一种低温度敏感度的气泡型铷钟物理系统| 郝强
Efforts towards a low-temperature-sensitive physics package for vapor cell atomic clocks
Qiang Hao* , Wenxiang Xue, Feng Xu, Kemu Wang, Peter Yun, Shougang Zhang
Satellite Navigation(2020)1:17
引用文章:
Qiang Hao, Wenxiang Xue, Feng Xu, Kemu Wang, Peter Yun and Shougang Zhang (2020), Efforts towards a low-temperature-sensitive physics package for vapor cell atomic clocks, Satellite Navigation, 1(1), 17, doi: 10.1186/s43020-020-00017-9.
PDF文件下载链接：
https://satellite-navigation.springeropen.com/articles/10.1186/s43020-020-00017-9
-长按识别二维码查看/下载全文-
Editorial Summary
Vapor cell clocks are attractive candidates in various applications ranging from positioning, navigation and timing (PNT) service to telecommunication networks as the compact and low-cost frequency references. It is well-known that their long-term stabilities are greatly degraded by ambient temperature fluctuation. The authors demonstrate a high signal to noise ratio and low-temperature-sensitive physics package for vapor cell atomic clocks. In order to tackle the limitation of temperature control, for the first time, a three-stage temperature regulator combining the open and closed-loop control is implemented on the physics package. Under alaboratory environment, the measured Hadamard deviation of the temperature variation is 4 × 10−5 °C in 1 day of averaging, even comparable to the previous result obtained in vacuum environment. The techniques presented by the authors could help in improving the performance of vapor cell clocks and benefit applications where required the high precision temperature control.
本文亮点
提出一种多级温度控制方案。该方案采用闭环和开环控制结合的方法，具有控制精度高、可靠性强的优点。
设计了一种小型的磁控管微波腔，并实现了一种高信噪比的气泡型铷钟物理系统。该物理系统的散弹噪声极限为1.6×10-14τ-1/2，与瑞士纳沙泰尔大学报道的最好水平(1.7×10-14τ-1/2)相当。
内容简介
气泡型原子钟在成本、体积、可靠性等方面具有一定优势，然而也存在对环境温度较为敏感的缺点。在大气环境下，它的中长期频率稳定度通常较差，阿伦方差会在积分时间大于1000s甚至100s时出现上翘，这严重制约了高性能气泡型原子钟的地面应用。
为了减小气泡型原子钟的温度敏感性，首先，我们压缩了物理系统的体积，以减小物理系统与环境之间的热量交换。设计了一种小体积的磁控管微波腔, 体积约为TE011标准腔的四分之一；其次，为了减小缓冲气体碰撞引起的温度系数和铷气室尾管带来的附加温度系数，我们将铷气室内的混合缓冲气体比例设置为PAr/PN2=1.6，并采用了较小的尾管设计; 再次，针对大气环境，我们对物理系统进行了热学设计，使用了聚氨酯材料制作的四层隔热层。最后，采用了一种开环控制与闭环控制结合的三级温度控制方案，该方案具有控制精度高、可靠性强的优点。
通过脉冲激光抽运铷钟桌面系统，测试了上述物理系统的性能。Ramsey信号中心条纹的信号对比度约为31%，中心条纹的线宽为148Hz，与理论值1/(2T)吻合(Ramsey时间T=3.5ms)。该物理系统的散弹噪声极限为1.6×10-14τ-1/2，证明系统尺寸的减小，没有降低物理系统的信噪比；当铷气室工作在65℃附近时，缓冲气体碰撞相关的温度系数约为10-12/℃量级。同时，尾管引起的附加温度系为2×10-11/℃；在空气环境中，我们采用Keysight 3458A数字多用表(精度8.5位，温度系数3ppm/°C)，对物理系统的温度进行了连续20天的测试，腔泡系统的短期温度波动优于0.1 m℃，长期温度波动小于0.5 m ℃，与意大利国家计量院报道的真空环境下的温度控制效果相当。
I.腔泡系统特性.
如图1 (a)所示，我们设计了一种四电极的磁控管微波腔。微波磁场分量的数值模拟结果如图1(b)所示，微波腔谐振频率为6.834 GHz，磁场分量高度平行于量子化轴，谐振模式为类TE011模式。87Rb基态F=1和F=2能级Zeeman 跃迁谐振强度的实验结果如图1(c)所示，根据该结果得到的场方向因子约为0.9。此外，微波腔的有载品质因子约为120，从而保证了腔牵引频移对系统的影响较小。图1(d)为Ramsey信号测试结果，中心条纹的信号对比度为31%，线宽为148Hz，与理论值1/(2T)吻合(Ramsey时间T=3.5ms)。铷气室Ar和N2充制比例为PAr/PN2=1.6，总气压为25 Torr，图2(a)给出了温度系数的测试结果，铷气室的零温度系数温度为65℃。当铷气室工作在65℃附近时，温度系数为10-12/℃量级。我们采用的铷气室尾管较小，体积约为整体体积的1%，如图2(b)所示。尾管产生的温度系数理论值约为2×10-11/℃。
II.热学设计及温度控制.
物理系统的结构如图3所示。该物理系统包括三层磁屏蔽、三层加热炉和腔泡系统。上述各部件之间的空隙由聚氨酯制成的隔热层填充。铷气室被固定在磁控管微波腔的内壁，热接触良好。整个物理系统的体积约为1L。
控制系统采用开环与闭环控制结合的控制方案，即中间层温控驱动为恒压源，其余两层的驱动为比例、积分(PI)控制电路。热敏电阻的阻值通过电桥转换为电压，电桥的电阻参考选用的是Vishay公司零温度系数精密电阻，基准电压采用LM399，温度系数为0.5ppm/℃。图 3 物理系统切面示意
III.温度控制结果.在大气环境中，我们采用Keysight 3458A数字多用表(精度8.5位，温度系数3ppm/°C)，对物理系统的温度进行了连续20天的测试，结果如图4所示。由于昼夜温度变化和空调的温度控制，室内温度呈现周期性的变化，每天的最大变化量为~4℃。腔泡系统的短期温度波动优于0.1 m℃，长期温度波动小于0.5 m℃。同时，腔泡系统温度的漂移率仅为20 μ°C/day。
图 4 腔泡系统和环境温度监测结果，插图：腔泡系统短期温度波动
如图5所示，当积分时间为20-1000s时，腔泡系统温度的短期频率稳定度约为6×10-6℃，这表明短期温度波动主要受限于温度控制环路的闪变频率噪声。当积分时间大于1000s时，腔泡系统温度变化趋势与环境温度的变化趋势相同，表明长期的温度波动由环境变化引起。当积分时间为1天时，腔泡系统温度波动的Hadamard方差约为4×10-5℃，该结果与意大利国家计量院报道的真空环境下的温度控制效果相当。
图 5 腔泡系统及环境温度波动的Hadamard方差
作者简介
郝强 博士
中国科学院国家授时中心
▍通讯作者简介本文通讯作者毕业于中国科学院武汉物理与数学研究所并获得博士学位，2019年6月至2020年3月于法国巴黎天文台时空基准实验室(SYRTE)访学。主要从事气泡型原子钟、冷原子微波钟、光频梳及其应用等方面的研究工作。发表SCI/EI期刊论文4篇，授权中国发明专利一项。分别荣获第六届、第十届中国卫星导航年会“青年优秀论文”奖。
撰稿：本文作者
编辑：《卫星导航（英文）》编辑部
关于我们
Satellie Navigation 是中国科学院空天信息创新研究院主办的英文学术期刊，主要报道卫星导航相关的最新高水平科研成果与综述文章及评论，在 Springer Nature开放获取（open-access）出版。可免费获取全文，欢迎关注和投稿。
Website：http://satellite-navigation.springeropen.com/
E-mail：editorial_office@sana.org.cn
Tel：86-10-58887063长按二维码关注我们