КВАНТОВЫЙ СТАНДАРТ ЧАСТОТЫ И ВРЕМЕНИ

Полезная модель относится к области метрологии времени и частоты электрических колебаний и может быть использована при создании источников электрических колебаний с высокой стабильностью и точностью частоты и высокоточных часов на их основе - квантовых стандартов частоты и времени.
Известные квантовые стандарты частоты и времени содержат квантовый стандарт частоты, выход которого соединен со входом устройства формирования временных сигналов [1].
Недостатком известных устройств является большая погрешность по частоте и большая погрешность хранения формируемой шкалы времени, обусловленные наличием систематического дрейфа частоты квантовых стандартов частоты, связанного со старением их элементов, причем скорость процесса старения, как правило, изменяется со временем.
Этот недостаток уменьшен в квантовом стандарте частоты и времени, описанном в [2], который можно принять за прототип предлагаемого технического решения.
Данный квантовый стандарт частоты и времени содержит квантовый стандарт частоты, выход которого соединен со входом устройства формирования временных сигналов (шкалы времени), а также устройство компенсации дрейфа частоты, выход которого соединен с управляющим входом квантового стандарта частоты, а первый и второй входы соединены соответственно с первым и вторым выходами устройства формирования временных сигналов (шкалы времени).
Устройство компенсации дрейфа частоты содержит кодирующее устройство, первый, второй и третий выходы которого соединены соответственно с первыми входами RS-триггера, первого реверсивного счетчика и второго реверсивного счетчика, выход которого соединен со вторым входом первого реверсивного счетчика, первым входом вентиля и
вторым входом RS-триггера, выход которого соединен с первым входом третьего реверсивного счетчика, второй вход которого соединен с выходом вентиля и третьим входом первого реверсивного счетчика, выход которого соединен со вторым входом третьего реверсивного счетчика, причем выход третьего реверсивного счетчика, третий вход второго реверсивного счетчика и второй вход вентиля являются соответственно выходом, первым и вторым входами устройства компенсации дрейфа частоты.
Благодаря наличию устройства компенсации дрейфа частоты, систематический дрейф частоты, погрешность по частоте и погрешность хранения шкалы времени квантового стандарта частоты и времени можно уменьшить в (2-3) раза, что не всегда является достаточным для потребителей.
Задачей, которую решает предлагаемая полезная модель, является дальнейшее уменьшение систематического дрейфа частоты, погрешности по частоте и погрешности хранения шкалы времени квантового стандарта частоты и времени.
Это достигается тем, что в известном квантовом стандарте частоты и времени, содержащем квантовый стандарт частоты, устройство формирования временных сигналов и устройство компенсации дрейфа частоты, причем выход квантового стандарта частоты соединен со входом устройства формирования временных сигналов, а выход устройства компенсации дрейфа частоты соединен с управляющим входом квантового стандарта частоты, устройство компенсации дрейфа частоты выполнено в виде мини- (или микро-) ЭВМ, выполняющей функцию периодической коррекции частоты квантового стандарта частоты в соответствии с прогнозируемым, как правило, постоянным или уменьшающимся со временем дрейфом частоты квантового стандарта частоты, осуществляя таким образом частичную компенсацию этого дрейфа.
На фиг.1 изображена структурная схема предлагаемого квантового стандарта частоты и времени, где обозначено:
1 - квантовый стандарт частоты; 2 - устройство формирования временных сигналов (шкалы времени); 3 - устройство компенсации дрейфа частоты (мини или микро ЭВМ).
Предлагаемый квантовый стандарт частоты и времени содержит квантовый стандарт частоты 1, устройство формирования временных сигналов (шкалы времени) 2 и устройство компенсации дрейфа частоты 3, выполненное в виде мини или микро ЭВМ, причем выход квантового стандарта частоты 1 соединен со входом устройства формирования временных сигналов (шкалы времени) 2, а выход устройства компенсации дрейфа частоты 3, выполненного в виде мини или микро ЭВМ, соединен с управляющим входом квантового стандарта частоты 1.
Устройство различных типов квантовых стандартов частоты 1 широко известно и описано, например, в книге [1]. По принципу действия они разделяются на 2 типа - активные и пассивные, а по используемому в них для работы веществу - на цезиевые, водородные, рубидиевые и некоторые другие, которые находятся в стадии исследований.
Структурная схема одной из последних моделей квантового активного водородного стандарта частоты, обладающего наивысшей стабильностью частоты, описанная в работе [3], приведена на фиг.2.
На фиг.2 обозначено:
4 - квантовый генератор; 5 - преобразователь частоты; 6 - фазовый детектор; 7 - синтезатор частоты; 8 - фильтр нижних частот; 9 - кварцевый генератор; 10 - модулятор; 11 - амплитудный детектор; 12 - селективный усилитель; 13 - цифровой синхронный детектор; 14 - цифровой фильтр нижних частот; 15 - суммирующий реверсивный счетчик; 16 - цифроаналоговый преобразователь.
Устройство формирования временных сигналов (шкалы времени) 2 состоит из делителя частоты поступающего на его вход сигнала квантового стандарта частоты 1, который делит ее до частоты 1 Гц, формируя секундные импульсы, и счетчика этих секундных импульсов.
В качестве мини-ЭВМ 3 может быть использован, например, персональный мини-компьютер РСА6773 фирмы Advantech, Тайвань.
Предлагаемый квантовый стандарт частоты и времени работает следующим образом.
Квантовый стандарт частоты 1 генерирует синусоидальный сигнал стандартной частоты (обычно 5, 10 или 100 МГц). Устройство формирования временных сигналов (шкалы времени) 2 формирует из него путем деления до частоты 1 Гц секундные импульсы (шкалу времени).
Однако в квантовом стандарте частоты 1 из-за изменения свойств его элементов происходит медленный систематический дрейф частоты. Для того, чтобы скомпенсировать этот дрейф, устройство компенсации дрейфа частоты 3, выполненное в виде мини- (микро-) ЭВМ, периодически корректирует частоту квантового стандарта частоты 1 в соответствии с заданной программой. В программу закладывают величину и период коррекции. Выбор величины и периода коррекции частоты осуществляют, исходя из измерения систематического дрейфа частоты квантового стандарта частоты 1, выполняемого перед выпуском квантового стандарта частоты и времени с завода-изготовителя, и его прогнозирования на последующий интервал времени. Период коррекции обычно выбирают равным одним или нескольким суткам. Если прогнозируется постоянная величина дрейфа частоты (это обычно бывает, когда прогноз составляется на небольшой интервал времени - 1-3 месяца), то величину коррекции выбирают постоянной, равной или меньшей измеренной величине систематического дрейфа частоты. Но, поскольку дрейф частоты, как правило, имеет тенденцию к уменьшению со временем, то при прогнозе на длительные интервалы времени -(6-12) месяцев в программу мини- (микро-) ЭВМ 3 закладывают уменьшение величины коррекции через определенные интервалы времени в соответствии с прогнозируемым изменением величины и скорости дрейфа частоты. Например, если в начале эксплуатации квантового стандарта частоты и времени величина ежесуточной коррекции была
0
0
0
0
0
равна начальной измеренной величине дрейфа частоты ν, то через 3 месяца она устанавливается равной 0,8 ν, через полгода - 0,6 ν, через 9 месяцев - 0,4 ν, через 1 год - 0,2 ν. Данные о скорости изменения дрейфа частоты берут либо из литературы (см., например, [4]), либо из результатов предварительных исследований. Через определенный межповерочный интервал квантовый стандарт частоты и времени подвергают поверке, при которой вновь измеряют систематический дрейф частоты. На основании полученных результатов составляют новый прогноз изменения дрейфа частоты и вводят новую программу коррекции частоты на следующий межповерочный интервал времени.
Таким образом удается уменьшить величину систематического дрейфа частоты и зависящую от него погрешность по частоте и погрешность хранения шкалы времени квантового стандарта частоты и времени в (4-5) раз. Одновременно расширяются функциональные возможности квантового стандарта частоты и времени по сравнению с прототипом, так как возможна компенсация как постоянного, так и изменяющегося со временем дрейфа частоты.
Данную полезную модель предполагается использовать в разрабатываемых в настоящее время водородных квантовых стандартах частоты и времени нового поколения.
Библиографические данные
1. Пихтелев А.И., Ульянов А.А, Фатеев Б.П. и др. Стандарты частоты и времени на основе квантовых генераторов и дискриминаторов. Москва, «Советское радио», 1978.
2. Воронцов В.Г., Горев B.C., Логачев В.А., Чернов Г.М. Квантовый стандарт частоты и времени. Свидетельство на полезную модель №8167, опубл. 16.10.1998, бюл. №10.
3. Демидов Н.А., Логачев В.А., Воронцов В.Г., Козлов С.А. Водородные стандарты частоты и времени: современное состояние и перспективы развития. Труды Института прикладной астрономии РАН, вып. 13,2005 г., с.с.61-69.
4. D.Matsakis, P.Koppang, R.Carvey. The long-term stability of the US Naval Observatory's masers. Proc. of the 36-th Annual Precise Time and Time Interval (PTTI) Meeting, 2004, p.p.1-11.