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2014年12月1日月曜日

【測定】Rubidium atomic clock

【測定:ルビジウム原子クロック/10MHz周波数基準器】

仮設から脱却
 ルビジウム原子周波数基準器:LPRO-101をケースに収めました。 従来のテスト運転・・・言わば仮設状態から脱却して本格的に使える状態になりました。

 周波数基準器は極めて精度の良い10MHz得るために使う物です。 同種の基準としてGPS周波数基準が稼働中なので必要度は高くありませんでした。 最近になって測定器の置き場が2ヶ所に分散したので新たに周波数基準が欲しくなりました。 GPS基準器の分配を増やしても良いのですが、配線を長く延ばす必要があるのが面倒です。 そこで10MHz:ルビジウム原子周波数基準器:Rb-OSCの活用を決めました。

 Rb-OSCユニットを収納したケースはハム局の外付けリニヤアンプ用でしょう。 10年以上前にローカルのOMさんに頂きました。 構造から他への応用には使いにくいためそのままになっていました。 Rb-OSCの本格稼働を目的に適当なヒートシンクを探していてこれが見つかりました。 ユニットの取り付け方法を工夫することでうまく収納できました。

 ケース内部に4分配用アンプを収納しました。出力はパネル面に1つ、背面に3つです。各出力ともGND側および信号側共にアーソレーション(絶縁分離)されています。 接続する機器間のシャシ電位差やグラウンド引き回しの影響を受けません。

 電源は24Vで、 起動直後5分間ほどが約1.6A、平常運転時には約0.6A流れます。 AC電源も内蔵するとスッキリします。しかし磁気フラックスが漏れる電源トランスや、大きなノイズ源になり得るスイッチング電源が同居したら信号純度の点で不利です。 大きな箱に入れ厳重にシールドすれば対策できますが、あっさり別置きにしました。電源部は本体と並べずに1mくらい離しておけば良いわけです。 稼働には写真にない外付けの電源が必要です。

仮評価
 数年前ですが、仮設状態で評価した際に入念に周波数調整してありました。

 写真は10MHzを10秒ゲートで測定しています。桁数の関係で最上桁の「1」が表示オーバーフローしています。 最小桁は100ミリHzで、この状態は10ppb(1億分の1=0.01ppm)までの測定ですが取りあえず製作直後のチェックとしては問題なさそうです。

 このあと、十分な連続運転が済んで安定してきたところでGPS周波数基準器と周波数合わせを行ないます。

 この10MHz-Rb-OSCは1ppb(10億分の1、10E-9、絶対値で10ミリHz)の精度まで普通に得られます。しかし小さな温度係数があって10ppt(1兆分の10、10×10E-12、絶対値で10マイクロHz)オーダーの僅かな漂動が認められます。 通常まったく問題にはなりませんが完全に静止した不動の基準ではありません。 また経年変化もあって数年に1度くらいの周波数合わせは必要なようです。もちろん、校正頻度は要求精度によります。 この種のRb-OSCは校正しながら使うべき『2次基準器』です。(参考:放電セルのガス・クリーンナップ現象による圧力変化に伴う周波数シフト量の経年変化のようです) GPS衛星にもRb-OSCが搭載されていますが、あれは地上局から常に監視され、随時補正されて高い絶対精度が維持されています。 非常にゆっくりした変化なので監視して補正を続ければGPSナビゲーションに必要な精度を維持することができるのです。

きれいな10MHz
 もう一つ気になるのは10MHz信号の奇麗さでしょう。 写真は横軸:10MHzを中心に10kHz幅にとって信号近傍のスペクトラムを見ています。 LPRO-101のあとに分配用アンプを付加した状態です。実際の出力信号と言うことになります。

  50Ω負荷に信号レベルは8.54dBmです。 信号純度は良くできた水晶発振器と同等です。ジッターはもちろんサイドバンド・ノイズも認められません。良い信号が得られています。

 LPRO-101内部には20MHzのVCXO(電圧可変型水晶発振器)があり、その周波数をRb放電管セルの光吸収スペクトルが起こる励起周波数:6,834,682,612.8Hz*1にロックしています。回路としては周波数ロック・ループ:FLL方式です。

参考*1:原子時計・発振器にも幾つかの方式があり、直接周波数を取り出す形式・・メーザー形式の物もあります。ここで使ったRb-OSCでは実現の容易さからガスセル式の吸収スペクトルを利用する間接的な方式を採用しています。NIST(米国国立標準技術研究所)によるRb原子時計の理論的な周波数は6,834,682,612.8Hzですが、LPRO-101では6,834,687,500Hzとなっています。この周波数差+4887.2HzはRb放電セルに混合された緩衝ガスによるシフトです。端数の少ない奇麗な周波数になっていて、LPRO-101はそのように設計されたRb-OSCであると言えます。これは緩衝ガスによる周波数シフトを逆手に取った上手い方法であり、方式特許として出願されています。もちろん2次標準器だからこそ可能な方法です。

 その20MHzを1/2分周して得ている10MHzの本質は水晶発振器そのままです。Rb発振器とは言ってもこの間接方式の場合「Rb放電管の発振周波数」のような直接得られる「何か特別」の周波数がある訳ではありません。得られる10MHzの元は水晶発振器です。こうして見ると内蔵の20MHz発振器もまずまずなようです。

 この10MHz発振器を基準に携帯電話の中継網を構成していたのですから信号の品質は言うまでもないでしょう。 基準信号が汚ければ中継機からの信号もすべて汚れてしまいます。 周波数の絶対精度および安定度は勿論ですが純度の良い信号を必要としていたはずです。

#この製作では電源を外付けにし、10MHz分配用アンプをローノイズに作ったのも意味があったようです。高速OPアンプを使えば製作は容易ですが、ノイズフロアの上昇が気になってディスクリートで作りました。

 このくらいの基準信号ならV/U/SHF帯の通信用周波数基準としても十分でしょう。 マイクロ波帯のPLLや多段の周波数逓倍にも耐えられます。 測定器の周波数基準やオーディオ再生装置のマスター・クロックのみでなく利用範囲の広い周波数基準器です。 起動から高精度までの待ち時間が短くGPS周波数基準のようにヒモ付きでないのも便利です。

#もちろん、いくら良い周波数基準があってもその後が劣ればそれなりです。Rb-OSCさえ繋げば・・・と妄信したら間違いでしょう。

                   ☆

 12月のBlogは更新しないつもりでしたが、それも寂しいので近況報告しました。 内部写真は撮り忘れました。 簡単な製作なので詳細な製作情報は省きますが、もしもニーズでもあればいずれ機会を見てレポートします。 これで今年はおしまいです。どうぞ良いお年をお迎えください。de JA9TTT/1

(おわり)

参考:ルビジウム発振器関連の過去Blogなどの情報
(1)Rb-OSC今が旬か? (2009年2月1日)→ここ
(2)あなたも今日から高精度病 (2010年9月5日)→ここ
(3)GPS周波数基準器の製作(2016年1月10日)については→ここ
(4)肝心のRb-OSCですが、LPRO-101は旬を過ぎています。代わってFE-5680Aと言うユニットが出回っています。おおよそ$200〜$300でe-Bayに出ています。→該当へリンク

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