Går din atomklocka efter? Gnisslar den lite och behöver smörjas? Håller atomerna på att ta slut? Då är det dags att gå till atomurmakaren och få uret kontrollerat mot en frekvensstandard. Atomklockor är egentligen inget magiskt eller obegripligt utan kan mekas i källaren hos en tillräckligt avancerad hobbyidkare.
Magnus Danielson i Stockholm har en lite ovanlig hobby som rör tid och frekvens: Han reparerar atomklockor.
– Det är inte världens vanligaste hobby. Hur kommer man in på det?
– Jag har alltid haft ett intresse av mätteknik och när man håller på med analogsyntar vill man kunna trimma till dem, och sedan gav det ena det tredje.
Atomklockor är vanligare än man tror i dagens Internet- och GPS-beroende samhälle. Rubidiumuret är den vanligaste, kompaktaste och billigaste typen av atomklocka. Det är många tillfällen då vi har behov av en exakt tid- och frekvensreferens.
Så här ser rubidiumlampan ut i mörker. Dess lila sken är förhäxande. Betänk att det är detta svaga ljus som håller ordning på hela Internet åt oss och bland annat ser till att flygplan kan navigera säkert i dimma.
Internet: Tiden på Internet, UTC (Universal Coordinated Time) och GPS- och Gallileo-satelliterna är bara två av väldigt många tillämpningar där en atomklocka kan vara nyttig.
Finansinstituten måste veta exakt när en transaktion genomfördes, så de kan sorteras i tiden, och det vill till att både säljaren och köparen är överens om klockslagen.
Forskning: När man vill veta om neutrinon faktiskt går fortare än ljuset måste både avsändaren och mottagaren vara överens om vad klockan är, på pikosekunden när (och det var de inte, allra som senast i Gran Sasso. Neutrinerna gick tyvärr bara med ljushastigheten).
TV-stationer behöver noggranna frekvensreferenser så att hela TV-huset ligger i fas, så att inte en videoström från en studio kommer ur synk med videon från en annan studio.
Radioamatörer är folk med extremt frekvensintresse, som försöker överglänsa varandra med antalet värdesiffror i bärvågens frekvens. De använder sig gärna av rubidiumkontrollerade frekvenssyntetisatorer.
Radioastronomer som ägnar sig åt långbasinterferometri (VLBI) för att göra skarpa bilder av rymden i radioområdet, spelar in rymdens brus och tidsmärker vartenda sample på nanosekunden när, så att flera observatorier kan samarbeta om en skarpare bild.
Svensk normaltid: En annan stor atomklockeägare är RISE i Borås, som sköter svensk normaltid, men i stort sett sitter det atomklockor hos alla de större nätoperatörerna.
Mobilnätet: Den vanligaste tillämpningen håller dock på att bli mobilbasstationerna, där rubidiumur i stil med de som beskrivs i denna artikel, används för att hålla sändningsfrekvenserna och all tidgivning inuti basstationen exakt och stabil. Stabilitet är en dygd.
Övrigt: I övrigt hittar man atomklockor vid mastringen av DVD-skivor och det finns till och med bisarr-fi-entusiaster som inte kan tänka sig att lyssna på CD-skivor utan att synka sin CD-spelare mot ett atomur.
Lite grunder
Magnus Danielsson förevisar sina klenoder för undertecknad. Bara atomer alltihop. Ja, jag vet faktiskt ingen klocka som inte består av atomer. Bild: Audrone Städje.
Atomklockan eller atomuret, är inte en klocka. Det är bättre att säga rubidiumoscillator, eftersom enheten egentligen är en mycket exakt oscillator som lämnar ifrån sig exempelvis 10 MHz kantvåg med en frekvensnoggrannhet på omkring +/-10-11 eller ännu bättre under längre integrationstider. Det är alltså 10.000.000,0000 Hertz.
Om man absolut vill ha en tidvisande klocka får man skicka in utfrekvensen i en digital delare som delar ned den tio miljoner gånger, så det kommer ut en puls i sekunden. Denna kan man mata in i en helt vanlig väggklocka eller digitalklocka som först delar frekvensen med 60 för att få minuter, sedan med 60 igen för att få timmar och till sist med 24 för att få dygnets timmar. Alternativt kan man låta en mikroprocessor sköta delandet och ta ut den färdiga tiden på en dataström som ett datapaket varje sekund och skicka ut det på Internet. Det är ungefär så man gör när man levererar internettid över NTP-protokollet.
Om rubidium
Rubidium är en mjuk alkalimetall med en densitet på cirka 1,5 g/cm3 som smälter vid 39,3 grader och reagerar våldsamt med vatten, precis som andra alkalimetaller. Rubidium har ungefär samma egenskaper som kalium och är det 23:e vanligaste grundämnet i jordskorpan, något vanligare än koppar. Naturligt rubidium består av två isotoper, 85Rb och 87Rb. Världens totala tillverkning ligger kring 2-4 ton per år och det mesta utvinns som en restprodukt i en cesium- och tantal-gruva i Kanada.
Det är en vanlig missuppfattning att atomklockor skulle vara baserade på atomärt sönderfall, alltså radioaktivitet. Så är inte fallet. Visst, 87Rb är radioaktivt, med en halveringstid på 48,8 miljarder år eller tre gånger universums livslängd och aktiviteten är något högre än i granit. En helt vanlig banan är mera radioaktiv än ett rubidiumur. 85Rb är ett stabilt grundämne. Även cesium används i atomur, men då den stabila 133Cs isotopen, så ingen Tjernobyl-restprodukt här inte.
Varför just rubidium?
Vilka typer av atomur finns det? Man talar huvudsakligen om rubidium- och cesiumur och vätemasrar. Dessutom finns sk jonfällor och kvicksilverur och ett antal optiska varianter. Man har också börjat bygga så kallade cesium- och rubidiumfontäner. Det händer mycket i tidsteknologins framkant, men det är rena laboratoriebyggen. Inget av detta finns ännu i serieproduktion.
– Varför blev det rubidium? Är det lätt att excitera, frågar vi?
– Det visade sig vara mycket lämpligt att göra relativt billiga, små atomur baserade på rubidium. Rubidiumuren är egentligen en underklass av ur kallade gascellsur som baseras på att man exciterar förångad metall. Rubidium är väldigt lämpligt för optisk pumpning, som det handlar om i det här fallet. Rubidium är inte särskilt dyrt och det blir över när man bryter andra metaller. Man behöver inte leta särskilt länge för att hitta rubidium. Både du och jag innehåller rubidium.
Rubidium är lätt att excitera och det är också lätt att filtrera bort den oönskade spektrallinjen med hjälp av ännu mera rubidium.
Alltihop börjar med en urladdningslampa fylld med rubidiumgas och en del hjälpgaser såsom argon. Rubidiumlampan lyser med ett plasma, ungefär som glimlampan i spisen eller ett neonrör när gasen exciteras. Rubidium avger huvudsakligen rött ljus i två spektrallinjer kallade D2 på 780,241209686 nm och D1 på 794,978950 nm, men tillsammans med hjälpgaserna blir ljuset lila. Man utnyttjar dock bara den röda D2-linjen.
Rubidiumlampan har ungefär samma form som en glimlampa (minus elektroderna) och värms till sin arbetstemperatur på cirka 120 grader för att rubidiummetallen ska förångas. Resonanskammaren, som innehåller både resonans- och filteratomerna hålls vid 70 grader.
Rubidiumets emissionsspektrum. Du ser de båda röda linjerna tydligt. Bild: I. N. Galidakis.
Vad talar vi om för noggrannheter?
Vad kan man uppnå för frekvensnoggrannhet i sin verkstad i källaren? En otrimmad rubidiumstandard kan hålla en noggrannhet kring +/-10-9, medan en fintrimmad enhet kan nå ända ned till +/-10-11. En otrimmad cesiumstandard kan ligga kring +/-10-11 och trimmad kring +/-10-13. Det finns cesiumur som är ännu bättre, som HP 5071A. Med en vätemaser kan man nå noggrannheter på +/-10-15.
Hur ska man kunna fatta tio upphöjt till minus elva? Se det som en klocka (trots allt) som håller tiden väldigt bra. En vanlig digitalklocka kan gå fel med en minut per månad. En rubidiumstyrd klocka går inte fel med mer än en sekund på 3171 år, eller maximalt 0,0003 sekunder på ett år. När man kommit ned i vätemaserns +/-10-15 rör det sig om en sekunds fel på 20 miljoner år.
Funktionsprincip
Det här är den logiska funktionen. Den fysiska funktionen följer längre ned.
En rubidiumklocka är egentligen en frekvensstandard i vilken man använder en särskild hyperfin övergång för elektronerna i 87Rb-isotopen för att styra utfrekvensen 6,834682610904324 GHz. Grovt kan man säga att man synkroniserar en kristalloscillator med en atom.
I atomklockan används resonansegenskapen hos 87Rb för att styra frekvensen hos en uppvärmd kristalloscillator via en frekvenslåst slinga (FLL). En mikrovågssignal utvinns med hjälp av en 20 MHz spänningsstyrd kristalloscillator (fVCXO) och påförs på rubidiumånga i en glasbehållare. Ljuset från en rubidiumlampa lyser också genom denna glasbehållare och går vidare till en fotodetektor. När frekvensen på den påförda mikrovågssignalen är densamma som frekvensen hos grundtillståndet i den hyperfina övergången i rubidiumatomen (som kan liknas vid en resonanskrets med högt Q-värde, med Q = flera miljoner, tillsammans med Q-värdet i resonanskammaren) absorberas ljuset, vilket resulterar i att strömmen genom fotodetektorn (IPH) minskar.
Eftersom strömändringen är liten måste man använda modulationsteknik för att kunna extrahera den önskade signalen från bakgrundsbruset. Det går till så att man frekvensmodulerar den påförda mikrovågen, ofta kring 130-150 Hz (137 Hz är vanligt). Frekvensmodulationen börjar med att man skapar en bärvåg i en synthesizer på 5,3125 MHz och modulerar denna med sagda 137 Hz (17/64 x fVCXO +/-137 Hz).
Dessutom multiplicerar man 20 MHz-signalen (fVCXO) med 3 och får 60 MHz, vilken tillsammans med den modulerade 5,3125 MHz-signalen matas in i en frekvensmultiplikator och blandare bestående av en step-recovery-diod, vilken skapar mikrovågssignalen. Man kan bortse från alla biprodukter som uppstår vid blandningen eftersom den högvärdiga resonatorkammaren bara kommer att förstärka den 114:e övertonen och bilda mikrovågsfrekvensen [rubidiumfrekvensen = 114 x ((3 x fVCXO) – (17/64 x fVCXO))] som nominellt ska ligga på 6,83468… GHz när kristalloscillatorn svänger på 20 MHz.
Blandningsprodukterna av den modulerade 5,3125 MHz-signalen får den påförda mikrovågssignalen att svepa fram och tillbaka i frekvens kring den sanna, atomära frekvensen. Resultatet är ett vågtåg av dippar i detektorströmmen på 137 Hz. Dessutom får man ut andra övertonen på 274 Hz.
Idealt ska styrspänningen till kristalloscillatorn se ut så här när den demodulerats ur strömspikarna (IPH) från fotodetektorn. Fotodetektorn lämnar både 137 Hz och 274 Hz. 137 Hz-signalen demoduleras för att ge frekvensstyrningsinformationen och 274 Hz ger information om man har fått låsning, samt som kvalitetsindikation på låsningen (stark signal = bra låsning). Detta kan man demodulera för att få reda på om mikrovågssignalen har sin centerfrekvens mitt på atomfrekvensen eller ej. Skulle så vara fallet blir amplituden på 137 Hz så liten som möjligt och 274 Hz får maximal amplitud. Skulle man hamna på snedden och modulera på ena flanken kommer man att detektera 137 Hz. Det kluriga är att beroende på om frekvenssvepet ligger för högt eller för lågt så kommer man få olika polaritet på 137 Hz-signalen man detekterar, vilket man kan använda för att tvinga tillbaka frekvenssvepet runt atomfrekvensen. Dessutom är amplituden på 137 Hz-signalen proportionerlig mot frekvensfelet vilket hjälper inlåsningen.
Skillnaden mellan den påförda mikrovågssignalen och atomfrekvensen (delta-f/fRb) ska inte vara särskilt stor innan servokretsen börjar kompensera. Som du ser rör det sig om mindre än 5×10-8.
Utsignalen från kristalloscillatorn delas slutligen med 2 och matas genom en buffertförstärkare för att ge den standardiserade utfrekvensen på 10 MHz.
Hyperfin övergång?
Så vad är en hyperfin övergång? Rubidiumatomen har en elektron i sitt yttersta skal. Den kan skjutas upp i ett högre energitillstånd med hjälp av den optiska pumpningen på 780 nm. Ganska snart efter så gör sig elektronen spontant sig av med energin och går ned till en lägre energinivå, där den fastnar. Med mikrovågssignalen på 6,83468… GHz får man den att hoppa ned till lägsta energinivårn igen. Den hyperfina energinivån har med samverkan mellan elektronens kvanttillstånd och atomkärnans kvanttillstånd att göra. När då ljuset från rubidiumlampan kommer, absorberas det av atomen, den kan pumpas. Eftersom ljuset absorberas av atomen, kommer det inte vidare, det dämpas alltså. När Rb-cellen är resonant absorberas 0,1% av ljuset. När cellen inte är resonant sker ingen dämpning alls.
Lång- och korttidsstabilitet
Rubidiumoscillatorns korttidsstabilitet ligger egentligen hos den kvartskristall som svänger med 20 MHz. Man använder rubidiumoscillatorn, med alla dess felmekanismer, för att styra kristallen långtidsmässigt. Detta ökar noggrannheten ett antal tiopotenser mot vad kristallen ensam förmår, trots att den befinner sig i kristallugn. För att öka stabiliteten utöver vad rubidiumoscillatorn ger, måste man övergå till en cesiumstandard, men då kompliceras läget bortom denna artikels räckvidd.
Beroende på hur lång tid man betraktar utfrekvensen kommer oscillatorn att verka olika stabil. Frekvensstabiliteten påverkas av olika brusfaktorer, enligt den sk Allan Deviation-kurvan. Olika brusfaktorer dominerar vid olika observationstider.
Allan-deviationen beräknas med en väldig massa knepiga formler, men resultatet är i princip en kurva som i bilden ovan. Som synes ökar den uppmätta enhetens stabilitet när tidsperioden under vilken man medelvärdesbildar (tau) ökas, eftersom vissa brustyper kan elimineras genom medelvärdesbildning. Men vid en viss punkt kan resultatet inte förbättras ytterligare genom medelvärdesbildning. För att kunna analysera detta används mer avancerade statistiska metoder utvecklade för att kunna hantera dessa brussorter, till kostnad av knepigare formler för att estimera brusmängden. För längre tider kommer dock systematiska effekter påverka stabiliteten och ge frekvensavdrift. Provobjektet i denna graf har sin högsta stabilitet vid 5×10-11 och det uppnås vid tau=100 sekunder.
Det är Allan-deviaiotnen som skiljer de små, billiga telekomuren från de stora rackmonterade, på så sätt att de senare är väsentligt stabilare. Moderna telekomur använder dock mer avancerade reglerloopar för att få bättre prestanda än de annars skulle få med sina begränsningar. Cesiumuren vinner vid längre integrationstider som tusen-tiotusen sekunder och mer. Vätemasrarna är ännu ”tystare” vid längre observationstider.
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 ±5×10-8), 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.
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.
Gasatomerna 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 session 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 Nizhny 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.
I praktiken
En praktisk tillämpning för tidsintresserade är amatörradiovärlden. Där är det en tävling att hålla sändfrekvensen så noggrann som möjligt. Det märks också på att många radioamatörer är involverade i arbete med atomur, framför allt numera när de blivit mera tillgängiga genom att de tagits ut sin normala produktion. Särskilt gäller det de sk telekomuren som tidigare suttit i mobilbasstationer. De går att få tag på för femtio dollar, eller till och med för fyrtio. De är sällan trasiga, utan det handlar oftast om att rubidiumcellerna mörknat och kan behöva en duvning med värmepistol för att rubidiumet, som lagt sig på glascellernas yta och därför gjort dessa mörkare, ska smälta ihop till en klump igen.
Man får försöka avgöra hur mycket servicejobb man vill lägga ned, beroende på hur mycket man betalt för uret. Är det ett billigt 40-dollarsur kan det räcka med att ta nästa i högen. Men rör det sig om en större, dyrbarare rackmonterad enhet är det värt att anstränga sig lite mer. Dessa har bättre stabilitet och bättre brusvärden än ett enklare telekom-ur.
Nu ska vi se, den där ska ju in där… Men den satt ju där förut!
– Jaha, det där verkar ju inte vara så svårt, avslutar vi, medan Magnus desperat försöker få i en M2-skruv i mymetallhöljet.
– Nä, men det tar ju en liten stund att lära sig…
Läs mer
Om rubidium: https://en.wikipedia.org/wiki/Rubidium
Om hyperfina övergångar: https://en.wikipedia.org/wiki/Hyperfine_structure
Rubidiumur för amatörradio: http://www.ka7oei.com/10meg_rubidium1.html
Handboken till http://www.ham-radio.com/sbms/LPRO-101.pdf
Om mikrovågsgeneratorer med step-recovery-dioder: https://en.wikipedia.org/wiki/Step_recovery_diode
Om Allan-deviation: https://en.wikipedia.org/wiki/Allan_variance
De som bryr sig om tid har en email-lista som heter time-nuts@febo.com: https://febo.com/
Och här är en som bryr sig extra mycket om det, en man med vätemaser i källaren: LeapSecond.com, a web site dedicated to precise time & frequency. One man’s quest for the most accurate clock: http://leapsecond.com
Han är skojfrisk. Han byggde världens första atomdrivna armbandsur: http://leapsecond.com/pages/atomic-bill/
