Свободно бегущий рубидиевый стандарт + GNSS удержали возле UTC в пределах ±15 нс
Свободно работающий рубидиевый генератор дал остаток относительно UTC(OP) в пределах ±15 нс после вычислительной коррекции временных меток. GNSS в этой схеме раз в 16 минут измеряет уход часов, а линейная модель переносит поправку до следующего измерения. Результат получен для синхронизации нейтринного детектора с импульсами ускорителя, где интервалы между bunch составляют около 600 нс.
В журнале Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A опубликована схема привязки свободно бегущих атомных часов к UTC, рассчитанная на системы сбора данных в физическом эксперименте. Рубидиевый SRS FS725 с осциллятором PRS10 и магнитный цезиевый Oscilloquartz OSA3235B работали на собственной частоте и фазе. GNSS-приёмник использовался как редкий абсолютный измеритель, а коррекция применялась к временным меткам событий в реальном времени.
Приёмник сравнивал внешние 10 МГц и PPS атомного стандарта со шкалой GNSS Time и выдавал результат в формате CGGTTS примерно раз в 16 минут. Программный модуль хранил последние N измерений, линейно оценивал скорость ухода локальной шкалы и экстраполировал поправку до очередного обновления. Для рубидиевого источника тестировали окна от 10 до 30 измерений, для цезиевого выбрали N=100. Такой фильтр рассчитан на медленный систематический уход, сохраняя кратковременный фазовый шум самого атомного генератора в исходном виде.
Контроль проводился относительно UTC(OP), французской реализации UTC. Опорные 10 МГц и PPS доставлялись в лабораторию через T-REFIMEVE / White Rabbit, разность секундных импульсов измерял частотомер Keysight 53220A. За 14 суток испытания рубидиевого стандарта и около 80 суток испытания цезиевого остаток скорректированной шкалы укладывался в ±15 нс относительно UTC(OP). Стандартное отклонение составило 2.8 нс для Rb и 2.4 нс для Cs; выраженного долговременного дрейфа на графиках измерений не наблюдалось.
Исходный уход хорошо показывает, что именно компенсирует алгоритм. Рубидиевый PRS10 накапливал 100 нс примерно за сутки, цезиевый OSA3235B — примерно за 14 суток. Перед рубидиевой кампанией часы на несколько дней предварительно выровняли сигналом White Rabbit, затем перевели в свободный ход. Заявленные наносекундные результаты относятся к этому последующему режиму, а не к непрерывно дисциплинированному выходу генератора.
Схема предназначена для Hyper-Kamiokande: события в детекторе требуется сопоставлять с пучком J-PARC, проходящим 295 км. Spill пучка длится около 5 мкс, а соседние bunch разделены примерно 600 нс; целевой уровень абсолютной синхронизации задан лучше 100 нс. Коррекция меток позволяет удерживать эту привязку, не вводя GNSS-петлю непосредственно в опорный генератор.
Ограничение определяется и используемым GNSS-приёмником. При расхождении внешнего PPS и GNSS более чем на ±500 мкс он способен сделать скачок PPS на 1 мс. Для рубидиевого стандарта такой выброс требует детектирования и исключения из ряда измерений. Цезиевый источник с меньшим уходом удобнее для длительной непрерывной работы. Архитектура также требует, чтобы задержки вычисления и записи временных меток укладывались в возможности DAQ: в реализации на MIDAS при частоте событий 1 Гц часть записей пропускалась из-за dead time.
Работа развивает ранее опубликованную офлайн-демонстрацию для рубидиевого стандарта. Текущая версия добавляет применение оценки ухода непосредственно во время набора данных и проверку на двух классах атомных источников.