Стандарты частоты и времени водородные Ч1-1035

Назначение

Стандарты частоты и времени водородные 41-1035 (далее - 41-1035) предназначены для формирования и хранения высокостабильных, высокоточных по частоте спектрально чистых синусоидальных сигналов 5, 10, 100 МГц и импульсных сигналов 1 Гц для проведения время-частотных измерений.

Описание

Принцип действия 41-1035 основан на фазовой синхронизации сигнала локального кварцевого генератора по сигналу, генерируемому водородным мазером.

Основной причиной, определяющей нестабильность частоты стандарта на длительных интервалах времени (более 1 суток), является нестабильность резонансной частоты СВ4 резонатора (частота резонатора). Поэтому для обеспечения требуемой нестабильности частоты (СКДО) для интервала времени измерения 1 сутки необходима система автоматической подстройки частоты резонатора на вершину спектральной линии излучения водорода (система АНР).

Для обеспечения требований к выходным сигналам в 41-1035 реализована система регулирования, выполняющая две основные функции:

- автоматическую подстройку выходной частоты стандарта 5; 10; 100 МГц по сигналу водородного мазера;

- автоматическую настройку частоты резонатора на вершину спектральной линии излучения водорода.

Основой 41-1035 является водородный мазер, где осуществляется генерация высокостабильного сигнала с частотой 1420,405 МГц и мощностью порядка 10-13 Вт.

Водородный мазер состоит из следующих основных элементов:

- СВ4 резонатора с накопительной колбой. 4астота резонатора изменяется варикапом, на который подается управляющее напряжение, формируемое цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП) блока водородного генератора (ВГ). Управляющий код для ЦАП формируется микропроцессором того же блока на основании команд, поступающих из местного терминала;

- системы формирования пучка возбужденных атомов водорода, осуществляющих излучение сигнала в СВ4 резонаторе.

Кроме собственно мазера в состав блока ВГ входит собственный микропроцессор, цепи управления и питания.

Пучок атомов водорода формируется следующим образом. В качестве источника водорода используется интерметаллическое соединение (LaNi5H)x, при нагревании которого выделяется молекулярный водород, поступающий в очиститель. Очиститель водорода представляет собой тонкостенную никелевую трубку, свернутую в спираль.

Регулирование проницаемости трубки осуществляется путем ее нагрева электрическим током до 1 А (ток очистителя) при напряжении до 1 В.

После очистителя молекулярный водород подвергается диссоциации в разрядной колбе. Электрический разряд в колбе возбуждается высокочастотным генератором (ГВЧ), обеспечивающим электромагнитное поле с частотой от 100 до 120 МГц и напряженностью порядка 1000 В/см. Интенсивность разряда контролируется с помощью фотодатчика.

Из разрядной колбы атомы водорода через коллиматор попадают в поле квадрупольного магнита, осуществляющего сортировку атомов водорода по энергетическим состояниям.

Отсортированные возбужденные атомы водорода инжектируются в накопительную колбу, находящуюся в центре СВЧ резонатора. На колбу накладывается слабое продольное магнитное поле. Это поле обеспечивает расщепление сверхтонкой структуры основного состояния атома водорода, возникающей в результате взаимодействия спина электрона и спина ядра.

В накопительной колбе происходит вынужденное излучение атомов водорода. Полученный сигнал через петлю связи, ферритовый вентиль и коаксиальный разъем подается на малошумящий предусилитель системы ФАПЧ.

Для стабилизации пучка атомов водорода используется система автоподстройки давления молекулярного водорода в разрядной колбе, где в качестве датчика используется терморезисторный вакуумметр Пирани.

Для устранения зависимости частоты излучаемого сигнала от внешних магнитных полей и температуры используются системы термостатирования (внешний и внутренний термостаты) и магнитного экранирования, внутрь которых помещается СВЧ резонатор мазера. Коэффициент экранирования системы, состоящей из четырех магнитных экранов, составляет примерно 105.

Двухступенчатая, многозонная термостатирующая система обеспечивает поддержание температуры СВЧ резонатора с точностью 0,001 °C. Контроль температуры осуществляется с помощью датчиков, помещенных в разных точках системы.

В мазере используются две независимые вакуумные системы, состоящие из геттерного насоса и трех магниторазрядных насосов. Геттерный насос, в совокупности с первым магниторазрядным насосом, создает и поддерживает вакуум в системе формирования пучка атомарного водорода. Второй магниторазрядный насос обеспечивает вакуум в накопительной колбе, а третий в СВЧ резонаторе.

Активация адсорбента в геттерных насосах осуществляется на заводе изготовителе путем нагрева электрическими нагревателями до температуры 800 °С. Включение магниторазрядных насосов осуществляется в условиях высокого вакуума с давлением остаточных газов не более 2-10-3 мм рт.ст.

Уровень вакуума контролируется по величине тока магниторазрядных насосов.

Блок АПЧ в качестве основной функции обеспечивает формирование выходных сигналов стандарта с помощью фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) кварцевого генератора 5 МГц по сигналу водородного мазера. Кроме того, блок АПЧ содержит узлы системы АНР.

Общий вид Ч1-1035 представлен на рисунке 1.

Схема пломбировки от несанкционированного доступа, обозначение места нанесения знака поверки представлены на рисунке 2.

Рисунок 2 - Схема пломбировки от несанкционированного доступа, обозначение места нанесения знака поверки

Программное обеспечение

Программное обеспечение (ПО) Ч1-1035 делится на встроенное и внешнее. Встроенное ПО записывается на предприятии изготовителе, конструкция Ч1-1035 исключает несанкционированный доступ к ПО.

Внешнее ПО поставляется на компакт диске и предназначено для контроля рабочего режима работы Ч1-1035, корректировки кода частоты при периодической поверке, а также получения измерительной информации со встроенного компаратора частотного.

Уровень защиты программного обеспечения от непреднамеренных и преднамеренных изменений «средний» в соответствии с Р 50.2.077-2014.

Таблица 1 - Идентификационные данные (признаки) метрологически значимой части ПО

Технические характеристики

Таблица 2 - Метрологические характеристики

Окончание таблицы 2

Таблица 3 - Основные технические характеристики

Знак утверждения типа

наносится на титульный лист руководства по эксплуатации и формуляр типографским способом и на самоклеющуюся наклейку на переднюю панель Ч1-1035, обеспечивающим четкое изображение знака, его стойкость к внешним воздействующим факторам, а также сохранность его изображения в течение всего установленного срока службы Ч1-1035

Комплектность

Таблица 4 - Комплектность стандарта частоты и времени водородного 41-1035

Сведения о методиках (методах) измерений приведены в эксплуатационном документе.

Нормативные документы

Государственная поверочная схема для средств измерений времени и частоты, утвержденная приказом Росстандарта от 31 июля 2018 г. № 1621;

Стандарт частоты и времени водородный Ч1-1035. Технические условия.

ЯКУР.411141.046ТУ.