一般而言, 制造一台实用的气泡式非自激型铷原子频标需要经过光抽运、光检测和在气泡内充入缓冲气体等措施, 这些措施可以提高铷频标的信噪比和减小鉴频谱线的线宽, 但也正是由于这些措施使得原子基态|F=2, mF=0>和|F=1, mF=0>两能87Rb级之间的跃迁的中心频率与无干扰时的“自由”原子的跃迁中心频率相比产生较大的移动, 这严重地影响了这种原子频标的准确度和长期稳定度, 从而使得它只能成为二级频标, 二者与原子频标的温度系数指标是对应的。87Rb原子频标中有两个主要的产生频移的因素:缓冲气体碰撞频移和光频移。这两个因素对频率准确度和稳定度的影响非常严重, 尤其是前者。为了尽量保持这些频移量稳定, 减小不稳定因素的影响, 传统的做法是通过调整量子物理部分, 使得外界因素对输出频率的影响降至最小, 比如精细调节充入缓冲气体的比例等。但是本文将另辟蹊径, 从外部控温电路方面着手, 通过设计并改进外部控温电路来改善铷原子频标控温系统, 进而改善铷原子频标的温度系数指标。
1 传统的铷原子频标控温系统
传统的铷原子频标控温电路, 如图1所示。
如图1所示, Rt是热敏电阻, 常温下其初始值约在32kΩ左右, Rt具有负温度系数, 即:随着外界温度的升高, 热敏电阻的阻值下降。H是加热丝, 对物理泵体起加热作用。
该电路的控温过程:当铷频标物理泵体的温度低于设定温度时, 热敏电阻Rt阻值较大, 因此提供给运放正输入端的电压也会高于负输入端, 从而提供给后级晶体管电路的电压较高, 这样电路便会对加热丝H加热, 使得物理泵体温度升高;当物理泵体温度高于设定温度时, 具有相反的补偿效果。
根据运放的性质, 其正负输入端的电压值应保持一致。由于R1和R2的阻值相同, 热敏电阻Rt最终会稳定在和Rc相同的阻值 (10kΩ) 上, 因此我们称Rc为该控温电路的参考电阻。最终, 电路会稳定工作于Rc阻值所对应的温度上。
我们利用这套传统的控温电路, 在恒温箱中实测了一台铷原子频标的温度系数, 即输出频率随温度的变化曲线, 同时监测物理泵体上另一个相同类型的热敏电阻的阻值Rt随温度的变化, 分别如图2和图3所示。
如图2、图3所示, 随着环境温度 (恒温箱温度) 的逐渐升高, 87Rb原子频标输出频率下降, 伴随着温度的上升, 监控的热敏电阻的阻值Rt也随之下降, 即物理泵体的温度上升。
理论上分析, 监控电阻反映的是参考电阻Rc的阻值, 这个阻值应该是固定不变的, 但是这里却呈现出下降的趋势。出现这种情况, 一方面是因为固定电阻本身存在一定的温度漂移, 阻值并不是严格保持固定不变的, 此控温电路在外界温度的升高过程中, 运放负端参考电压本身总体上呈现出一种下降趋势;另一方面, 作为温度反馈系统, 被控系统的温度不能绝对地与参考温度相等, 二者之间的温度差在反馈环路的作用下, 只能尽量减小二者的差值。但是, 大范围温度变化的环境下, 这种传统的控温方式缺点明显。
为了解决这一问题, 我们引入数字电路, 考虑利用单片机C8051F020来解决温度系数较差的问题。具体方法是在环境温度发生变化时, 原电路系统中运放的参考电压也随之变化, 补偿控温系统的温度变化。
2 利用单片机C8051F020改进铷原子频标控温电路
C8051F020是一个片上系统 (SoC) 型单片机, 它具有工作温度适合 (-45℃～+85℃) 、系统功耗低 (工作电压3V, 电流1.7mA) 、具有创新性元件 (温度传感器、自带放大器增益) 等优点, 还有高速、多中断、可在线编程调试等诸多优良的性能, 特别是可在线编程调试, 通过软件就可以更改电压补偿增益, 便于进行电路调整。
C8051F020有一个片内12位的逐次逼近寄存器型 (SAR) 模/数转换模块, 一个9通道输入多路开关, 其中的8个通道用于外部测量, 而第九通道在内部被接到片内温度传感器。温度传感器将温度的变化以电压的形式反映出来, 它的传输函数如图4所示。
具体的改进策略:利用模/数转换模块中的温度传感器, 将温度传感器的输出电压值经过修正输送到控温电路的运放负输入端, 因为原控温电路运放负输入端输入电压随温度上升而呈下降趋势, 而温度传感器的输出电压同样是随温度变化的, 因此利用温度传感器的输出电压可以达到一种补偿效果, 从而保持了参考电压的不变性, 达到改进效果。
实验中, 利用一台输出频率为负频移的87Rb原子频标 (该频标适于工作在高温端) , 稳定工作范围在50℃～70℃。首先测量在原控温电路下, 87Rb原子频标物理部分在不同温度下输出的频率变化, 经测量, 从50℃到70℃, 87Rb原子频标输出相对频差相差△=-1.1535×10-9;然后利用新的控温补偿系统, 放入恒温箱中进行87Rb原子频标输出频率的监测, 通过多次测量并不断修正单片机C8051F020温度传感器输出的补偿电压, 最终可使得87Rb原子频标的相对频差相差减小到△=7.5×10-11, 如图5所示, 与原始最大频差△=-1.1535×10-9相比, 指标有超过一个数量级的提高。
由图5可知, 利用C8051F020, 可以将一台铷原子频标的温度系数由负变正, 即该参数已具有可控性。
3 结语
本文采用模拟和数字电路相结合的方式, 利用单片机C8051F020, 对小型铷原子频标的温度控制系统进行设计和改进, 通过不断修正单片机内温度传感器的输出补偿电压, 使控温系统能较好的控制小型铷原子频标的温度系数指标, 进而达到减小外界温度变化对铷原子频标输出频率影响的目的。
以实验中实际改进效果为依据, 对于工作在高温端50℃～70℃的87Rb原子频标, 其相对频差最大值由最初的△=-1.1535×10-9改善为修正后的△=7.5×10-11, 修正效果有超过一个量级的提高, 从而验证了此套控温系统具有积极的实际应用价值。
摘要：气泡式非自激型铷原子频标的输出频率受外界温度影响较大, 因此需要设计专门的外部控温系统以减小温度对量子频标的影响。传统铷原子频标的控温系统采用的是模拟电路方式, 在外界温度范围变化较大的情况下, 温度稳定性并不理想, 温度系数指标较差。本文利用单片机C8051F020, 采用模拟和数字电路相结合的方式对小型铷原子频标的控温系统进行设计与改进, 优化铷原子频标的温度系数指标。通过实验验证, 改进后的铷原子频标的温度系数可以有超过一个量级的提高, 该方法具有较强的实际应用价值。
关键词：铷原子频标,温度系数,C8051F020,温度传感器
参考文献
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