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Remote Time Transfer and Traceability Method, Device and System
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摘要:
为解决法定时间量值的远程传递问题，填补可溯源的时间标准及时间计量器具的空白，研究了远程时间溯源方法，参考原子时标国家计量基准（UTC(NIM)），利用GNSS时间频率传递方法，通过驯服铷原子钟、铯原子钟和氢原子钟，研制了远程时间溯源装置NIMDO，基于装置初步构建了远程时间溯源体系。通过多种实验验证，装置在远程端实现了一个高性能的时标，实时与UTC(NIM)驯服同步，相当于在远程端以一定的时间和频率偏差复现了UTC(NIM)，超过90%的时间NIMDO与UTC(NIM)的时间偏差优于±10 ns、频率偏差优于±1×10−13，在87%以上的情况时间偏差保持在±5 ns内。
Abstract:To solve the problem of remote transmission of legal time measurements and fill the gap of traceable time standards and time-measuring instruments, the remote time traceability method was studied, and the remote time traceability device NIMDO was developed by disciplining rubidium, cesium, and hydrogen atomic clocks with reference to the atomic time national primary standard (UTC(NIM)) and using the GNSS time and frequency transfer method, and a remote time traceability system was preliminarily constructed based on the device. Through various experimental verifications, the device achieves a high-performance time scale at the remote end and synchronizes with UTC(NIM) in real-time, which is equivalent to reproducing UTC(NIM) at the remote end with a certain time and frequency deviations, and the time deviation of NIMDO from UTC(NIM) is better than ±10 ns and frequency deviation is better than ±1×10−13 in over 90% of the time, and the time deviation stays within ±5 ns in more than 87% of the cases.
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0. 引言
天文学主要通过探测天体的辐射进行研究[1]。当天体的辐射到达望远镜时与探测器相互作用，探测器的测量信号是天体辐射量和探测器响应函数的卷积。得到天体辐射量之前需要得到精确的仪器响应函数。探测器的标定即由单能X射线源确定仪器响应函数的过程。
单能X射线标定装置是核探测器能量线性、探测效率、能量分辨等重要参数标定工作的核心。产生稳定的单能X射线束是开展精确标定的前提条件，也是国际上同类装置普遍面临的技术难题。产生单能X射线的方式主要有四种：放射性核素[2]、同步辐射布拉格衍射[3]、K荧光[4]和X光机布拉格衍射。其中基于X射线光机产生连续谱X射线，通过晶体布拉格衍射得到单能X射线，调节布拉格角可以获得能量连续变化的单能X射线，这种方法在探测器性能标定应用中方便有效、且成本低。由于其光束线出射方向与入射方向相同的结构优势，双晶单色器在国内外的单能X射线标定装置上得到了广泛的应用。但是在实际应用中，某些结构的原因导致双晶单色器存在一些稳定性差的问题，本文将进行稳定性的探讨与双晶单色器结构改进探究。
1. 双晶单色器
1.1 布拉格衍射
基于Bragg衍射原理的完整单晶作为能量色散元件广泛应用于X射线分光器件中，通过改变入射光线与衍射晶面间夹角(Bragg角)来选择不同波长光束，进行分光是单色器的基本原理[5-6]。布拉格衍射定理如图1所示：两排周期性分布的原子，组成了两个晶面。射线1和射线2分别入射到相邻的晶面上，并向各个方向散射。散射线束中1和2在AD面以后的光程也相等。因此，射线1A1'和2B2'的光程差为CBD = CB+BD = 2AB·sinθ = 2dsinθ。若这两射线同相位，则光程差CBD等于波长的整数倍，即2dsinθ = nλ。该式即布拉格衍射方程，式中，n为衍射级数；λ为波长；d为晶体的晶面间距即晶格常数；θ为布拉格角，即入射光线与晶面的夹角。单色化后的X射线能量E = n·hc/(2dsinθ)，式中，h为普朗克常数；c为光速。
如图2所示，单色器的核心是将光机的韧致辐射连续X射线谱（图2（a））单色化到单能X射线谱（图2（b））。
1.2 T结构双晶单色器
双晶单色器以布拉格衍射为理论依据，由转台、升降台、T结构和分光晶体构成[7-8]，如图3所示。
T结构是双晶单色器的核心，将两块晶体置于一个高精度转台上，入射X射线通过第一块晶体(简称“1晶”) 经布拉格衍射得到单能X射线，第二块晶体(简称“2晶”)也固定在高精度转台上，在高差固定结构的作用下使出射单能X射线相对于入射X射线的高度差保持不变且平行于入射X射线，从而在探测平面获得位置固定的光斑。根据布拉格衍射原理，只有与布拉格角相对应的能量的射线才在第一晶体晶面上发生衍射。T结构由二维调节系统组成，两者是垂直关系。电机1用来调节第二晶体投角方向，系统支撑点为柔性铰链的中心，工作时，会顶压与第二晶体的安装挡板，即给挡板一个向下的作用力，从而改变第二晶体的投角；同时，电机1旁边装有弹簧，它会给挡板一个向上的力，从而实现电机归位。由于晶体晶面变化角度很小，纳米甚至更小的量级，对电机精度、整体调节系统的机械精度和安装要求都很高。当两块晶体达到平行状态时在探测平面可以探测到单能X射线，装置的稳定性会直接影响两块晶体的平行度，进而影响出射单能X射线的稳定性。
1.3 实验测量结果
实验中对双晶单色器的稳定性进行了测量，使用LaBr3探测器测量了经双晶单色器出射的单能X射线注量随时间的变化，如图4所示。测得稳定性14.8%，从图4中可以看出明显的波动，这样的稳定性是无法满足探测器标定需求的。
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图 4 双晶单色器产生单能X射线稳定性测量结果Figure 4. Monochromatic X-ray stability generated by double crystal monochromator单能X射线的稳定性依赖于X光机和双晶单色器的稳定性。在与上述实验相同条件下测量X光机的稳定性，如图5所示。光机选用成熟的商业产品，有稳定的高压系统和冷却系统，其长期稳定性一般好于1.0%，用于X射线辐射剂量学的X光机长期稳定性都好于0.1%。
综上所述，基于此种T结构的双晶单色器装置由于结构原因，自身重量及铰链弹簧等因素的影响导致其出射单能X射线存在周期性变化，注量稳定性较差。由布拉格衍射原理出发设计的双晶装置要求两块晶体绝对平行才能有理想的单能X射线束流，在实际调节的过程中存在巨大挑战。
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图 5 光机产生韧致辐射X射线稳定性Figure 5. The stability of bremsstrahlung X-ray generated by X-ray machine2. 双晶一体切割结构(Channel-cut)
文献[9-12]中介绍了一种经典的双晶衍射结构——双晶一体切割结构（Channel-cut），是指在同一块晶体上切出两个用于布拉格衍射的晶面，得到平行的相同晶面指数的同时保证了两个衍射面的平行且稳定，此种方案可大大提高双晶单色器的稳定性。
为了验证Channel-cut的稳定性，设计了用于产生6～20 keV单能X射线Si（111）Channel-cut单色器，6 keV对应的布拉格衍射角度为19.24°，20 keV对应的衍射角为5.67°，设计尺寸如图6所示，图6(a)为计算得到的外观尺寸，图6(b)为实际加工得到的Channel-cut单色器。
在北京同步辐射装置成像站上进行了测试实验，测量了10 keV的能谱和单能X射线的注量稳定性，能谱测量结果如图7所示。稳定性好于0.5%@1 h，测量的波动主要来源为转台装置自身的震动、探测器的漂移等。
由于同步辐射具有极高注量率的特点，使得实验可以顺利进行，在注量相对较低的X光机上进行实验结果并不理想，因为测得的单能X射线计数率太低。由于机械加工精度的问题导致Channel-cut的两块晶体不可能完全平行，必然存在二晶衍射失谐的问题，而且这种缺陷是在X光机上实验时无法弥补的。如果能够在Channel-cut结果的基础上进行微调，必然能够提高单能X射线的注量。
3. 双晶单色器结构改进设计
设计了一种类似于Channel-cut的双晶单色器机械结构，如图8所示，两块晶体固定于该结构的两端，平行度主要依赖于确定两块晶体间距的铝条的加工精度。实验测量发现加工精度难以实现理论上的绝对平行，所以无法出射单能X射线，在此基础上进行了改进设计，将装置整体拆分加两个精密电机使2晶摆动和转动成为可调节部件。
改进后装置结构如图9所示，2晶一端作为铰链，通过调节电机触动器控制省力杠杆推动2晶另一端调整晶体角度，实现2晶晶面与1晶平行。
改进装置主要优点在于可在X射线实验前使用十字激光器调节精密电机，使装置在可见光范围条件下达到肉眼可见的平行，虽然与理论上的绝对平行尚有差距，可认为已接近Channel-cut的平行度。使用X射线进行实验时只需在该范围内进行微调即可实现单能X射线产生。同时，通过提高摆动精度的加长臂杠杆推动晶体摆动，使调整步幅更小，调整角度精度更高，更容易达到单能X射线注量最大值。2晶作为铰链的一端采用阻尼轴，减小轴向位移，可认为无间隙，保证了双晶的平行度。该双晶单色器采用竖直放置，角度调整的力矩和重力垂直，平行度调整不受重力干扰，排除了装置自身重力带来的影响，有助于提高稳定性。2晶卡槽框架设计保证晶体反射面与外结构平行，更换晶体后不需要大量时间重新调整平行度；整个结构为铝制结构，质量更小且更易于控制。为了使2晶可调节，卡槽是一个独立的部件，双晶晶面间距可以调节，单色器可产生单能X射线的能量范围相较于Channel-cut得到大大的改善。
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图 9 优化设计1.1晶卡槽; 2.2晶卡槽;3.控制摆动的精密电机；4.控制转动的精密电机；5.提高摆动精度的加长臂杠杆。Figure 9. The optimization of design双晶单色器结构测试实验装置如图10所示，X光机产生的韧致辐射X射线经屏蔽准直后穿过光阑入射到1晶上，在单色器后放置探测器测量能谱。测量结果显示改单色器可产生20～180keV单能X射线，单能X射线注量和稳定性得到大大提升。测量结果如图11所示。
双晶单色器改进设计后，首先在调试上更加容易，大大提高了探测器标定效率。其次，单能X射线注量率约提高了一个量级，最高可达105 cps，这对于提高探测效率标定准确性具有重要意义。最重要的是提高了单能X射线的注量稳定性，稳定性由改进之前的14.8%下降到1.0%以下，稳定性测量结果如图12所示，在该测量能量点得到的单能X射线计数率是4601 cps，调节光机管电流即可使单能X射线计数率达到105 cps。
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图 11 单能X射线测量结果及稳定性Figure 11. Measurement results and stability of monochromatic X-ray4. 结论
实验研究了双晶单色器的注量稳定性，发现原双晶单色器存在结构缺陷，自身重力、连接铰链等因素会影响单能X射线的稳定性。基于Channel-cut结构的启发设计了新型的双晶单色器结构并进行了细致的实验测试，测量结果显示新的双晶单色器在单能X射线能量范围、注量率以及注量稳定性等方面较之前的结构都有明显的提升。研究成果直接应用于探测器标定装置，对提高能谱型电离辐射探测器的标定准确性具有重要意义。
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图 5 NIMDO与铯钟的频率稳定度比较
Figure 5. Comparison of frequency stability between NIMDO and Caesium 5071A
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图 6 和平里院区NIMDO的日平均时间偏差
Figure 6. Daily mean time deviation of NIMDO at NIM Hepingli campus
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图 7 和平里院区NIMDO的日平均频率偏差
Figure 7. Daily mean frequency deviation of NIMDO at NIM Hepingli campus
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图 14 铷钟、铯钟和氢钟NIMDO经由GPS和BDS测量的时差值
Figure 14. Time differences of NIMDOs with Rudium, Caesium, and H-maser via BDS and GPS
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图 15 铷钟、铯钟和氢钟NIMDO经由GPS和BDS测量的频差值
Figure 15. Frequency differences of NIMDOs with Rudium, Caesium, and H-maser via BDS and GPS
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图 16 铷钟、铯钟和氢钟NIMDO经由GPS和BDS测量的频率稳定度
Figure 16. Frequency stability of NIMDOs with Rudium, Caesium, and H-maser via BDS and GPS
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图 17 铷钟、铯钟和氢钟NIMDO经由GPS和BDS测量的时间稳定度
Figure 17. Time stability of NIMDOs with Rudium, Caesium, and H-maser via BDS and GPS
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图 19 远程站与UTC(NIM)的溯源时差结果（16分钟间隔）
Figure 19. Traceability time differences between the remote stations and UTC (NIM) (16-min interval)
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图 20 远程站与UTC(NIM)的溯源频差结果（一天间隔）
Figure 20. Traceability frequency differences between the remote stations and UTC (NIM) (one day interval)
表 1 长基线NIMDO时间偏差统计
Table 1 Time deviation statistics of NIMDOs over longer baselines
NIMDO代码 观测点数 0<|**|<5 ns 5 ns<|**|<10 ns |**|>10 ns TS15 17192 16126 1066 0 （93.80%） （6.20%） （0.00%） TS17 16447 16108 339 0 （97.94%） （2.06%） （0.00%） TS23 15976 15522 454 0 （97.16%） （2.84%） （0.00%） TS24 16937 16091 846 0 （95.01%） （4.99%） （0.00%） TS26 17180 16878 302 0 （98.24%） （1.76%） （0.00%） 
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表 2 长基线NIMDO频率偏差（一天间隔）统计
Table 2 Frequency deviation statistics of NIMDOs over longer baselines
NIMDO代码 观测点数 0<|**|<5×10−14 5×10−14<|**|
<1×10−131×10−13<|**|
<2×10−13|**|>2×10−13 TS15 201 166 29 6 0 (82.59%) (14.43%) (2.99%) (0.00%) TS17 189 164 23 1 1 (86.77%) (12.17%) (0.53%) (0.53%) TS23 189 158 26 3 2 (83.60%) (13.76%) (1.59%) (1.06%) TS24 198 171 23 1 3 (86.36%) (11.62%) (0.51%) (1.52%) TS26 199 177 20 2 0 (88.94%) (10.05%) (1.01%) (0.00%)
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表 3 实验中使用的接收机
Table 3 Receiver employed in the experiments
接收机代码 型号 时间频率参考 GNSS系统 IM07 NIM-TF-GNSS-2J 铯钟(Cs clock) /铷钟(Rb clock) GPS TF07 NIM-TF-GNSS-3 铯钟(Cs clock) BDS和GPS IM13 NIM-TF-GNSS-3 氢钟(H-maser) BDS和GPS IM14 NIM-TF-GNSS-3 铯钟(Cs clock) BDS和GPS
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表 4 铷钟、铯钟和氢钟时差测量值统计
Table 4 Time difference statistics of Rudium, Caesium, and H-maser
NIMDO类型 观测量 0<|**| <5 ns 5 ns<|**| <10 ns 10 ns<|**| <15 ns 15 ns<|**| <20 ns |**|>20 ns IM07 GPS Cs 29523 28549 974 0 0 0 94.89% 5.11% 0 0 0 IM07 GPS Rb 4449 4100 349 0 0 0 91.94% 8.06% 0 0 0 IM13 GPS H 19462 18929 533 0 0 0 97.27% 2.73% 0 0 0 IM13 BDS H 13622 13179 440 3 0 0 96.75% 3.23% 0.2% 0 0 TF07 BDS Cs 7771 7253 518 0 0 0 93.33% 6.67% 0 0 0 IM14 BDS Cs 10392 9478 914 0 0 0 91.28% 8.72% 0 0 0
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表 5 铷钟、铯钟和氢钟频差（一天间隔）测量值统计
Table 5 Frequency difference (one day interval) statistics of Rudium, Caesium, and H-maser
NIMDO类型 观测量 0<|**|<5×10−14 5×10−14<|**|<1×10−13 1×10−13<|**|<2×10−13 |**|>2×10−13 IM07 GPS Cs 331 287 44 0 0 86.71% 13.29% 0 0 IM07 GPS Rb 55 36 16 3 0 65.45% 29.09% 5.46% 0 IM13 GPS H 235 192 40 3 0 81.04% 17.65% 1.31% 0 IM13 BDS H 153 124 22 7 0 81.06% 14.38% 4.6% 0 TF07 BDS Cs 88 67 15 6 0 76.14% 23.86% 0 0 IM14 BDS Cs 116 94 20 2 0 81.18% 16.95% 1.87% 0
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表 6 远程站与UTC(NIM)时差数据统计
Table 6 Time difference statistics between the remote stations and UTC (NIM)
远程站 观测
点数0<|**|
<5 ns5 ns<|**|
<10 ns10 ns<|**|
<15 ns15 ns<|**|
<20 ns|**|>20 ns IM04 123591 108764 10234 205 1074 3314 88.00% 8.28% 0.17% 0.87% 2.68% IM08 122621 111760 8631 467 987 776 91.14% 7.04% 0.38% 0.80% 0.63% IM10 123986 114884 6485 588 999 1030 92.66% 5.23% 0.47% 0.81% 0.83% TS15 56536 53580 1469 391 10 1086 94.77% 2.60% 0.69% 0.02% 1.92% TS17 33932 30399 2043 390 4 1096 89.59% 6.02% 1.15% 0.01% 3.23% TS18 13590 11591 1304 30 662 3 85.29% 9.60% 0.22% 4.87% 0.02% TS19 45231 39496 5713 0 22 0 87.32% 12.63% 0.00% 0.05% 0.00% TS20 30206 27060 491 683 3 1969 89.58% 1.63% 2.26% 0.01% 6.52% TS21 32348 29953 903 421 4 1067 92.60% 2.79% 1.30% 0.01% 3.30% TS22 26652 24741 421 370 2 1118 92.83% 1.58% 1.39% 0.01% 4.19% TS23 46963 44581 892 370 2 1118 94.93% 1.90% 0.79% 0.00% 2.38% TS24 29402 26124 1788 431 26 1033 88.85% 6.08% 1.47% 0.09% 3.51% TS26 30173 27408 1274 463 3 1025 90.84% 4.22% 1.53% 0.01% 3.40% TS27 23716 21195 845 448 135 1093 89.37% 3.56% 1.89% 0.57% 4.61%
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表 7 远程站与UTC(NIM)频差（一天间隔）数据统计
Table 7 Frequency differences (one day interval) statistics between the remote stations and UTC (NIM)
远程站 观测
点数0<|**|<5×10−14 5×10−14<|**|
<1×10−131×10−13<|**|
<2×10−13|**|>2×10−13 IM04 1445 966 348 98 33 66.85% 24.08% 6.78% 2.28% IM08 1337 958 258 82 39 71.65% 19.30% 6.13% 2.92% IM10 1431 1029 297 82 23 71.91% 20.75% 5.73% 1.61% TS15 662 558 86 13 5 84.29% 12.99% 1.96% 0.76% TS17 393 316 57 14 6 80.41% 14.50% 3.56% 1.53% TS18 159 126 24 7 2 79.25% 15.09% 4.40% 1.26% TS19 536 380 109 42 5 70.90% 20.34% 7.84% 0.93% TS20 351 305 35 9 2 86.89% 9.97% 2.56% 0.57% TS21 380 324 41 10 5 85.26% 10.79% 2.63% 1.32% TS22 314 268 34 7 5 85.35% 10.83% 2.23% 1.59% TS23 549 463 75 8 3 84.34% 13.66% 1.46% 0.55% TS24 342 281 54 5 2 82.16% 15.79% 1.46% 0.58% TS26 350 295 45 7 3 84.29% 12.86% 2.00% 0.86% TS27 274 219 39 9 7 79.93% 14.23% 3.28% 2.55%
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