Felmekanismer


Det finns ett antal störningsfaktorer i sammanhanget. Mest handlar det om gasen man använder som frekvensstandard och hur dess atomer påverkas av miljön. Det är gasens temperatur och atomernas kollisioner med ditt och datt som åstadkommer avvikelser. Kollisionerna åstadkommer frekvensskift av olika slag i frekvensen 6,83468... GHz, som kallas wall shift, buffer gas shift, cavity shift och light shift.

Rubidiumgasatomerna kolliderar med varandra och med kärlets väggar (och ”klistrar” vid väggen en kort stund) och förlorar då energi vilket får dem att driva i frekvens och påverka oscillatorns stabilitet. Det kan man minska genom att ha en buffertgas, som kväve, xenon eller helium i resonatorn, som både förhindrar att atomerna kolliderar med varandra och med väggarna och dessutom reducerar dopplerskiftet som uppstår vid snabba atomrörelser.

Efter ett antal år har dock heliumet smitit ut ur gascellen och då upphör dess dämpande verkan, vilket ger ett frekvensskift över tiden. Det kan kompenseras med C-fältet, bara man har något att kalibrera med, till exempel gps-satelliter.

Ju varmare atomerna är, desto mera rör de sig. Kunde man få atomerna att sluta kollidera med allt hela tiden, kunde man eliminera en stor störningskälla. Det är just var NIST (National Institute of Standards and Technology) i USA håller på med i sina fontän-oscillatorer. En atom som inte vibrerar är en ”kall” atom. NIST använder sig av infraröda lasrar som knuffar ihop några cesiumatomer till en boll mitt i ett vakuumkärl. När de bildat sagda boll är de så stilla att deras temperatur är nära absoluta nollpunkten. Bollen får falla ned i en skyddad brunn där den knuffas ihop av sagda lasrar, men då och då tvingas den upp i en resonanskammare där en annan laserstråle får den att avge ett särskilt fluorescenssken, men efter en sekund faller de ner till sin fåraherde i skyddat läge igen. Det är intensiteten i fluorescensskenet som anger hur nära mikrovågssignalen i resonanskammaren ligger den sanna atomära frekvensen.

Reparation och provning



En nattlig seans i rubidiumlampans sken.

– Vad är det som oftast går sönder i en rubidiumoscillator?

– Vanliga fel är trasiga kraftaggregat, att rubidiumlampan har mörknat, att frekvensen kan behöva trimmas eftersom filtren kan ha blivit felinställda efter 10-20 år eller att kristalloscillatorn med tiden kan ha drivit utanför fångstområdet, så att servoloopen inte längre kan få låsning till rubidiumatomerna. Dessutom har som vi tidigare nämnt, helium en förmåga att krypa ur alla typer av behållare, vilket ger ett frekvensskift över tiden. Det kan dock kompenseras med C-fältet.

Merparten av felen rör egentligen helt vanlig elektronik, och med tanke på urens ålder är det mesta helt vanliga TTL-kretsar, op-förstärkare av typen 741 och så vidare, och temperaturregleringslooparna är helt vanliga reglerslingor som man läste om på gymnasiet. Inget konstigt alls. Trimnigen av reglerloopen för resonansfrekvens kan dock vara lite knepig.


Många värdesiffror blir det när Magnus kontrollmäter en 5 MHz kristallugn mot en gps-satellit.

Mycket av mätarbetet går ut på att mäta modulationen från synthezisern och renheten hos de högfrekventa signaler som syntetiseras. Men till slut hamnar man vid att man måste verifiera utfrekvensen på 10 MHz och då handlar det om att ha en frekvensnormal som är något värd, och en bra frekvensräknare.

Man skulle kunna tro att en rubidiumoscillator har någon slags absolutfrekvens, men så är det inte. Den är ställbar med C-fältet. Det skulle inte gå att till exempel ha tre oscillatorer och jämföra dem med varandra för att se att de går rätt med någon slags majoritetsbeslut. Alla tre kan gå fel på exakt samma sätt. En bra frekvensnormal måste vara väsentligt mycket bättre, och det kan vara ett cesiumur eller en gps-mottagare (eftersom det sitter cesiumur som referens till satelliterna, som dock oftast kör på väldigt bra rubidiumur).

Metoden att prova en rubidiumoscillator efter service är att jämföra den med en absolut referens, nämligen GPS-satelliterna. Men jämförelsen tar tid, kanske flera dygn, eftersom enheterna driver väldigt långsamt i frekvens. Långtidsmätningar behövs också för att kompensera för temperaturvariationer.

Mottagaren kompenserar för dopplereffekter som uppstår när satelliterna rör sig, genom att den vet var den själv befinner sig. Under längre tid är den utvunna 10 MHz-signalen lika stabil som SI-sekunden eller UTC, som är ett viktat medelvärde av tidsjämförelser mellan ca 230 cesiumur placerade vid ett 60-tal nationella laboratorier världen runt. Denna kopplas som referens till en frekvensräknare.

Provobjektets utfrekvens, som kan vara 5 eller 10 MHz, kopplas in på räknarens frekvensingång. Räknaren kommer att visa 10,00000 MHz och ett antal decimaler därefter. Då är det upp till mätteknikern att justera provobjektet ligger så nära 10 MHz det går att komma.

Den primära justeringsmekanismen på såväl rubidiumur som cesiumur är C-fältet.

Här tittar vi in i physics package en ryskproducerad rubidiumoscillator, nämligen en CH1-78 från ryska IEM Kvarz (numera Vremya) i Niznij Novgorod, som dessutom har en digitalklocka på fronten (bortåt i bild). Den har en ganska stor package, som gör den utmärkt att visa principen på. Rubidiumlampan (La) sitter inuti en värmare och en kopparreflektor. I den här modellen säkerställer man dessutom lampans tändning med en högspänningspuls vid start. Tändtransformatorn sitter också inuti den runda lampenheten. Lampan monteras genom att skjutas in i det runda hålet, vänd mot filtercellen (Fi). Runt kring detta sitter ett runt kretskort med elektronik för temperaturhållning. Alltihop är inneslutet i flera lager värmeisolerande material (Is) och magnetisk skärmning (Mag).

Rubidiumlampan lyser inte särskilt starkt i dagsljus. Här är den exponerad särskilt för att visa det magiska skenet. Lampenheten ligger på en bit av den värmeisolering som lindas runt den när den monteras i physics package.