原子钟技术与工程应用-高连山
原子钟的几种常见类型

原子钟的几种常见类型摘要 本文按出现的时间顺序介绍几种常用原子钟(光谱灯抽运铷原子钟、光谱灯抽运铯原子钟、磁选态铯原子束钟、激光抽运铯原子束钟、激光冷却冷原子喷泉钟、积分球冷却原子钟)的基本原理。
原子钟是利用原子或分子的能级跃迁的辐射频率来锁定外接振荡器频率的频率测量标准装置的俗称,通称为量子频率标准或原子频标。
其工作原理可用图1来描述:图1一个受控的标准频率发生器产生的信号经过倍频和频率合成转换成为频率接近于原子跃迁频率的信号,激励原子产生吸收或受激发射的频率响应信号,呈共振曲线形状,称为原子谱线,其中心频率即原子跃迁频率为ν0,线宽为Δν。
若经过转换的受控振荡器频率与原子跃迁频率不符,原子做出的响应信号通过伺服反馈系统来矫正振荡频率,直到使其与原子频率符合为止。
这样就使受控振荡器频率始终稳定在原子跃迁频率上,从而实现使其振荡频率锁定于原子跃迁频率的目的。
光谱灯抽运铷原子钟 光抽运汽室频标用碱金属原子基态两个超精细结构能级之间跃迁的辐射频率作为标准频率,它处在微波波段。
在磁场中,这两个能级都有塞曼分裂,作为标准频率的跃迁是其中两个磁子能级m F =0之间的跃迁,它受磁场影响最小。
若用合适频率单色光照射原子系统,使基态一个超精细能级上的原子被共振激发,而自发辐射回到基态时可能落到所有能级,原子就会集中到一个基态能级,极大地偏离玻尔兹曼分布,这就是光抽运效应。
这里选择抽运光起着关键作用。
在20世纪60年代初,激光器刚发明尚无法利用,唯一可用的共振光源是光谱灯。
一般光谱灯是由同类原子发光,它的光谱成分能使基态两个超精细能级上的原子都被激发,因而不能有效地实现选择吸收,起到光抽运作用。
幸好对铷原子,可以有一个巧妙的办法。
铷原子有两种稳定同位素:Rb 85和Rb 87,其丰度分别为72. 2%和27. 8%。
它们各有能级间距为3036MHz 和6835MHz 的两个超精细能级,其共振光的频率分布如图2所示。
辽宁省沈阳市南昌中学2023—2024学年八年级下学期第一次月考语文卷

2023-2024 学年度上学期八年级语文学科第一次月限时性作业(10月8日)一、积累与运用(15 分)1.下列词语中加点字的字音、字形完全正确的一项是()(2分) A.要塞.(sài) 教诲.(huī) 躁.热(zào) 眼花缭.乱(liáo) B.篡.改(cuàn) 翘.首 (qiào) 畸.形(jī) 深恶痛急.(jí) C. 仲.裁(zhòng) 绯.红(fēi) 黝.黑(yǒu) 杳.无消息(y āo ..) D. 悄.然(qiāo) 诘.责(jié) 胆怯..(qiè) 震聋.发聩(zhèn) 2. 依次填入下面语段横线处的词语最恰.当的一项是()(2分)与梅兰荷菊相比,妩媚的桃花似乎少了 的气节;与竹松柏杨相比,逐水的桃花又似乎少了守住一方的 , ,它打开了一年的时光宝盒,捧出了一个季节,它 ,照亮了整个春天,也照亮了诗人们或黯淡或忧伤的脸。
A. 洁身自好 宁静 所以 脉脉含情B. 洁净自守 宁静 所以 灼灼光华C. 洁身自好 坚定 但是 脉脉含情D. 洁净自守 坚定 但是 灼灼光华3.下列各项中分析正确的一项是( ) (3分)所谓特写,本是摄影、电视、 电影的一种常用手法,①以增强艺术表现力,②使之放大占据整个画面....③指拍摄人或物的某一部分,④形成强烈视觉效果。
新闻特写,是采用类似于特写的手法,以形象化的描写作为主要表现手段,截.取.新闻事件中最.具有价值、最生动感人....、最富有特征的片段和部分予以放大,从而..鲜明再现典型人物、事件或场景的一种新闻体裁。
新闻特写兼有新闻和.文学的特点,⑤但由于其强调新闻性......、时效性和真实性,所以更接近于通讯体裁。
所以,消息和新闻特写并不完全相同。
A.加点的词语“截取”是动词,“最”是副词,“和”是介词。
B.“整个画面” “最生动感人”是偏正短语, “强调新闻性”是补充短语。
下一代星载原子钟的新发展

下一代星载原子钟的新发展翟造成;李玉莹【摘要】高性能原子钟尤其是星栽原子钟,在卫星导航定位系统中起着非常重要的作用.卫星导航定位系统的更新和发展要求更高精度、更小型化的新型星载原子钟.介绍了新物理原理和先进技术以及在新一代卫星导航定位系统和空间科学实验中有应用前景的新型原子钟的产生、发展以及它们目前的研究进展.【期刊名称】《全球定位系统》【年(卷),期】2010(035)005【总页数】5页(P1-5)【关键词】卫星导航定位系统;新型星载原子钟;稳定度【作者】翟造成;李玉莹【作者单位】中国科学院上海天文台,上海200030;中国科学院上海天文台,上海200030【正文语种】中文【中图分类】TN967.10 引言传统铷原子钟和铯原子钟在卫星导航定位系统中作为星载原子钟已经获得重要应用。
目前GPS和GLONASS系统都在实施卫星“现代化”计划和第三代卫星计划。
这些升级和新建的系统对星载钟的要求更高,如“Galileo”系统的星载钟要求满足3×10-12τ-1/2的频率稳定度,其最好的稳定度“平底”为1×10-14。
这样的稳定度指标,以上所述两种传统的星载原子钟(Rb和Cs)难以达到。
近年来,随着激光冷却与囚禁原子技术发展,以及新物理原理的应用,新型原子钟技术的发展十分迅速,一方面人们在探索性能更高的标准;另一方面努力寻求小型化的新途径。
因此,为了满足高性能卫星导航定位系统的发展,与这些导航系统有关的国家都纷纷实施研制开发新型星载原子钟计划。
我们将介绍最有希望成为下一代星载原子钟的新产品和它的最新进展。
1 星载原子钟的使用现状目前美国GPS和俄罗斯的GLONASS系统的星载原子钟,全部采用两种传统原子钟——谱灯光抽运Rb原子钟和磁选态Cs原子钟,在新建卫星导航定位系统中,如我国的“北斗”,欧盟的“GALILEO”,也都首选传统的Rb原子钟作为星载钟。
这两种传统星载原子钟现已实现3×10-12 τ-1/2的稳定度,这差不多已是这种标准的极限,很难提高。
短稳标准高Q值超导腔的研究

短稳标准高Q值超导腔的研究王暖让;吴琼;杨仁福;年丰;高连山【摘要】针对频率标准用超导腔的设计,通过理论分析及编程计算得到了影响微波腔指标的参数,并对不同温度下微波腔的品质因数(Q值)进行计算得到了温度变化曲线,通过此曲线可以确定达到指标所需要的温度.所设计的微波腔参数为:工作模式为TM010模式,直径D为60mm,高度1为50mm,频率为4.4GHz,Q值在液氦温度4.2K时达到3.9 × 107,在减压降温到2 K时达到1.9×109,实验结果与计算结果吻合.%To design a superconducting cavity with high quality factor for frequency standard, the parameters that affect the ability of the cavity are all achieved through theory analysis and computer program.A curve through which the temperature can be achieved for the aim is got through calculating the quality factor in different temperature.The parameters of cavity are as follows: the mode is TM010, the diameter is 60 mm, the height is 50 mm, the frequency is 4.4 GHz, the quality factor is 3.9 × 107 and 1.9 × 109 when the tem perature is 4.2 K and 2 K, respectively, which is close to the calculation.【期刊名称】《计量学报》【年(卷),期】2011(032)001【总页数】5页(P70-74)【关键词】计量学;频率标准;振荡器;低温学;超导腔;品质因数【作者】王暖让;吴琼;杨仁福;年丰;高连山【作者单位】北京无线电计量测试研究所,北京,100854;北京无线电计量测试研究所,北京,100854;北京无线电计量测试研究所,北京,100854;北京无线电计量测试研究所,北京,100854;北京无线电计量测试研究所,北京,100854【正文语种】中文【中图分类】TB9391 引言超导腔稳频器(SCSO)具有极高的Q值(107~1011)及非常小的温度系数,因而其短期频率稳定度远远超过了传统原子钟(氢钟、铷钟、铯钟等),可以达到10-15~10-16/t (1 s<t <1 000 s)[1,2],是当前最高的短稳(1 s<t <100 s)标准。
星载铷原子钟物理部分热设计

de in r q ie n s sg e u r me t.
K e o ds S a e b r e Ru i i m tmi lc P y is p c a e Th r ld sg y w r p c on b d u ao c co k h sc a k g e ma e in
21 0 0年 1 2月
宇航 计 测技 术
J u n l f t n u i t l g n a u e n o r a r a t Me r o y a d Me s r me t o As o c o
De c., 01 2 0 V0 . O. . 1 3 No 6
第3 0卷
YAN W e g Z o I Ya - n HAN J n C i g z o g ・ i G n UIJn ・h n -
Ab t a t Ph sc a k g s a mp ra tp r o pa e b r e r b d u ao c co k,t e ma — sr c y is p c a e i n i o t n a fs c o n u i i m tmi l c t h r lde
迁 信 号对 C场 的 敏感 性 将 它 们 排 出锁 相 环 路 捕 捉
铷原 子钟 的工作 原理 框 图见 图 I 。它 由铷 原子
钟 物理部 分与 电路 部分 组 成 , 原 子钟 物 理 部 分作 铷
为鉴频器 提供参 考 频率 , 电路 部 分 相 当 于一 个频 率
锁定 环路将 压控 晶振 的输 出频 率锁 定在铷 原子 钟物
带 以外 ; 慢波 线 圈为原 子跃迁 提供激 励 的微波 信号 。
铷 原子钟 物 理 部 分 是 星 载 铷原 子 钟 的关 键 部
北京大学科技成果——小型化高稳定度光频原子钟

北京大学科技成果——小型化高稳定度光频原子钟项目简介
小型化高稳定度光频原子钟是一项结合小体积和高稳定度优点的时频计量科学仪器设备,性能指标超越传统微波原子钟,基于创新性的研究方案,克服了光晶格钟和离子光钟普遍存在的体积庞大、系统复杂的问题,具有巨大的应用前景和产业化能力。
该项目已实现基于钙、铷、铯不同原子体系的小型化高稳定度光频原子钟。
在钙原子方面,创新性提出热原子能级转移探测方案被国际著名研究单位广泛引用效仿。
在铷、铯原子方面,通过与国内科研机构的项目合作,实现了研究成果处于国际先进水平的小型化高稳定度光频原子钟。
应用范围
小型化高稳定度光频原子钟不仅可以被广泛应用在原子钟传统应用领域,如高速通信网络时间同步、全球卫星导航定位系统、量子精密测量与计量等高端基础科学研究等领域,还可以为下一代通信网
络提供高性能高稳定的时频参考基准,促进国家新一代信息技术战略布局实施。
项目阶段
在国家部委重点项目的支持和创新性研究成果的支撑下,结合良好的研发基础和优秀的技术及管理团队,该项目已实现多套基于钙、铷、铯不同原子体系、不同波长的小型化高稳定度光频原子钟,且实现铷、铯原子小型化高稳定度光频原子钟的产品化,具备成熟的产业化能力,为下一代通信网络提供高性能的时间频率参考。
知识产权
已申请相关专利。
合作方式
合作开发、技术转让、技术许可。
高精度驯服铷原子钟在水电厂的应用

2 白山发 电厂概 况
白山发 电厂位于吉林 省境 内, 松花 江的上 游 , “ 厂 、 由 一 两坝 、 四站 ” 成 , 东北 电网中担负着调 频 、 组 在 调峰和 事故 备 用 的重要任务 。白山电厂总装机容量 20万 k 白…一 、 0 W, 二 期 电站安装 5台单机容量 3 O万 k 的混流式水轮发电机组 , W =期 电站安装 2台单机 1 三 5万 k 抽水蓄能机组 , W 下游 3 m 9k
校 时信 号 1P P S和 串 口信号消失 , 子钟 即可 提供标 准 的时 原 间信号输 出。
失 或接收模 块发生 故障 ,卫 星时钟就 不能可 靠输 出高精度 的对 时信 号。铷原子钟具有很 高的时 间稳定性 , 以保 持长 可 时 间的时间准确度 , 但其基准需 要校准 。本文利用高精度 的
中图分类号 :P 7 T 82
文献标识码 : B
文章编号 :6 2 5 8 ( 0 2 0 — 14 0 17 — 3 7 2 1 )3 0 0 — 2
0 引 言
随着信息技 术 的不 断进 步 ,以计 算机技 术和通 信技术 为基础 的 自动化装 置得到 了广泛应用 。各种 自动化 监测装
部 1P P S脉冲信号 和标准 时间信号 T XD,通过驯 服电路 , 使 得铷原 子钟 的 1 P P S脉冲输 出不 断跟踪外部 输入 的 1P P S脉
冲信号 。驯服原 理j 网 1 H 1 所示 , 一般采用卫 时钟接收机 的 1P P S输 出作 为 铷 原 子 钟 的 输 入 参 考 标 准 ,铷 原 子 频 标 F 一60 E 5 5 A输 出 的 1MH 0 z经分 频 得 到 的 1 P P S信 号 参 考 信 号在鉴相 器中进行 比较 ,将二者 的相位 蔗送 到处理 器 巾
空间冷原子钟及其科学应用

载人航天 2 1 年第 1 01 期
空 间冷原子钟及其科学应用
吕德 胜 刘 亮 王 育 竹
( 中国科 学 院上海 光 学精 密机 械研 究所 )
摘 要 空 间冷 原子 钟是 利 用 空间微 重 力环 境 实现 的喷 泉 冷原 子钟 。作 为 空 间精 度 最
高的频 率标 准 ,在微 重 力环境 下 ,原子 和 微 波相 互 作 用 时 间的增 加 将极 大提 升 冷原 子钟 的 稳 定度 。 简述 了空 间冷原 子钟 原 理 ,介 绍 了基 于 空 间站 的 高精度 冷原 子钟 和 双 向微 波 传输 系统在 高技 术 和基 础物 理 方面 的应 用。
4 7
载人航天 2 1 年第 1 01 期
振 荡器
成果 应用
比一 定情 况下 , 得 的鉴 频谱 线越 窄 , 获 原子 钟性 能就 越好 。图 1b和图 1c说 明了原子 与单个 微波 腔 和 - -
号输出
a: 校准信 号 )
分离微 波 腔作用 情 况下取 得 的鉴频 谱 线宽度 。可 以 看 出 ,原 子和微 波 相互作 用 时 间越 长 和谱 线谱 线宽 度是 反 比关 系 。 目前一般 商 品原子 钟 都是利 用 热原
原 子 和 微 波相 互 作 用
j ) 固 :
—
鉴频 谱线1
子样 品 , 热运 动速 度一般 在 每秒几 百 米 , 用 激光 其 利 冷却 后 的原 子 样 品 热 运 动 速 度 一 般 在 每 秒 几 个 厘
的活动 范 围越 广泛 , 对计 时标 准 的要 求 就越高 。 目前 投人 应 用 的精 度 最 高 的原 子 钟是 喷 泉 钟 , 各 国喷 泉钟 实 现 国际秒 定 义 准确 度 在 (.~)1 06 3x 0 s 之 间f 1 。喷泉 钟有 如此 高 的精度 主要 原 因是激 光 冷 却 技术 的应 用 , 以前 的铯束原 子 钟相 比 , 和 冷原 子 喷
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
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)
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。
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
第 1 页
中国航天科工集团二院203所
1.原子钟是什么?
原子钟是时间频率的(基)标准
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)
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。
第 26 页
中国航天科工集团二院203所
中国航天科工集团二院203所
第 9 页
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。
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
第 2 页
中国航天科工集团二院203所
第 8 页
中国航天科工集团二院203所
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:
法有磁选态或光选态。
第 15 页
中国航天科工集团二院203所
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
t
第 20 页
中国航天科工集团二院203所
1.原子钟是什么?
第 21 页
中国航天科工集团二院203所
1.原子钟是什么?
第 22 页
中国航天科工集团二院203所
1.原子钟是什么?
第 23 页
中国航天科工集团二院203所
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
第 34 页
中国航天科工集团二院203所
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)
环境适应性
温度
抗力学特性 磁 辐照
第 19 页
中国航天科工集团二院203所
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
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
中国航天科工集团二院203所
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;
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
第 18 页
中国航天科工集团二院203所
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
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
第 27 页
中国航天科工集团二院203所
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
第 10 页
中国航天科工集团二院203所
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
第 11 页
中国航天科工集团二院203所
1.原子钟是什么?
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
第 32 页
中国航天科工集团二院203所
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。
中国航天科工集团二院203所
第 7 页
1.原子钟是什么?
Atom (or ion)
Atomic Mass n I F λ D1 ( nm ) λ D2 ( nm ) ν0 ( Hz )
与原子谱线信噪比、原子谱线宽度关系重大
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
第 33 页
中国航天科工集团二院203所
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
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
第 12 页
中国航天科工集团二院203所
1.原子钟是什么?
第 13 页
中国航天科工集团二院203所
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