Rubidiový
oscilátor PRS10 firmy SRSPRS10 je 10 MHz rubidium disciplinovaný krystalový oscilátor s ultra-nízkým fázovým šumem. Má frekvenční přesnost 1x10-11. Zařízení splňuje různé požadavky na komunikaci, synchronizaci a přístrojové vybavení. Fázový šum výstupu 10 MHz je dostatečně nízký, aby mohl být použit jako referenční zdroj pro syntezátory. Krátkodobá stabilita jednotky a nízké koeficienty prostředí z ní činí ideální součást pro synchronizaci sítě. Jeho nízká rychlost stárnutí z něj činí vynikající časovou základnu pro přesná měření frekvence. PRS10 používá lampu s bočním ramenem naplněným 1 mg rubidia. Více v katalogovém listu nebo v manuálu.
Všechny komerční
rubidiové frekvenční standardy fungují tak, že upravují krystalový
oscilátor na jemný přechod na 6,834 682 612
GHz v rubidiu.
Množství světla z rubidiové
výbojky, které
dosáhne foto detektoru přes
rezonanční článek, klesne asi o 0,1 %, když je rubidiová pára v
rezonančním článku vystavena mikrovlnné energii v blízkosti přechodové
frekvence. Krystalový oscilátor je stabilizován na rubidiový přechod
detekcí poklesu světla, když prochází syntetizér RF frekvence
přechodovou frekvencí.
PRS10 používá mikrokontrolér CPU, taktovaný na 10 MHz, k řízení všech aspektů provozu a umožňuje diagnostiku, měření a kalibraci. Celkové uspořádání na obrázku vpravo.
RF syntezátor přes varaktor (speciální kapacitní diodu) nasměruje 10 MHz krystalový oscilátor na rubidium přechod. Varaktor je laděn 22bitovým digitálně-analogovým převodníkem D/A. Frekvenční syntezátor generuje frekvenci přibližně 359,72 MHz. Ta je násobena faktorem 19x v diodě, aby poskytla mikrovlnnou frekvenci (přibližně 6,834 GHz), 10 MHz výstup z PRS10 pochází přímo z krystalového oscilátoru, který pracuje v termostatu.
Frekvenční posuny a dlouhodobé stárnutí PRS10 lze eliminovat fázovým blokováním ke zdroji s lepší dlouhodobou stabilitou, jako je 1 PPS z přijímače časování GPS. Krátkodobá stabilita GPS je špatná (asi 5 × 10-9) ve srovnání se stabilitou PRS10 (asi 5 × 10-12). Po několika hodinách je však GPS stabilnější, a tak lze stabilitu zlepšit fázovým blokováním PRS10 na GPS s dlouhou časovou konstantou.
Když je použit externí signál 1 PPS, PRS10 ověří integritu tohoto vstupu a poté sladí svůj výstup 1 PPS s externím vstupem. Procesor bude i nadále sledovat výstup 1 PPS na vstup 1 PPS řízením frekvence přechodu rubidia s malým nastavením magnetického pole uvnitř rezonanční buňky.
Rubidium je alkalický kov (jako lithium, sodík, draslík a cesium). Existují dva přirozeně se vyskytující izotopy rubidia, Rb85 a Rb87, které mají relativní zastoupení 72 %, respektive 28 %. Kov má bod tání 39°C.
Alkalické kovy se chovají podobně: mají jeden elektron mimo inertní jádro. Většina chemických, elektronických a spektroskopických vlastností těchto prvků je určena tímto vnějším elektronem. Tmavě červená záře rubidiové výbojky s nízkým výkonem je způsobena přechody rezonančních linií vnějšího elektronu, když emituje červený foton a klesá zpět do základního stavu.
Základní stav Rb87 je štěpen velmi malou energií v důsledku relativní orientace magnetických spinů elektronu a jádra. Rozdělení odpovídá energii fotonu s (mikrovlnnou) frekvencí 6,834,682,612,8 GHz. Je to tato velmi jemná přechodová frekvence, která bude použita ke stabilizaci 10 MHz výstupu PRS10.
Abychom viděli, jak by se to dalo udělat, ukazuje obrázek 1 typický fyzikální balíček, který používá výbojku, izotopový filtr a rezonanční článek. Uvidíme, že množství světla, které projde rezonanční buňkou do foto detektoru, lze snížit, když je rezonanční buňka vystavena mikrovlnám s jemnou přechodovou frekvencí.
Pro zjednodušení diskuse budeme předpokládat, že světlo z výbojky Rb87 se skládá pouze ze dvou čar odpovídajících přechodům z jednoho vybuzeného stavu do rozděleného základního stavu. Filtrační buňka obsahuje páru Rb85, která má také rozdělený základní stav a izotopový posun (vzhledem k Rb87). Existuje důležitá shoda okolností: jedna z linií z výboje Rb87 odpovídá jednomu z přechodů v Rb85. To nám umožní snížit intenzitu této linie průchodem světla výboje Rb87 přes páru Rb85.
Normálně budou atomy v základním stavu rovnoměrně rozděleny mezi rozdělené stavy, protože rozdělení je mnohem menší než tepelná energie atomů v páře. Tato distribuce je modifikována filtrovaným světlem z výboje, procesem zvaným „optické čerpání“.
Předpokládejme, že filtr může zcela odstranit jedno ze dvou vypouštěcích vedení (discharge line ?). Zbývající světlo může být absorbováno atomy Rb87 v rezonanční buňce, které jsou ve spodním základním stavu, a přesunout je do horního stavu. Když se rozpadnou z horního stavu, spadnou se stejnou pravděpodobností do kteréhokoli základního stavu. Jak to bude pokračovat, populace se bude přesouvat z nižšího základního stavu do horního základního stavu a bude cirkulovat horním stavem. Jak se populace v nižším základním stavu snižuje, množství světla, které dosáhne foto detektoru, se bude zvyšovat, protože se snižuje počet atomů, které mohou absorbovat záření.
Nyní, pokud aplikujeme mikrovlnné pole na frekvenci odpovídající jemné přechodové frekvenci (6,834,682,612,8 GHz), populace v základním stavu se promísí a množství světla dopadajícího na foto detektor se sníží.
PRS10 používá topologii „integrovaného filtru“: spíše než samostatný filtrační článek obsahuje rezonanční článek směs dvou izotopů rubidia spolu s vyrovnávacím plynem. Lampa také obsahuje směs izotopů. Izotopové směsi, pufrovací plyny a provozní podmínky jsou voleny tak, aby se minimalizovaly teplotní koeficienty a posuny intenzity zdánlivé jemné přechodové frekvence.
Zdánlivá přechodová frekvence bude posunuta o cca 3 kHz od přirozené přechodové frekvence spektrálním profilem nárazníkového plynu a výbojky. Přechodová frekvence se u každé jednotky mírně liší v závislosti na plnicím tlaku atd. Přechodová frekvence je také vyladěna v průběhu několika Hz magnetickým polem, které se může měnit.
V PRS10 působí fyzikální balíček rubidia jako velmi stabilní frekvenční detektor pro frekvenci kolem 6,834 GHz. Použitím mikrovlnného frekvenčního syntezátoru, který se vztahuje k 10 MHz OCXO, může být 10 MHz stabilizováno na rubidiovou hyperjemnou přechodovou frekvenci.
PRS10 používá ve své lampě a článku asi miligram rubidia. Přirozeně se vyskytující Rubidium se skládá ze dvou izotopů; asi 72 % Rb85 a 28 % Rb87. Jedna složka přírodního rubidia (Rb87) je slabě radioaktivní. Protože jeho poločas rozpadu (čas trvá, než polovina atomů podstoupí radioaktivní rozpad), je velmi dlouhý (více než 47 miliard let) nejsou při manipulaci s rubidiem nutná žádná bezpečnostní opatření.
Uvádí se, že průměrný banán (jedlý plod, obecně uznávaný jako bezpečný) obsahuje 400 mg draslíku. Draslík je stejně jako rubidium alkalický kov. Přirozeně se vyskytující draslík se skládá ze tří izotopů: K39 (93 %), K40 (0,0117 %) a K41 (7 %). Izotop K40 je radioaktivní s dobou rozpadu 1,27 miliardy let. Porovnáme radioaktivitu atomových hodin PRS10 s radioaktivitou banánu. Jak pro atomové hodiny, tak pro banán počítáme počet atomů radioaktivní izotopu vydělený poločasem rozpadu izotopu a pak tato čísla poměříme. Zjistíme, že PRS10 obsahuje 6 % radioaktivity banánu. Dále jako rubidium v PRS10 je utěsněn ve skle, které je uzavřeno v kovu a je uživateli zcela nepřístupné, Můžeme rozumně tvrdit, že PRS10 nepředstavuje pro své uživatele žádné riziko.
Monitor uvádí sériové číslo rubidiového oscilátoru, číslo portu ke kterému je připojen a informaci, zda probíhá komunikace. Okno statistiky zobrazuje aktuální hodnoty nastavení nebo měření. První sloupec je shodný se jménem povelu, kterým v oknu RS232 komunikace může uživatel s oscilátorem komunikovat.
Příkazy se skládají z dvoupísmenné mnemotechnické pomůcky a jednoho nebo více parametrů. Příkazy, které končí otazníkem (?), vrátí hodnotu. Příkazy končící vykřičníkem (!) zapisují aktuální hodnotu parametru do EEPROM pro použití po příštím restartu. Příkazy, které končí vykřičníkem a otazníkem (!?), vrátí hodnotu uloženou v EEPROM.
Černý čtvereček označuje hodnoty, které se liší od továrního nastavení, modrý čtvereček označuje podlimitní hodnoty a červený nadlimitní hodnoty. To může být před stabilizací jednotky normální.
Konkrétně černá hodnota sd2 = 255 znamená, že jednotka nastavila vybíjecí napětí FET výbojky na maximum (což dělá, když se pokouší rozsvítit výbojku).
Na podporu vystavení rubidiového oscilátoru v Hodináriu plánujeme vytvořit na platformě WEDOS doplněk, který obdobnou statistiku vytvoří a pošle na internetový server. Bude obsahovat i GPS modul, aby mohl oscilátoru posílat synchronizaci PPS. Data získaná z rozhraní RS-232 a následně poslaná na server bude možné zobrazit na této stránce nebo v následujícím okně. V okně zatím jen simulace - data krátce po startu PRS10. Bližší informace o jednotlivých povelech a hodnotách v manuálu.
