上海天文台氢钟的研制现状及其应用前景

中　国　科　学　院　上　海　天　文　台　年　刊

2003年　第24期 ANNAL S OF SHAN GHAI OBSERVA TOR Y ACADEMIA SIN ICA　No.24,　2003上海天文台氢钟的研制现状

及其应用前景

贯士俊 翟造成

(中国科学院上海天文台,上海200030)

提 要

介绍了上海天文台氢钟的研制现状及其应用情况,展望了其潜在应用前景。对目前氢钟小型化国内外研究现状、我国进行小型氢钟的研制方案、拟解决的关键问题也进行了论述。同时给出了

小型氢钟的预期性能指标。

主题词:氢原子钟—研制—小型化—应用前景

分类号:P111.33,TH714.1+4

1　引 言

在空间技术飞速发展的今天,飞行器的测控与制导、通讯和数据传输、地面目标的定位等领域都需要精密的时间和频率。高精度的原子钟已成为这些领域中不可缺少的设备。

时频技术在导航定位、基站的时间同步、通讯网的时间同步等领域有广泛的应用。现代科学技术的发展向时频技术提出了更高的要求。氢原子钟是建立时频系统的基础之一,高精度的氢原子钟具有其它时间频标无法比拟的优良短、中期稳定度,它可以守时,也能在对时间要求极高的VLB I试验中作为时间标准。小型化也是目前氢原子钟的发展方向。

2　上海天文台氢钟的研究现状[1]

上海天文台在1970年开始氢钟研制,于1972年研制成功我国第一台氢钟。1985年又开始研制新一代氢钟———集物理部分和电气部分为一体的实用型氢钟,于1987年研制成功。这种氢钟由于性能指标和使用效果较好,从1989年开始,已先后小批量生产了近30台,用于中国VLB I网、卫星测控、通信、计量等国家重要科学试验项目中,并曾出口澳大利亚。

早在20世纪80年代末,上海天文台就跟踪国际上空间氢原子钟的发展趋势,开展了小型氢原子钟的研究,探索了不同的小型谐振腔模式,如电容负载腔和TE111谐振腔和磁控管型腔。

2002年11月14日收到.

图1　实用型氢钟与小型被动型氢钟样机的比较

Fig.1　The appearances of an applied active Hydrogen

maser and a compact passive hydrogen maser

先后研制成功反馈振荡型小氢钟和重量仅40kg重

的小型被动型氢钟。

图1为上海天文台研制的实用型氢钟与小型被

动型氢钟的照片。

3　氢钟的应用展望

3.1氢钟在国际原子时(T AI)系统的应用现状[2]

每年参加T AI有权重贡献的原子钟有12～15

种类型,在1993年以前,大多数为老型号小铯钟。

1991年以后,优良的氢钟和高性能小铯钟

(HP5071A)逐年增加进来,到1993年这两种类型的

原子钟对T AI的权重贡献开始显示了明显的优势,

近几年牢固地占据主导地位。表1为近几年参加

T AI的原子钟数量和平均权重变化的比较。

表1　近几年参加TAI的原子钟数量和权重比较

T able1　Number and w eight of the atomic clocks attended TAI these years

年　份1998年1999年2000年平均

钟数/台279265277274

每月参加TAI归算钟数/台≈187≈180≈182≈183

年内连续运转钟数/台145132117131

连续运转满权钟数/台10211088100

其中:(1)高性能铯钟86816276

(2)氢钟9161313

(3)其它钟7131311

占TAI权重比例

(1)高性能铯钟0.7490.7620.7070.739

(2)氢钟0.1260.1270.1650.139

(3)其它钟0.1250.1120.1270.122

钟平均权重(%)

(1)全部钟0.5400.5530.5490.547

(2)高性能铯钟0.6470.6480.6100.635

(3)氢钟0.4730.5260.4730.491

由表1可以看到,在各种原子钟中,高性能HP5071A小铯钟和氢钟的数量和权重贡献分别为第1、2位。一致公认这两种优良原子钟组合是建立原子时最理想的选择。承担美国GPS 系统时间标准以及对国际原子时贡献举足轻重的美国USNO,无论原子钟数量还是性能指标均处世界领先水平,每年约有80台钟参加守时,大部分是高性能小铯钟和氢钟,其中氢钟有

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第24期 上海天文台氢钟的研制现状及其应用前景

13台之多。而承担俄罗斯国家标准时间任务的俄罗斯无线电导航与时间研究所的标准时间系统中全部应用氢钟,都达优良水平。

由上可见,氢钟作为守时钟源在原子时系统的建立和保持中具有重要的地位,且铯-氢组合是国际公认的最佳方案。

3.2国产氢钟的应用[1]

卫星导航定位系统,实质上是卫星测距(Ranging)和定时(Timing)系统。无论在卫星上还是在地面的主控站和监测站都要配备高精度的原子钟。使用高性能原子钟保持它们之间始终高精度同步是卫星导航定位系统的关键和基础。由于原子钟在系统中长期连续运转,因此,钟的可靠性、长期稳定度和漂移率是需要考虑的主要技术指标。为了提高检测精度及信号质量,标准的短、中期稳定度也应很好。由此可见,卫星导航系统要求全性能指标都很好的时频基准源。纵观目前国内氢、铯、铷等各种实用型原子钟,氢钟是具备这些要求的最好标准。

上海天文台近年研制的氢钟性能指标如表2所示,由表中可见,绝大部分指标都比商品小铯钟HP5071A要好。

表2　国产氢钟的性能指标

T able2　Function performance and index of the homemade hydrogen clocks 性　能指 标

稳定度6×10-126×10-138×10-145×10-142×10-141×10-141～2×10-14[注] (100ms)(1s)(10s)(100s)(1000s)(1h)(1d)

准确度　±5×10-13

重现性　关机24小时后再开机±8×10-14车载运输后再开机±2×10-12

温度灵敏度 1.4×10-13/℃-4.0×10-14/℃-1.8×10-14/℃

(1)20～30℃30～35℃35～25℃

温度灵敏度

(2)

　24h内从20℃→35℃→20℃最大频率变化5.3×10-13/℃

磁场灵敏度　地磁影响5×10-14交变磁场影响1.4×10-14

电源

(220V±20%)

　对稳定度的影响<4×10-13

相位噪声/dBc-100-120-140-150-150 (5MHz)(1Hz)(10Hz)(100Hz)(1000Hz)(10000Hz)

频率分辨率　±7×10-14

　注:长稳需长时间无干扰连续运转方能得出。几天的测试不能得出可靠结果,数据仅供参考。

在此基础上研制的氢钟,其性能指标有明显改善,如表3所示,其稳定度指标有显著提高。更重要的是经改进后,静态真空度明显好转,工作流量也大为下降,钛泵的寿命将大为增加,从而提高了可靠性。

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