可靠性，降低了調(diào)試難度，利用鎖相環(huán)改善了相位噪聲指標(biāo)。9 192.6 MHz微波源的相位噪聲經(jīng)過幅度調(diào)制后施加在銫束管上，會(huì)影響銫束管的輸出信號(hào)信噪比，改善該微波源的相噪指標(biāo)可以改善整機(jī)的穩(wěn)定度指標(biāo)。該微波模塊輸出的9 192.6 MHz微波信號(hào)相位噪聲達(dá)到-60 dBc/Hz @ 3 Hz、-65 dBc/Hz @ 10 Hz和-79 dBc/Hz@ 100 Hz水平，在30 Hz的調(diào)制頻率上相位噪聲優(yōu)于-70 dBc/Hz，如圖8所示。

圖7 銫原子頻標(biāo)微波頻率源原理框圖

圖8 銫原子頻標(biāo)微波頻率源相位噪聲

1.2.2 參數(shù)數(shù)字伺服控制

銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)采用數(shù)字化電路進(jìn)行參量采集和控制，過程完全不需要人工干預(yù)。伺服控制的變化量主要包括銫爐溫度、C場(chǎng)電流、微波功率、倍增器電壓和壓控晶振的壓控電壓5項(xiàng)[25-26]，其中晶振的壓控電壓環(huán)路最重要，也稱為鐘伺服環(huán)路。銫爐溫度采用熱敏電阻數(shù)字控溫方法，爐溫穩(wěn)定后實(shí)測(cè)溫度變化優(yōu)于±0.3℃。C場(chǎng)電流鎖定在原子躍遷頻率上，穩(wěn)定后電流變化達(dá)到±1 μA。鐘伺服環(huán)路算法采用多點(diǎn)頻率調(diào)制產(chǎn)生的誤差信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，可以扣除臨線 Rabi牽引的影響[27]。受銫束管內(nèi) Rabi牽引、Ramsey牽引和腔體牽引等因素的影響，頻率對(duì)微波幅度大小變化非常敏感，因此要對(duì)微波幅度進(jìn)行優(yōu)化控制，將微波幅度控制到躍遷幾率曲線的最大值附近，微波幅度偏差須控制在0.05 dB以內(nèi)，才能有效改善銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)的長期穩(wěn)定度[28]。倍增器電壓根據(jù)銫束管輸出信號(hào)峰值實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，保證信號(hào)峰值變化小于5%。

2 守時(shí)型銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)

守時(shí)授時(shí)系統(tǒng)主要使用高性能型銫原子鐘，高性能型銫原子鐘比標(biāo)準(zhǔn)型銫原子鐘關(guān)鍵指標(biāo)約高半個(gè)量級(jí)，具體對(duì)比見表2。

表2 高性能型銫原子鐘和標(biāo)準(zhǔn)型銫原子鐘關(guān)鍵指標(biāo)對(duì)比

在標(biāo)準(zhǔn)型銫原子鐘產(chǎn)品基礎(chǔ)上，國產(chǎn)高性能磁選態(tài)銫原子鐘主要開展了以下3方面的工作來提高性能：

① 提出了小發(fā)散角高通透準(zhǔn)直器技術(shù)，采用0.01 mm不銹鋼箔膜壓制波紋片，使通透率達(dá)到75%；采用基于粒子模擬的束光學(xué)優(yōu)化方法，對(duì)選態(tài)磁鐵和離化絲開展了部件及其位置優(yōu)化，在提高爐溫到130℃的情況下使銫束管信噪比達(dá)到4 000以上；

② 采用積分分離PID算法對(duì)C場(chǎng)電流進(jìn)行控制，保證反應(yīng)及時(shí)并且在收斂后準(zhǔn)確性較好。通過C場(chǎng)電流調(diào)節(jié)，到的躍遷峰頻率值與的躍遷峰頻率值之間的頻率差控制在±20 Hz之內(nèi)，提高了產(chǎn)品的頻率準(zhǔn)確度和復(fù)現(xiàn)性等性能指標(biāo)[29]；

③ 采用“DDS+濾波器”的電路結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了以80 MHz頻率信號(hào)作為參考信號(hào)，輸出頻率為87.3 MHz的中頻信號(hào)，供鎖相環(huán)產(chǎn)生激勵(lì)銫原子躍遷頻率的尾數(shù)頻率[30]，經(jīng)過倍頻綜合得到的9 192.6 MHz 的微波信號(hào)在100 Hz處的相位噪聲達(dá)到-79 dBc/Hz。

通過以上的技術(shù)攻關(guān)工作，經(jīng)計(jì)量檢定，多臺(tái)國產(chǎn)磁選態(tài)銫原子鐘產(chǎn)品的頻率準(zhǔn)確度、頻率穩(wěn)定度等性能指標(biāo)達(dá)到高性能型銫原子鐘水平，部分檢定結(jié)果如圖9所示。

圖9 國產(chǎn)磁選態(tài)銫原子鐘部分產(chǎn)品第三方檢定結(jié)果

3 輕量化銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)

小型輕量化也是銫原子鐘的發(fā)展方向之一，美國推出了采用“Cs-III”技術(shù)的第三代銫原子鐘產(chǎn)品Cs4000、Cs4310、TimeCesium 4400等，目標(biāo)是在保證更高的穩(wěn)定度、較低的相位噪聲和更長的使用壽命條件下，具備便攜、緊湊和經(jīng)濟(jì)性特征，滿足通信、校準(zhǔn)、計(jì)量和測(cè)試等各種應(yīng)用需求。例如，Cs4310B銫原子鐘的重量為13.5 kg，高度只有2 U[31]。小型輕量化銫原子鐘用于電信領(lǐng)域，可以滿足自主、運(yùn)行質(zhì)量和安全性需求[32-33]。

在LIP Cs-3000銫原子鐘基礎(chǔ)上，針對(duì)小型化和輕量化需求，開展了銫束管小型輕量化、頻標(biāo)電路小型化與集成化研究，研制了小型輕量化銫原子鐘樣機(jī)，通過了環(huán)境試驗(yàn)和指標(biāo)檢定，產(chǎn)品的功能和性能得到驗(yàn)證。小型輕量化銫原子鐘樣機(jī)重量20 kg，體積22 L，外觀如圖10所示。高性能型小型輕量化銫原子鐘關(guān)鍵性能指標(biāo)如表3所示。

圖10 小型輕量銫原子鐘照片

表3 小型輕量銫原子鐘關(guān)鍵指標(biāo)

4 星載銫原子鐘

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)推動(dòng)了星載原子鐘技術(shù)的快速發(fā)展，磁選態(tài)銫原子鐘具有頻率漂移率低、長期頻率穩(wěn)定度好的優(yōu)勢(shì)，大量用于導(dǎo)航系統(tǒng)衛(wèi)星[34-35]。需要解決銫原子鐘因發(fā)射、入軌過程中受到強(qiáng)烈沖擊和振動(dòng)、在軌環(huán)境溫度大范圍變化、微重力環(huán)境、真空環(huán)境等帶來的復(fù)雜空間環(huán)境適應(yīng)性問題[36-37]。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)使用的星載銫原子鐘指標(biāo)對(duì)標(biāo)了GPS Block IIF上使用的4410星載銫原子鐘，在現(xiàn)有地面磁選態(tài)銫原子鐘方案基礎(chǔ)上，開展了整機(jī)輕量化設(shè)計(jì)和部組件加固，采用數(shù)字化技術(shù)改善銫原子鐘頻率準(zhǔn)確度和頻率穩(wěn)定度指標(biāo)[38]。銫束管采用了多孔金屬材料防止金屬銫在微重力條件下溢出，束光學(xué)通過蒙特卡洛粒子模擬優(yōu)化，信噪比超過3 000。9 192.6 MHz低噪聲微波鏈路采用DDS和鎖相環(huán)技術(shù)產(chǎn)生低噪聲的微波激勵(lì)信號(hào)，設(shè)計(jì)了以DSP為核心的數(shù)字伺服系統(tǒng)對(duì)微波功率、C場(chǎng)強(qiáng)度、倍增器電壓和10 MHz OCXO晶振輸出頻率進(jìn)行伺服控制。正樣件通過了隨機(jī)振動(dòng)、熱循環(huán)和熱真空環(huán)境試驗(yàn)[39]。

星載銫原子鐘外觀如圖11所示，關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)如表4所示。在軌性能測(cè)試使用星上被動(dòng)型氫原子鐘作為參考源，通過衛(wèi)星遙測(cè)通道將銫鐘與氫鐘的相位差數(shù)據(jù)下傳，利用相位差數(shù)據(jù)計(jì)算獲得頻率準(zhǔn)確度和頻率穩(wěn)定度結(jié)果[40]。根據(jù)在軌測(cè)試的分析結(jié)果，國產(chǎn)星載銫鐘的頻率穩(wěn)定度、頻率準(zhǔn)確度、頻率漂移率三個(gè)核心指標(biāo)均達(dá)到了俄羅斯GLONASS衛(wèi)星星載銫原子鐘和美國GPS系統(tǒng)BLOCK IIF衛(wèi)星星載銫原子鐘的技術(shù)指標(biāo)。

圖11 星載銫原子鐘照片

表4 星載銫原子鐘的關(guān)鍵指標(biāo)[40]

5 結(jié)語

銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)是守時(shí)授時(shí)、頻率計(jì)量的核心設(shè)備，對(duì)建設(shè)獨(dú)立自主時(shí)間頻率系統(tǒng)具有重要意義。由于技術(shù)復(fù)雜，工藝難度大，國產(chǎn)銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)長期以來一直未能實(shí)現(xiàn)批量制造和商品化。通過對(duì)銫束管中銫爐及其準(zhǔn)直器、選態(tài)磁鐵及束光學(xué)、電子倍增器技術(shù)等的研究，解決了銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)的中短期性能指標(biāo)和壽命關(guān)鍵問題，低噪聲微波頻率源和數(shù)字伺服控制技術(shù)的突破使銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)的長期穩(wěn)定度達(dá)到國外同類產(chǎn)品水平。進(jìn)一步，針對(duì)國內(nèi)在守時(shí)、通信、導(dǎo)航等領(lǐng)域的應(yīng)用需求，分別開發(fā)了守時(shí)型銫原子頻標(biāo)、輕量化銫原子頻標(biāo)和星載銫原子鐘產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了磁選態(tài)銫原子鐘產(chǎn)品的自主可控，為我國建設(shè)獨(dú)立自主時(shí)頻體系奠定了基礎(chǔ)。