Mekanisk översikt


I praktiken bygger man upp en rubidiumoscillator som ett chassi, på vilket man dels fäster de elektronikkort som driver de olika gascellerna, dels gascellerna i sin skärmning och dels nätaggregatet som strömförsörjer alltihop. Gascellerna, inmonterade i sitt skärmande hölje, utgör tillsammans det som kallas för ”physics package”. Physics package måste hålla sin arbetstemperatur på 70 respektive 120 grader, men det får å andra sidan inte bli för varmt heller. Därför monteras hela oscillatorn i ett större chassi som kan sluka värme, eller förses med stora kylflänsar. Genom att balansera uppvärmningen mot kylningen kan man temperaturstabilisera för optimal prestanda.

Rubidiumoscillatorn LPRO-101 från Symmetricom (f.d. Efratom och Datum Irvine) är cirka 15 centimeter lång, drivs med 24 volt och lämnar 10 MHz ut. Ett sk telekom-ur. På undersidan är den täckt med ett värmeledande lager för att leda bort överskottsvärme mot chassit den måste monteras på. Denna typ av oscillator är ganska vanlig i mobilbasstationer. Den torde ha kostat cirka 1000 dollar som ny men kan köpas som surplus för cirka 50 dollar på Ebay. Anledningen till att den är så billig är att livslängden på rubidiumlampan ligger kring tio år, men mobiloperatörerna tar den ur drift långt innan dess. Efter service kan den hålla i många år till. Den drar 0,5 ampere på 24 volt och lämnar 10 MHz sinusvåg med hög noggrannhet (nominellt 1E-11 i rumstemperatur, men enheten varnar om frekvensen avviker med mer än ±5E -8), med en amplitud på +/- 0,5 volt i 50 Ohm.

Rubidiumoscillatorn LPFRS-01 från Temex Neuchatel Time SA ska också ha 24 volt och lämnar 10 MHz ut. Den har egna kylflänsar för att bli av med överskottsvärme.

Den viktigaste delen inuti apparatlådan är physics package. I genomskärning ser den ut så här.

Det här är den fysiska funktionen. Den logiska funktionen visas ovan.

I ett magnetiskt och termiskt avskärmat hölje befinner sig tre gasceller med rubidiumgas. Rubidiummetallen förblir i gasform tack vare de höga temperaturerna som kamrarna förvärms till. Gasen i rubidiumlampan exciteras till plasma med en 100 MHz radiosändare och lampan tänder och lyser. Lampan lyser först genom en cell med neutralt rubidium, där den ena linjen, D1. absorberas. D2-linjen fortsätter in i detektorcellen.

När gasen i detektorcellen är exciterad med 6,83468... GHz kan den absorbera D2-linjen. D2-ljuset mot fotodioden minskar då och indikerar låsning.


– Ja, om du inte får låsning på servoloopen är det ingen idé att försöka justera magnetfältet!

Oscillatorn kan avstämmas (eller klockan ruckas om man så vill) med ett pålagt magnetfält, som brukar kallas C-fältet. Det skapas av en spole som ligger lindad kring gascellerna i resonanskammaren. De hyperfina övergångarna i 87Rb flyttar sig något beroende på hur starkt magnetfältet är. Det existerar hela tiden ett magnetfält runt om rubidiumuret, nämligen det jordmagnetiska fältet. Av den anledningen skärmar man enheten med flera lager mymetall, men för att kunna justera frekvensen och anpassa den till frekvenssyntesen lägger man på ett kontrollerat fält, som därtill ligger rätt orienterat i kammaren. C-fältet sprider isär de hyperfina övergångarna och gör just den på 6,83468... GHz lättare att detektera. Dessutom råkar den på 6,83468... GHz ha starkast respons.

Principbilden ovan med tre gasceller är dock föråldrad. Moderna oscillatorer har bara två celler, en rubidiumlampa och en absorptionscell med både 85Rb och 87Rb i naturligt förekommande proportioner. Det blir betydligt billigare än om man ska försöka separera isotoperna när metallen utvinns och funktionen är likadan.

Notera att tändelektrod och tändpuls bara förekommer i vissa fabrikat.

Demontage


Låt oss plocka sönder en modern rubidiumoscillator och se de enskilda delarna. Just det här är en sk taktisk klocka från FEI. Den är avsedd att användas i flygplan och måste därför tåla vibrationer.

Så här ser en physics package ut i realiteten. Det är en ganska kompakt enhet på cirka 10 centimeter som väger gott och väl ett halvt kilo. Rubidiumlampan är ett smalt glasrör som sätts in i hålet (La), vilket därefter försluts. Värmaren som håller rubidiumlampan vid cirka 130 grader (Vä) består av en platt värmespiral täckt med gul kaptontejp. Nedanför denna sitter elektroniken för temperaturhållning. Resonatorkammaren (Re) är på utsidan täckt med ett lager mymetall som skärmar alla magnetfält och in till denna kommer koaxkabeln (Ko) med signalerna på 60 och 5,3125 MHz, från frekvenssynteskortet. Det interna magnetfältet (C-fältet) skapas med en spole som matas via ledarna (Ma) och utsignalen tas ut på ledarna (Ut). Anslutningen till resonatorkammarens värmare syns inte på bilden. Du ser att enheten är avsedd för tuffa tag, för alla skruvar är låsta med vit låslack.

Frekvenssynteskortets ena sida hyser multiplikatorkretsen som gör om kristalloscillatorns 20 MHz till 60 MHz.

På frekvenssynteskortets andra sida sitter synthesizerkretsen som skapar den frekvensmodulerade 5,3125 MHz-signalen. De lite taffligt inlödda sladdarna är rester av en felsökning på det här trasiga kortet.

Alla enheterna sitter monterade på ett ordentligt, stabilt chassi, med snyggt knutna kabelstammar och militärspecade D-sub-miniatyrdon av ungefär samma typ som man hittar i satelliter.