原子钟技术与工程应用-高连山

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1.原子钟是什么？
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1.原子钟是什么？

为什么要选态（或原子制备）？
在一定的条件下（塞曼或斯塔克效应），原子存在一定
的能级差异，并且原子在不同能级间跃迁的几率是恒定 的；
原子能级间原子布局数不同，是做原子钟的必要条件； 制造不同的布局数，就需要对原子进行选态，选态的方
时间频率是十大计量专业之一
量子力学与电子学相结合； 最经常用到的两个基本参量；
计量复现准确度最高，多参量溯源源头； 一门十分活跃硕果累累的学科

时间频率计量的特点
基本单位复现的高度准确 测量的高精密
遥远传递与校准 应用相对论理论
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法有磁选态或光选态。
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1.原子钟是什么？

原子能级间跃迁由三种方式
第一种是吸收：
处于低能级的原子吸收一个光子跃迁到高能级；
第二种是自发辐射：
处于高能级的原子发射一个光子跃迁到低能级；
第三种是受激辐射：
高能级上的原子在入射的电磁场作用下发射光

塞曼与斯塔克效应
在磁场或电场中能级发生分裂或加宽(不能分辨)
附加能量:
δE E B mJ g J B B
超精细结构的塞曼效应 能级受到电子磁矩与核磁矩之间的磁相互作用,
以及两者又受到外磁场的作用 能级位移与分裂由Rabi-Breit公式描述
EF I 1/2,mF
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1.原子钟是什么？
在一定的条件下，原子存在一定的能级差
异，并且原子在不同能级间跃迁的几率是 恒定的。 两个重要的效应
塞曼效应 斯塔克效应
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1.原子钟是什么？
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1.原子钟是什么？
1、物理概念


所有隔离的相同元素的原子及其同位素都具有相同的结 构，这是量子力学表述的基本原理。 同样，这些原子及其同位素具有不同的能级，不同的能 级之间可能产生跃迁，跃迁的产生是通过原子内部的电 子和与外部电磁场相互作用。 原子跃迁频率ν和电磁场的关系：
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3.主、被动型原子钟
量子系统
选频放大单元
下变频单元
倍频及频率综合单元
相位检测单元
低通滤波单元
晶体振荡器单元
图1 主动型原子钟组成框图
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3.主、被动型原子钟
伺服电路 同步检波单元 量子系统
调制单元
E2 E1 / h



h为普朗克常数，E1、E2 为能级的能量。 如果E2>E1，能级差以频率为ν的光子能量转移至外界场； 如果 E2<E1, 原子从外界场中吸收光子能量。这就是已知 的受激发射和吸收。 这是所有原子钟的基础。这些频率是原子内部固有的。 这也是原子钟具有比如石英谐振器等具有更高准确性和 稳定性的原因。（微观世界的宏观体现）
频率稳定度 频率准确度
频率漂移率 输出频率和功率 频谱纯度 相位噪声
温度系数 磁敏感度 接口功能 功耗
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1.原子钟是什么？

原子钟的技术要求
非电性能要求
重量 体积
寿命 可靠性
H
1
1
1/2
0;1
121.5673
121.5668
1 420 405 751.770(3)
Rb
87
5
3/2
1;2
794.8
780.0
6 834 682 610.904 29(9)
Cs
133
6
7/2
3;4
894.3
852.1
9 192 631 770
Hg+
199
6
1/2
0;1
194.2
165.0
40 507 347 996.8416(4) www.casic203.com
环境适应性
温度
抗力学特性 磁 辐照
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1.原子钟是什么？
f
Frequency value constant in time
t
f
Closeness to the true value
f
t
Working continuously without failure
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5.原子钟关键技术

总体技术研究；



总体方案研究 整机热、机、电、磁以及相应接口技术研究
量子系统研究；


量子系统物理机理研究； 真空、光、材料特性研究 微波腔研究
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5.原子钟关键技术

低噪声技术研究




电子总角动量量子数J：
表示与轨道角动量和电子自旋角动量的矢量和有关的量， L 1/ 2 它一般只取值为L＋1/2或；
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1.原子钟是什么？

核自旋量子数I：
表示与原子核中质子和中子的自旋特性有关的量，一般
取1/2的奇数倍。


时间频率的基、标准， 整机和部件技术性能高。

集多学科技术于一身；

原子物理、量子力学、微波技术、电子学、真空、热、 磁、光（激光）、材料力学、ＥＭＣ等
研制周期长； 调试、测试周期长。

时间长，投入大；



可靠性高

守时； 空间应用； 通讯
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2. 原子钟的分类





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主动型和被动型 微波频标H、Rb、Cs、和光频标、 新型频标 实验室与工程 大型和小型 空间钟和地面钟 冷原子钟和热原子钟 基准钟和工作钟 军用与民用
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4.主、被动型原子钟

原子钟分为自激（主动）型和被激（被动）
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1.原子钟是什么？

原子钟是以原子（或分子）等内部量子跃迁 发射或吸收的频率为参考的频率标准。 根据波尔理论，原子（分子）在能量分别为
E1和E2两个能级间发生跃迁时，将吸收或发

射频率为ν的光子。由于原子（和分子）内 部状态不易受外界干扰，所以这种频率很稳 定。

原子的能级由光谱学符号n2M+1SJ表示，S表示基态 电子层，有时省略n；子能级可用量子数F表示； 超精细能级可用（F，mF）表示。
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1.原子钟是什么？
Atom (or ion)
Atomic Mass n I F λ D1 ( nm ) λ D2 ( nm ) ν0 ( Hz )
型两类。前者以量子系统产生的受激发射 振荡频率作为参考，用锁相方式锁定作为 本振信号的频率，如氢激射器、铷激射器 等；后者以量子系统受外加辐射场激励吸 收的共振谱线做鉴频，用锁频方式把外加 激励场的频率锁定在共振谱线的中心频率 上，如铯原子束频标频标、铷气泡式频标、 被激型氢原子钟等。
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2
2
6
6 10
1
2 6 1
电
子
20Ca 38Sr
70Yb
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2 2
2
2 2
2
6 6
6
2 2
2
6 6
6
2 10
10
双 6
6 10 14
2
2
2
2 6 2
电
子
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1.原子钟是什么？
基态
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激发态
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与原子谱线信噪比、原子谱线宽度关系重大
Leabharlann Baidu
长期频率稳定度决定于物理参量随时间变化， 没有公式可以表征
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5.原子钟关键技术

提高频率稳定度的主要途径
提高信噪比
采用选态或制备原子态技术，增大原子跃迁信
号强度； 采用光检测方法，提高检测灵敏度； 优化系统设计，提高信噪比
1.原子钟是什么？


原子的能级用光谱学符号（如62S1/2）表示，它由 下述几个量子数表示。 主量子数n：
描述电子轨道平均半径；

轨道角动量量子数L：
表示与电子围绕中子的运动的状态有关的量，为简化分
析，L只取0（表示基态）和1（表示激发态）两个值；

电子自旋量子数M：
表示电子自旋的方向的不同，一般只取值为1/2；
1.原子钟是什么？
物理概念
原子核 = 6质子+6中子
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1.原子钟是什么？

频标相关原子的电子结构
1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f 5s 5p 6s
壳层
1H
1
单
37Rb
55Cs
2
2
2
2
6
6
2
2
6
6
10
10
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1.原子钟是什么？

频率准确度
1E-6
1E-11 1E-12
1s/11.57d 1s/3171years 1s/31709.8years 1s/30,000, 000years
1E-15
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低噪声频率合成和频率变换技术研究； 低噪声检测技术
精密控制技术


精密控温技术 环路优化技术
提高MTBF 长寿命

可靠性

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5.原子钟关键技术

提高频率稳定度的主要途径

常用的被动型原子钟的短稳公式
K y ( ) K ( S / N ) 0 ( S / N )Qa

原子的总角动量量子数F：
表示与电子云角动量和原子核角动量矢量和有关的量，
为简化分析，它只能在范围内取整数值；

磁量子数mF：
一个均匀的静态磁场决定了原子的量子化方向，使精细
能级分裂成许多超精细子能级，子能级个数为2F+1个， 即磁量子数mF的取值为-F，-F＋1，…F－1，F。这就是 塞曼效应。
4mF E E mF g I B B (1 x x 2 )1/2 2(2 I 1) 2 2I 1
x ( g J g I )
B B E
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倍频及频率综合单元
低通滤波单元
压控晶体振荡器单元
图2 被动型原子钟组成框图
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原子频率基准准确度约每10年提高一个数量级
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4.原子钟研究研制特点

高的技术指标；
原子钟技术与工程应用
高连山
航天二○三所
目 录
1.原子钟是什么 2.原子钟的分类 3.主、被动型原子钟 4.原子钟研制的特点 5.原子钟关键技术 6.传统三样氢、铷、铯原子钟 7.原子钟的工程应用
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1.原子钟是什么？


原子钟是时间频率的（基）标准
t
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1.原子钟是什么？
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压缩线宽
Ramsey分离振荡场技术 囚禁技术 冷却技术
选择光波段的共振跃迁信号
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5.原子钟关键技术

精密控制技术

频标的频率控制环路可降低受控振荡器原始频偏剩余频 偏： 1 k G( ) sd MK a K p K F K Sd K 1 G( ) 鉴频率Sd、放大器增益K…均是频率函数 环路增益的频率特性（相当于低通滤波器）
子跃迁到低能级，该光子与电磁场有着相同的 相位，辐射场得到放大。
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1.原子钟是什么？

原子能级间跃迁由三种方式
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1.原子钟是什么？

原子钟的技术要求
电性能要求