HP5071A铯原子钟的工作参数的监视与分析(精)
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1 HP5071A铯原子钟内部工作参数的监视与分析
刘春侠 王改霞 漆溢
（中国科学院陕西天文台，陕西省临潼，710600）
摘 要
基于对1997年上半年购进的6台HP5071A铯原子钟的内部工作参数的监视结果，分析了3台铯原子钟（Cs08、Cs11、Cs16）从开始运行到铯束管寿命结束期间内部工作参数的变化趋势，以及铯束管在寿命将要到期期间各种工作参数的变化情况。对铯原子钟内部工作参数的长期观察与分析有助于对铯原子钟进行更好的维护、保养和使用。
关 键 词 ： 铯原子钟 内部工作参数 钟特性
1．引言
1997年上半年国家授时中心购进了六台HP5071A铯原子钟替换了老一代的HP5061A，这六台钟的代号分别为Cs07(C1351007)、Cs08（C1351008）、Cs11（C1351011）、Cs16
（C1351016）、Cs17（C1351017）、Cs18（C1351018），它们共同承担着UTC（NTSC）的控制和TA（NTSC）的产生与保持。自从97年下半年这些钟的数据提供给国际权度局（BIPM）至今，除Cs18仍继续工作外（Cs18在99年因铯束管故障更换了新的铯束管），Cs07和Cs17因其它故障分别于2003年2月1日（MJD：52670）和2003年9月24日（MJD：52905）停机检修，历时这两台钟分别工作了5年零8个月和6年零3个月；Cs11、Cs16、Cs08分别于2003年4月14日（MJD：52743）、2003年8月11日（MJD：52862）、2003年9月23日（MJD：52905）电子倍增器电压（E-Mult）达到极限值，预示钟的寿命即将到期。为了对有关情况进行进一步的观察分析，我们对Cs11、Cs16和Cs08均延长了1~2个月的工作期后才决定关机，此时这三台钟的工作年限分别是5年零10个月、6年零2个月和6年零3个月。
在本文中，给出了Cs08、Cs11和Cs16从开始工作到寿命结束期间的实际观测结果，以及它们在初始阶段和寿命终了期间的详细数据，并对这些参数从开始工作到寿命结束期间的变化趋势以及铯束管在寿命到期期间的性能变化情况作了分析。
2．长期监视的结果
5071A给出了多种有价值内部工作状态参数列入表1[1]，我们仅对与铯束管有密切关系的几项主要参数进行了较为详细的分析。表2给出了3台铯原子钟在开始阶段和寿命到期时各参数的变化情况以供参考。
2 表1：HP5071A的内部工作参数
表2：铯原子钟内部工作参数的初始值和终了值
注：1. 初始值所取的时间段为钟开始运行后一年的数据（即：从97年6月至98年6月）。
2. 终了值取自铯束管的电子倍增器电压达到极限值前一个月到停钟前最后一点的数据。
3．对长期监视结果的分析
3.1 HP5071A内部工作参数的变化趋势
图1~图9给出了3台HP5071A从开始运行到寿命结束期间几个主要参数的整体变化趋势，从这些图中可以看出，钟的大部分参数从开始运行到结束一直工作在一个变化很小的范围内，只有少数几个参数在钟停止工作前才有了明显的变化。
图1是3台钟离子泵电流“Ion Pump”的变化情况，从中可以看出Cs11和Cs16在起始阶段非常稳定，从97年6月29日（MJD：50628）到2000年4月14日（MJD：51588）一直工作在0-0.2μA ，而Cs08开始时波动较大（0-1.4μA），工作了两年之后逐渐趋于平稳，一直到寿命结束该钟的离子泵电流一直稳定在0.2μA ；Cs11在工作了两年之后波动逐渐变大（0-2.2μA）；Cs16在两年之后到寿命结束期间变化更大，从0.2μA逐渐变到16.5μA 。
图2和图3是铯束管炉压“CBT Oven”和压控震荡器炉压“Osc. Oven”的变化曲线，从图3可见3台钟的压控震荡器炉压变化十分相似，均工作在-8.9V和-9V之间，从开始工作到寿命结束其波动只有0.1V；从图3可见3台钟的铯束管炉压尽管基数值略有差异，但 3 在正常工作期间它们的波动均非常小（约0.2V），寿命一旦结束，它们很快变为“0”，这种变化是在3台钟的电子倍增器电压达到极限值一个月之后才出现的。
图4是压控震荡器的控制电压“Osc. Ctrl”百分比。从图中可看出3台钟的这一参数值各不相同，Cs16的该值比较稳定，一直保持在-1.5% ~ +1.5%之间；而对Cs08和Cs11而言，尽管各参数的起始值并不相同，但它们的控制趋势非常相似。
图5是C场电流“C-Field”变化情况，从开始运行到寿命结束，3台钟的波动均很小，而且较稳定。Cs08工作在（12.145±0.1）mA ；Cs11工作在（12.151±0.1）mA ；Cs16工作在（12.146±0.1）mA ，即使某台钟偶尔出现较大的波动，但也不会超过0.6 mA 。
图6和图7是铯束管的微波信号强度“RF ampl”变化百分比，从图中可以看出，在正常工作期间3台钟的该参数均比较稳定，而且以一个非常缓慢的速率（几乎可以认为是不变的）变化，直到故障开始出现时才有了微小的波动。
图8是铯束管电子倍增器电压“E-Mult”的变化趋势。在起始阶段3台钟的该参数均比较高，然后逐渐下降，Cs08由1511V（MJD：50628）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）；这种过程持续了半年到一年的时间之后，3台钟的该参数分别以0.26V/天、0.05V/天、0.16V/天的速率逐渐上升。Cs08的明显上升是从2003年9月3日（MJD：52885）开始，在20天的时间内很快由正常值上升为极限值（2553V）；Cs16的明显上升是从2003年8月4日（MJD：52855），在一周的时间内很快上升为极限值；对铯束管而言，电子倍增器电压是一个很重要的参数，一旦该参数出现明显变化，钟的性能将很快变差。
在电子倍增器电压达到极限值的同时，信号增益“Signal Gain”开始出现变化（见图9），在正常情况下信号增益一直保持在14.4%，在铯束管电子倍增器电压达到极限值后Cs08和Cs11在10天左右的时间里很快由14.4%上升为100%；Cs16则在1个月的时间里很快上升为100%。从有关的几个图中还可以看出，铯炉电压下降为0是铯束管电子倍增器电压”和信号增益都达到极限值之后才出现的。
图1.离子泵电流的长期变化 图2.铯束管炉压的长期变化
图3.压控振荡器炉压的长期变化 图4. 压控振荡器控制电压的长期变化 4
图5.C场电流的长期变化 图6.铯束管的微波信号强度①的长期变化
图7.铯束管的微波信号强度②的长期变化 图8. 铯束管的电子倍增器电压的长期变化
图9. 频率控制回路增益的长期变化
3.2 HP5071A寿命到期期间性能指标的变化情况
这里以Cs08和Cs16为例，来分析钟寿命到期期间性能指标的变化情况。我们根据实际观测到的数据，经归算得到TA（NTSC）´-CLOCKì ，TA(NTSC)´是根据当时正在运行中的几台正常钟等权平均得到的原子时，CLOCKì是Cs08或Cs16的钟数据。数据选取的时间段是铯束管的电子倍增器电压“E-Mult”达到极限值前后各一个月左右的时间，对Cs08取自2003年8月23日至10月23日（MJD：52874-52935）的数据；对Cs16取自2003年7月1日至9月20日（MJD：52821-52905）的数据。图10和图11是“E-Mult”达到极限值前后TA(NTSC)´-Cs08和TA(NTSC)´-Cs16的变化曲线，从图中看出，在“E-Mult”达到极限值前，该曲线几乎是一条直线，这说明钟的速率基本稳定；当“E-Mult”达到极限值后，该曲线出现了随机波动，说明钟的速率发生了很大的变化。图12和图13分别是相邻两小时的TA（NTSC）´-Cs08和TA(NTSC)´-Cs16值之差变化曲线图，可以看出当“E-Mult”达到极限值后钟的速率及速率的波动随着时间的推移逐渐增大，直到铯束管炉压为0时，钟的特注：在图4、图6、图7、图9中各信号的变化百分比均是相对于该信号最大值的百分比。 5 性发生了质的变化，预示着铯束管的寿命即将结束。
为了比较在正常工作期间和故障刚开始时（铯束管电子倍增器电压达到极限值）钟的性能变化情况，我们对2003年6月份TA(NTSC) –CLOCKì的数据和2003年9月22日至10月22日（Cs08的铯束管电子倍增器电压达到2553V）以及2003年8月6日至9月5日（Cs16的铯束管电子倍增器电压达到2553V）的TA(NTSC)´-CLOCKì数据进行了分析处理，
（TA(NTSC)为正常工作时NTSC所有钟的等权平均；（TA(NTSC)´是故障开始时现有的几台正常钟等权平均得到的）得出了铯束管电子倍增器电压达到极限值前后稳定度的变化情况列于表3，从表3 可见当铯束管电子倍增器电压达到极限值时钟的稳定度将下降一到两个数量级，这样的钟将对原子时计算产生很大的影响。所以，在进行原子时计算时我们就应当剔除这台钟的数据。
表3：铯束管电子倍增器电压达到极限值前后稳定度变化情况
铯原子钟寿命到期期间比对数据的变化情况：
图10. TA(NTSC)ˊ-Cs08的变化曲线 图11. TA(NTSC)ˊ-Cs16的变化曲线
图12. 图13.
注： 图12.[ TA(NTSC)ˊ-Cs08]第（n+1）小时-[ TA(NTSC)ˊ-Cs08]第n小时
图13. [ TA(NTSC)ˊ-Cs16]第（n+1）小时-[ TA(NTSC)ˊ-Cs16]第n小时 6 3.3其它观察
为了更详细准确地观察HP5071A的内部参数的变化规律，从2003年下半年开始，时间比对实验室实现了钟参数的自动采集（每小时工控机自动记录一次钟的内部工作参数）。因此对2003年初购进的3台新钟和2004年4月更换铯束管的五台钟的运行状况可方便地进行监视。通过对初期内部工作状态的监视分析，我们发现这8台钟的大部分参数变化规律极为相似，有个别钟的个别参数和其它钟恰好相反，有的参数呈不规则变化。由于篇幅所限，这里不再详述。钟的内部工作参数的这种变化究竟对它的寿命和性能产生怎样的影响？还有待进一步的分析。
4．结论
由以上分析可见，当一台钟的寿命即将结束时，首先是电子倍增器电压达到极限值，与此同时信号增益开始变化，这种变化一般持续一周到一个月左右的时间。铯束管炉压下降为0是在电子倍增器电压和信号增益均达到极限值后10天到一个月左右的时间才出现的。因此，铯原子钟的内部参数是钟工作状态的监视窗口。一台钟的运行寿命一般在6年左右，一旦电子倍增器电压达到极限值，钟的寿命将会很快结束[2]。
