eng
Выпуск #4/2008
Н.Демидов, В.Васильев.
Водородные стандарты частоты и времени. Современное состояние и тенденции развития
Водородные стандарты частоты и времени. Современное состояние и тенденции развития
Просмотры: 7734
В 2010 году исполнится полвека с момента создания в лаборатории Н.Ф.Рэмси в Гарварде (США) первого мазера на атомах водорода. Он возник в ходе работ по получению максимальной точности при проведении экспериментов с атомными пучками и до сих пор остается прибором с высокой кратковременной и долговременной стабильностью частоты выходного сигнала. В СССР первые работы по созданию водородного мазера начались в 1961 году, и с 70-х годов прошлого столетия их стали широко применять в стране. Водородные мазеры и стандарты частоты на их основе используются для решения целого круга научных и высокотехнологичных задач. Они активно применяются в радиоинтерферометрии со сверхдлинной базой и для хранения времени. А в 1990-е годы ведущие центры многих стран мира, занимающиеся хранением времени, стали включать их в состав ансамбля атомных часов. Так, в обсерватории ВМС США (The United States Naval Observatory, USNO) в ансамбле атомных часов используется более 20 водородных мазеров. Сегодня водородные мазеры нашли применение в системах глобального позиционирования (GPS, ГЛОНАСС и Gallileo). Полеты к Марсу и в ближний космос также не смогут обойтись без них. В мире уже выпущено немногим менее тысячи водородных мазеров разных модификаций. Половина из них произведена в России во ФГУП ННИПИ "Кварц".
Физические принципы работы активного водородного мазера
Водородный мазер обладает высокой кратковременной и долговременной стабильностью частоты. Определяющим является длительное время взаимодействия атомов с электромагнитным полем. В водородном мазере для увеличения времени взаимодействия используется специальная накопительная колба, покрытая инертным материалом, например фторопластом. Время нахождения атома в колбе Tb выбирается близким к 1 с. В этом случае добротность спектральной линии водорода получается очень высокой: Qа=ν0/Δν0≈2∙109.
Следует отметить, что у атома водорода структура используемых уровней максимально проста. В первом приближении квантовая система обычно рассматривается как двухуровневая, но в действительности наличие соседних уровней – причина появления дополнительных сдвигов частоты, а также ухудшения стабильности мазера. В водородном мазере используется переход F=1, mF=0 → F=0, mF=0 между подуровнями сверхтонкой структуры основного состояния атома водорода (рис.1), которая возникает в результате взаимодействия спина электрона и спина ядра. В постоянном магнитном поле в силу эффекта Зеемана происходит расщепление сверхтонкой структуры.
Молекулярный водород хранится в баллончике в связанном виде (рис.2). Очиститель удаляет в нем посторонние примеси. Принцип работы очистителя основан на способности водорода диффундировать через металлические мембраны в больших количествах, чем другие газы. В качестве материала мембраны очистителя наибольшее распространение получили палладий и никель. Пройдя через очиститель, молекулы водорода попадают в разрядную колбу, в которой поджигается высокочастотный безэлектродный разряд, приводящий к диссоциации молекул. Атомы водорода, полученные в ВЧ-разряде, формируются в пучок многоканальным коллиматором. После прохождения через магнитную сортирующую систему в пучке остаются только атомы в состояниях F=1, mF=0 и F=1, mF=+1. Для селекции атомов по состояниям используют неоднородное магнитное поле шести- или четырехполюсного магнита.
После прохождения сортирующего магнита атомы попадают в накопительную колбу объемом 2–4 л, расположенную в центре цилиндрического СВЧ-резонатора. Используется ТЕ011 мода колебаний, так как она обладает наименьшими потерями и создает достаточно однородную магнитную компоненту СВЧ-поля на оси. Добротность ненагруженного резонатора может достигать Qc≈80000. Снаружи резонатора находится соленоид, создающий вдоль оси однородное статическое магнитное поле ~10-7 Т. Многослойный магнитный экран, изготовленный из материала с высокой магнитной проницаемостью (μ0>100000), защищает область резонатора от изменений окружающего магнитного поля более чем в 105 раз.
Работа водородного мазера возможна только в условиях сверхвысокого вакуума ~10-6 Па в области накопительной колбы и ~10-4 Па в области резонатора.
Оценка стабильности частоты активного водородного мазера
Кратковременная стабильность частоты активного водородного мазера определяется известным выражением:
[...]
где Pa – мощность, рассеиваемая в генераторе, k – постоянная Больцмана, τ – время измерения. Это выражение описывает нестабильность частоты мазера при времени измерения τ>10 с. При малых значениях времени измерения 0,1<τ<10 с стабильность частоты ухудшается из-за влияния шумов электронных цепей стандарта:
[...]
где β – константа, F – коэффициент шума усилителя, Pr – эффективная мощность, принимаемая усилителем. Как следует из (1), для достижения лучшей стабильности необходимо минимизировать отношение , т.е. максимально увеличить Qa и Pa.
Основная причина, ограничивающая мощность генерации и добротность атомной линии, – спин-обменные столкновения атомов в накопительной колбе. Мощность генерации имеет сложную зависимость от интенсивности пучка I при разных значениях добротности резонатора Qc (рис.3) и других параметрах мазера. Из рис.3 следует, что условия генерации могут выполняться лишь при высокой добротности резонатора. При Qc ≈ (35–45)·103 мощность генерации мазера и добротность спектральной линии составляют Pa ≈ 4·10-13 Вт и Qa ≈ 1,5·109. В соответствии с выражением (1) при указанных параметрах стабильность мазера составляет σ1 ≈ 5×10-14·τ -1/2 для τ>10 с. При меньших значениях времени измерения определяющим являются шумы электронных устройств, и стабильность мазера за 1 с равна 1,5·10–13.
Долговременная стабильность частоты водородного мазера, согласно формуле (1), с увеличением времени измерения должна улучшаться пропорционально τ -1/2. Но это наблюдается лишь в течение какого-то времени, после чего начинают проявляться возмущающие физические факторы (табл.1). Эти факторы достаточно хорошо изучены, и улучшение долговременной стабильности частоты водородного мазера связано с проблемой их стабилизации.
Действие возмущающих эффектов, перечисленных в табл.1, проявляется в разной степени. Хотя эффект Доплера второго порядка вызывает наибольшей сдвиг частоты, он хорошо контролируется. Сдвиг из-за спин-обменных столкновений атомов пропорционален концентрации атомов в колбе na и обычно не вызывает проблем, связанных со стабилизацией частоты. Сдвиг из-за столкновения атомов со стенками накопительной колбы может изменяться во времени, что приводит к систематическому изменению частоты стандарта. У недавно изготовленных мазеров дрейф частоты, обусловленный этим механизмом, может достигать 3·10-15 в сутки. Дрейф частоты мазеров, проработавших более трех лет, может составлять менее 1·10-16 в сутки.
СВЧ-резонатор и излучающие атомы образуют пару связанных осцилляторов. Сдвиг частоты в одном из них будет затягивать частоту другого пропорционально отношению их добротностей. Если ставится задача достижения стабильности частоты мазера 3·10-16 в сутки, то стабильность частоты резонатора при типичных значениях Qa ≈ 1,6·109 и Qс ≈ 4·104 должна быть порядка 1·10-11 в сутки. В этом случае линейные размеры резонатора должны быть стабильны в пределах 3·10-3 нм, а это меньше размеров атома водорода. К тому же механизм старения материала резонатора приводит к дрейфу частоты мазера ~10-14 в сутки. Этот дрейф может быть устранен системой электронной автоматической настройки частоты резонатора (АНР).
Еще одна причина ухудшения долговременной стабильности связана с температурным коэффициентом частоты (ТКЧ) мазера. Для устранения этой проблемы резонаторы выполняют из материалов с очень малым ТКЧ, таких как плавленый кварц или ситалл. Например, у стандарта частоты Ч1-75A ФГУП ННИПИ "Кварц" с ситалловым резонатором ТКЧ ≈ 1·10-15/°С. Из кривых вариации Алана для Ч1-75A с автономной системой АНР, полученных в ФГУП ННИПИ "Кварц" и в парижской обсерватории, видно, что в первом случае имеется горизонтальный участок графика за период 2·103–2·104 с (рис.4а). Наличие такого участка – следствие температурной флуктуации помещения, тогда как у того же стандарта кривые, полученные парижской обсерваторией, в которой точность поддержания температуры выше (около ±0,3°C), подобный участок отсутствует (рис.4б)
Методы настройки СВЧ-резонатора
На сегодняшний день известны три метода автоматической настройки частоты резонатора активных водородных мазеров. Первый метод связан с модуляцией добротности линии Qa в мазере. Это можно осуществлять либо путем изменения интенсивности атомного пучка, либо созданием в резонаторе неоднородного магнитного поля. Если резонатор не настроен, то при изменении Qa1→Qa2 частота выходного сигнала мазера будет изменяться. При этом знак изменения частоты будет зависеть от частоты резонатора νc. Точность настройки зависит от параметра R=(Qa1/ Qa2)-1 и ограничена падением мощности генерации. К достоинствам этого способа можно отнести то, что мазер нечувствителен к случайным вариациям атомного пучка и, кроме того, независимость частоты настройки резонатора от электронных узлов мазера. Оба способа применены в мазере Ч1-75. При этом стабильность частоты составляет ~2·10-15 за сутки. Большая постоянная времени метода ~1 сутки не позволяет получить лучшую стабильность. Основной недостаток метода – необходимость применения второго (опорного) стандарта, относительно которого отсчитывается изменение частоты.
Второй метод АНР основан на коммутации частоты СВЧ-резонатора между двумя частотами, примерно равноудаленными от частоты спектральной линии ν0. Период коммутации выбирается так, чтобы он был больше времени затухания поля в резонаторе и меньше времени релаксации атомов. Это приводит к модуляции амплитуды сигнала мазера. Частота настройки резонатора соответствует минимуму амплитудной модуляции. Метод обеспечивает удовлетворительное отношение сигнал/шум и, что немаловажно, является автономным. Постоянная времени этого метода составляет ~1–2 ч. Этот метод реализован в водородном стандарте частоты МНМ-2010 фирмы Symmetricom, США, а также в стандартах Ч1-75A и Ч1-90 ФГУП ННИПИ "Кварц".
В основе третьего метода АНР лежит введение дополнительного сигнала в резонатор. Этот метод также автономен и считается многообещающим, так как не связан напрямую с сигналом генерации мазера. Главное достоинство метода – применение дополнительного сигнала большой амплитуды, что позволяет получать хорошее отношение сигнал/шум и малую постоянную времени управления резонатором. Но ввод сигнала в резонатор сопряжен с возмущениями спектральной линии. Необходимо следить за спектральной чистотой сигнала и за отсутствием несущей частоты. Метод применен в водородных стандартах частоты Шанхайской обсерватории. Характеристики активных водородных мазеров приведены в табл.2.
Пассивный водородный мазер
Большие размеры активного водородного мазера – одна из причин его ограниченного применения. Стремление миниатюризировать прибор привело к появлению пассивного водородного стандарта частоты (ПВСЧ). С уменьшением размеров резонатора ухудшается его добротность, и мазер не достигает порога генерации. Но при подаче внешнего сигнала мазер ведет себя как усилитель с селективными свойствами по частоте. Модуль коэффициента усиления для случая слабого сигнала можно представить как
[...]
где α – параметр возбуждения (при начале генерации α=1), Т2 – поперечное время релаксации.
Стабильность частоты определяется выражением
[...]
где А – константа для данной конструкции мазера.
Размеры резонатора можно уменьшить двумя способами. Первый предусматривает заполнение резонатора монокристаллом сапфира или Al2O3-керамикой. На предусмотренную в диэлектрике полость наносят фторопласт (рис.5а). В этом случае используемый материал определяет размеры резонатора. Второй способ заключается в размещении в резонаторе специальной структуры из аксиально-симметричных металлических пластин (рис.5б). Варьируя размеры емкостных зазоров между пластинами, можно изменять размеры резонатора. Резонатор выглядит как магнетронная структура. Такое техническое решение обеспечивает приемлемое значение добротности Qc, хороший фактор заполнения и жесткость конструкции. На рис.6 изображен резонатор магнетронного типа, разработанный во ФГУП ННИПИ "Кварц".
Стабильность пассивного мазера хуже, чем у активного, но его размеры и масса меньше. К тому же, более жесткая конструкция резонатора ПВСЧ делает его особо привлекательным для космических применений. Характеристики ПВСЧ приведены в табл.3.
Новое поколение водородных стандартов частоты и времени
В 2007 году ФГУП ННИПИ "Кварц" закончил разработку водородных стандартов частоты и времени следующего поколения. В активном водородном стандарте нового поколения Ч1-90 использованы хорошо себя зарекомендовавшие технические решения, реализованные в стандарте Ч1-75А с автономной АНР. При этом существенно переработана вся радиотехническая часть прибора. Применение цифровых микросхем, в частности ПЛИС, позволило повысить надежность прибора. Введение в структурную схему встроенного микрокомпьютера существенно улучшило диагностику состояния прибора и расширило возможности дистанционного управления. Уменьшение уровня шумов и помех обеспечило дальнейшее улучшение стабильности частоты. Рис.7, на котором представлен спектр фазовых шумов выходного сигнала на частоте 5 МГц, свидетельствует о низком уровне паразитных составляющих.
Пассивный водородный стандарт нового поколения Ч1-91 претерпел существенные изменения конструкции квантового водородного дискриминатора, что привело к уменьшению габаритов и массы прибора в целом. В электронной системе стандарта также широко использованы цифровые микросхемы, позволяющие уменьшить размеры радиотехнических блоков. Микрокомпьютер осуществляет диагностику, предупреждает о неисправностях и позволяет автоматизировать управление прибором. Улучшены метрологические характеристики стандарта.
По нестабильности частоты новое поколение активных и пассивных водородных стандартов превосходит все остальные промышленно выпускаемые стандарты частоты (рис.8). Они найдут широкое применение в эталонах времени и частоты, а также для синхронизации наземных станций слежения системы ГЛОНАСС. Увеличение срока службы стандартов и уменьшение габаритов Ч1-91 повысят его эксплуатационную привлекательность для потребителей.
Водородные стандарты частоты и времени нашли применение в научных экспериментах, промышленности, метрологии и глобальных спутниковых навигационных системах. Применение новейших технологий радиоэлектроники обеспечивает их миниатюризацию и дальнейшее повышение стабильности частоты.
Водородный мазер обладает высокой кратковременной и долговременной стабильностью частоты. Определяющим является длительное время взаимодействия атомов с электромагнитным полем. В водородном мазере для увеличения времени взаимодействия используется специальная накопительная колба, покрытая инертным материалом, например фторопластом. Время нахождения атома в колбе Tb выбирается близким к 1 с. В этом случае добротность спектральной линии водорода получается очень высокой: Qа=ν0/Δν0≈2∙109.
Следует отметить, что у атома водорода структура используемых уровней максимально проста. В первом приближении квантовая система обычно рассматривается как двухуровневая, но в действительности наличие соседних уровней – причина появления дополнительных сдвигов частоты, а также ухудшения стабильности мазера. В водородном мазере используется переход F=1, mF=0 → F=0, mF=0 между подуровнями сверхтонкой структуры основного состояния атома водорода (рис.1), которая возникает в результате взаимодействия спина электрона и спина ядра. В постоянном магнитном поле в силу эффекта Зеемана происходит расщепление сверхтонкой структуры.
Молекулярный водород хранится в баллончике в связанном виде (рис.2). Очиститель удаляет в нем посторонние примеси. Принцип работы очистителя основан на способности водорода диффундировать через металлические мембраны в больших количествах, чем другие газы. В качестве материала мембраны очистителя наибольшее распространение получили палладий и никель. Пройдя через очиститель, молекулы водорода попадают в разрядную колбу, в которой поджигается высокочастотный безэлектродный разряд, приводящий к диссоциации молекул. Атомы водорода, полученные в ВЧ-разряде, формируются в пучок многоканальным коллиматором. После прохождения через магнитную сортирующую систему в пучке остаются только атомы в состояниях F=1, mF=0 и F=1, mF=+1. Для селекции атомов по состояниям используют неоднородное магнитное поле шести- или четырехполюсного магнита.
После прохождения сортирующего магнита атомы попадают в накопительную колбу объемом 2–4 л, расположенную в центре цилиндрического СВЧ-резонатора. Используется ТЕ011 мода колебаний, так как она обладает наименьшими потерями и создает достаточно однородную магнитную компоненту СВЧ-поля на оси. Добротность ненагруженного резонатора может достигать Qc≈80000. Снаружи резонатора находится соленоид, создающий вдоль оси однородное статическое магнитное поле ~10-7 Т. Многослойный магнитный экран, изготовленный из материала с высокой магнитной проницаемостью (μ0>100000), защищает область резонатора от изменений окружающего магнитного поля более чем в 105 раз.
Работа водородного мазера возможна только в условиях сверхвысокого вакуума ~10-6 Па в области накопительной колбы и ~10-4 Па в области резонатора.
Оценка стабильности частоты активного водородного мазера
Кратковременная стабильность частоты активного водородного мазера определяется известным выражением:
[...]
где Pa – мощность, рассеиваемая в генераторе, k – постоянная Больцмана, τ – время измерения. Это выражение описывает нестабильность частоты мазера при времени измерения τ>10 с. При малых значениях времени измерения 0,1<τ<10 с стабильность частоты ухудшается из-за влияния шумов электронных цепей стандарта:
[...]
где β – константа, F – коэффициент шума усилителя, Pr – эффективная мощность, принимаемая усилителем. Как следует из (1), для достижения лучшей стабильности необходимо минимизировать отношение , т.е. максимально увеличить Qa и Pa.
Основная причина, ограничивающая мощность генерации и добротность атомной линии, – спин-обменные столкновения атомов в накопительной колбе. Мощность генерации имеет сложную зависимость от интенсивности пучка I при разных значениях добротности резонатора Qc (рис.3) и других параметрах мазера. Из рис.3 следует, что условия генерации могут выполняться лишь при высокой добротности резонатора. При Qc ≈ (35–45)·103 мощность генерации мазера и добротность спектральной линии составляют Pa ≈ 4·10-13 Вт и Qa ≈ 1,5·109. В соответствии с выражением (1) при указанных параметрах стабильность мазера составляет σ1 ≈ 5×10-14·τ -1/2 для τ>10 с. При меньших значениях времени измерения определяющим являются шумы электронных устройств, и стабильность мазера за 1 с равна 1,5·10–13.
Долговременная стабильность частоты водородного мазера, согласно формуле (1), с увеличением времени измерения должна улучшаться пропорционально τ -1/2. Но это наблюдается лишь в течение какого-то времени, после чего начинают проявляться возмущающие физические факторы (табл.1). Эти факторы достаточно хорошо изучены, и улучшение долговременной стабильности частоты водородного мазера связано с проблемой их стабилизации.
Действие возмущающих эффектов, перечисленных в табл.1, проявляется в разной степени. Хотя эффект Доплера второго порядка вызывает наибольшей сдвиг частоты, он хорошо контролируется. Сдвиг из-за спин-обменных столкновений атомов пропорционален концентрации атомов в колбе na и обычно не вызывает проблем, связанных со стабилизацией частоты. Сдвиг из-за столкновения атомов со стенками накопительной колбы может изменяться во времени, что приводит к систематическому изменению частоты стандарта. У недавно изготовленных мазеров дрейф частоты, обусловленный этим механизмом, может достигать 3·10-15 в сутки. Дрейф частоты мазеров, проработавших более трех лет, может составлять менее 1·10-16 в сутки.
СВЧ-резонатор и излучающие атомы образуют пару связанных осцилляторов. Сдвиг частоты в одном из них будет затягивать частоту другого пропорционально отношению их добротностей. Если ставится задача достижения стабильности частоты мазера 3·10-16 в сутки, то стабильность частоты резонатора при типичных значениях Qa ≈ 1,6·109 и Qс ≈ 4·104 должна быть порядка 1·10-11 в сутки. В этом случае линейные размеры резонатора должны быть стабильны в пределах 3·10-3 нм, а это меньше размеров атома водорода. К тому же механизм старения материала резонатора приводит к дрейфу частоты мазера ~10-14 в сутки. Этот дрейф может быть устранен системой электронной автоматической настройки частоты резонатора (АНР).
Еще одна причина ухудшения долговременной стабильности связана с температурным коэффициентом частоты (ТКЧ) мазера. Для устранения этой проблемы резонаторы выполняют из материалов с очень малым ТКЧ, таких как плавленый кварц или ситалл. Например, у стандарта частоты Ч1-75A ФГУП ННИПИ "Кварц" с ситалловым резонатором ТКЧ ≈ 1·10-15/°С. Из кривых вариации Алана для Ч1-75A с автономной системой АНР, полученных в ФГУП ННИПИ "Кварц" и в парижской обсерватории, видно, что в первом случае имеется горизонтальный участок графика за период 2·103–2·104 с (рис.4а). Наличие такого участка – следствие температурной флуктуации помещения, тогда как у того же стандарта кривые, полученные парижской обсерваторией, в которой точность поддержания температуры выше (около ±0,3°C), подобный участок отсутствует (рис.4б)
Методы настройки СВЧ-резонатора
На сегодняшний день известны три метода автоматической настройки частоты резонатора активных водородных мазеров. Первый метод связан с модуляцией добротности линии Qa в мазере. Это можно осуществлять либо путем изменения интенсивности атомного пучка, либо созданием в резонаторе неоднородного магнитного поля. Если резонатор не настроен, то при изменении Qa1→Qa2 частота выходного сигнала мазера будет изменяться. При этом знак изменения частоты будет зависеть от частоты резонатора νc. Точность настройки зависит от параметра R=(Qa1/ Qa2)-1 и ограничена падением мощности генерации. К достоинствам этого способа можно отнести то, что мазер нечувствителен к случайным вариациям атомного пучка и, кроме того, независимость частоты настройки резонатора от электронных узлов мазера. Оба способа применены в мазере Ч1-75. При этом стабильность частоты составляет ~2·10-15 за сутки. Большая постоянная времени метода ~1 сутки не позволяет получить лучшую стабильность. Основной недостаток метода – необходимость применения второго (опорного) стандарта, относительно которого отсчитывается изменение частоты.
Второй метод АНР основан на коммутации частоты СВЧ-резонатора между двумя частотами, примерно равноудаленными от частоты спектральной линии ν0. Период коммутации выбирается так, чтобы он был больше времени затухания поля в резонаторе и меньше времени релаксации атомов. Это приводит к модуляции амплитуды сигнала мазера. Частота настройки резонатора соответствует минимуму амплитудной модуляции. Метод обеспечивает удовлетворительное отношение сигнал/шум и, что немаловажно, является автономным. Постоянная времени этого метода составляет ~1–2 ч. Этот метод реализован в водородном стандарте частоты МНМ-2010 фирмы Symmetricom, США, а также в стандартах Ч1-75A и Ч1-90 ФГУП ННИПИ "Кварц".
В основе третьего метода АНР лежит введение дополнительного сигнала в резонатор. Этот метод также автономен и считается многообещающим, так как не связан напрямую с сигналом генерации мазера. Главное достоинство метода – применение дополнительного сигнала большой амплитуды, что позволяет получать хорошее отношение сигнал/шум и малую постоянную времени управления резонатором. Но ввод сигнала в резонатор сопряжен с возмущениями спектральной линии. Необходимо следить за спектральной чистотой сигнала и за отсутствием несущей частоты. Метод применен в водородных стандартах частоты Шанхайской обсерватории. Характеристики активных водородных мазеров приведены в табл.2.
Пассивный водородный мазер
Большие размеры активного водородного мазера – одна из причин его ограниченного применения. Стремление миниатюризировать прибор привело к появлению пассивного водородного стандарта частоты (ПВСЧ). С уменьшением размеров резонатора ухудшается его добротность, и мазер не достигает порога генерации. Но при подаче внешнего сигнала мазер ведет себя как усилитель с селективными свойствами по частоте. Модуль коэффициента усиления для случая слабого сигнала можно представить как
[...]
где α – параметр возбуждения (при начале генерации α=1), Т2 – поперечное время релаксации.
Стабильность частоты определяется выражением
[...]
где А – константа для данной конструкции мазера.
Размеры резонатора можно уменьшить двумя способами. Первый предусматривает заполнение резонатора монокристаллом сапфира или Al2O3-керамикой. На предусмотренную в диэлектрике полость наносят фторопласт (рис.5а). В этом случае используемый материал определяет размеры резонатора. Второй способ заключается в размещении в резонаторе специальной структуры из аксиально-симметричных металлических пластин (рис.5б). Варьируя размеры емкостных зазоров между пластинами, можно изменять размеры резонатора. Резонатор выглядит как магнетронная структура. Такое техническое решение обеспечивает приемлемое значение добротности Qc, хороший фактор заполнения и жесткость конструкции. На рис.6 изображен резонатор магнетронного типа, разработанный во ФГУП ННИПИ "Кварц".
Стабильность пассивного мазера хуже, чем у активного, но его размеры и масса меньше. К тому же, более жесткая конструкция резонатора ПВСЧ делает его особо привлекательным для космических применений. Характеристики ПВСЧ приведены в табл.3.
Новое поколение водородных стандартов частоты и времени
В 2007 году ФГУП ННИПИ "Кварц" закончил разработку водородных стандартов частоты и времени следующего поколения. В активном водородном стандарте нового поколения Ч1-90 использованы хорошо себя зарекомендовавшие технические решения, реализованные в стандарте Ч1-75А с автономной АНР. При этом существенно переработана вся радиотехническая часть прибора. Применение цифровых микросхем, в частности ПЛИС, позволило повысить надежность прибора. Введение в структурную схему встроенного микрокомпьютера существенно улучшило диагностику состояния прибора и расширило возможности дистанционного управления. Уменьшение уровня шумов и помех обеспечило дальнейшее улучшение стабильности частоты. Рис.7, на котором представлен спектр фазовых шумов выходного сигнала на частоте 5 МГц, свидетельствует о низком уровне паразитных составляющих.
Пассивный водородный стандарт нового поколения Ч1-91 претерпел существенные изменения конструкции квантового водородного дискриминатора, что привело к уменьшению габаритов и массы прибора в целом. В электронной системе стандарта также широко использованы цифровые микросхемы, позволяющие уменьшить размеры радиотехнических блоков. Микрокомпьютер осуществляет диагностику, предупреждает о неисправностях и позволяет автоматизировать управление прибором. Улучшены метрологические характеристики стандарта.
По нестабильности частоты новое поколение активных и пассивных водородных стандартов превосходит все остальные промышленно выпускаемые стандарты частоты (рис.8). Они найдут широкое применение в эталонах времени и частоты, а также для синхронизации наземных станций слежения системы ГЛОНАСС. Увеличение срока службы стандартов и уменьшение габаритов Ч1-91 повысят его эксплуатационную привлекательность для потребителей.
Водородные стандарты частоты и времени нашли применение в научных экспериментах, промышленности, метрологии и глобальных спутниковых навигационных системах. Применение новейших технологий радиоэлектроники обеспечивает их миниатюризацию и дальнейшее повышение стабильности частоты.
Отзывы читателей
