原子钟频率标准
原子钟频率标准 ppt课件
原子钟频率标准
• 频率稳定度—阿伦偏差（Allan Deviation）:描
述输出频率受噪声影响而产生随机起伏程度的量，在 数学上用Allan(阿伦)方差的平方根值来加以表示。
其主要的计算公式为：
y()
1 f0
m (fi1fi)2 i1 2m
原子钟频率标准
原子钟频率标准
Frequency Stability
原子钟频率标准
• 测量和测试行业
– 研究所 – 企业
• 生产行业
– 电信部门 – 航空电子设备，导航设备制造企业 – 其他电子生产企业
• 服务行业
– 广播与电信网络运营商/安装商 – 军方 – 独立的校准/维护承包商
原子钟频率标准
移动时间 同步网分
级
一级节点 二级节点
客户端
节点时间同步链路 客户端时间同步链路
选态磁铁
可控震荡器频率与铯的共振 频率相同。
外部受控振 荡器
原子束 铯束管
原子钟频率标准
2. 光抽运铯钟(法国
LPTF）：
第一光学
3.
在光抽运铯束频标
作用区
中，利用激光（第一光学区）铯炉
外部受控振 荡器
对铯束照射，使得不同能量
态的原子发生跃迁达到统一 的能量态。再利用谐振腔的 受控外部震荡器对铯束管中 的铯原子加以作用，形成能 级跃迁。最后发生跃迁的原
美国Symmetricom MHM- 2010
1.5×10-13 5×10-14 1.3×10-14 3.2×10-15 3×10-15 3×10-15
1×10-15 1×10-14/高斯 Cavity frequency switching
1×10-14 3×10-14/高斯 Cavity frequency switching
铷原子频率标准
铷原子频标基于铷原子能级跃迁结合光抽运技术形成的铷原子振荡器。
由晶体振荡器(VCO)输出的信号经过倍频综合后得到铷原子谐振器相关的微波激励信号。
谐振器将该信号相关处理(铷原子跃迁判定)后产生误差信号，再经伺服电路反馈给压控晶体振荡器，使压控晶振频率锁定在铷谐振器的中心频率，从而实现以铷原子跃迁为参考的晶体振荡器。
铷原子钟溯源同步到GPS卫星铯原子钟上，输出频率几乎没有漂移，所以不需送上级计量部门进行周期校准，性能接近铯钟，但却远远低于铯钟的价格，而且不存在铯钟那样铯束管寿命短需要高成本更换的问题。
铷原子钟非常适合应用于SDH数字同步网的1，2级节点时钟，为电力、电信、广电、时统、计量校准、雷达设备等提供高精度的时间和频率基准。
主要特点1内置铷振荡器2.日平均频率准确度<2×10P-12P3.时间实时显示4.驯服、保持自动切换5.GPS失锁后依靠铷钟高精度守时6.低相噪频率信号输出7.测频精度<2×10P-12P/天8.具备TRAIM算法的GPS接收机铷频率标准不需要真空系统、致偏磁铁和原子束，因而体积小、质量小、预热时间短、价格便宜，但准确度差、频率漂移比较大，仅能用作二级标准。
铷频率标准可通过GPS进行快速驯服和外秒同步，克服铷振荡器本身的漂移，可被看作是一个基本的同步时钟单元。
通过设计和工艺的改进，产品的可靠性和批量生产也得到保证，现已具备产业化的条件。
可以预计，这种带外秒驯服的高性能小型化铷钟将应用于无人值守等苛刻环境，将大大拓展铷钟的应用领域。
铷原子频率标准常常被分为普通型、军用型、航天型。
SYN3102型铷原子频率标准产品概述SYN3102型铷原子频率标准是是西安同步电子科技有限公司研发生产的一款高性能铷原子频率标准源，选用国外进口的高精度铷原子振荡器，提供精确的频率（量值）信号，能够为计量、通信、国防等部门提供高精度频率标准信号。
产品功能1)提供一路标准的10MHz正弦信号；产品特点a)锁定快；b)低相噪；c)高可靠性；d)可长期连续稳定工作。
cpt原子钟型号
CPT原子钟，即基于相干布局囚禁（Coherent（Population（Trapping）原理实现的原子钟，是一种芯片级原子钟。
CPT原子钟的型号包括但不限于以下几种：
1.SA.45S：由美国Symmetricom公司发布，整机功耗为115mW，体积为16cm³，频
率稳定度为2×10−10τ−1/2，启动时间为120s。
2.SA.53m/SA.55m：由Microchip公司发布，该系列原子钟充分借助CSAC和前代
SA.3Xm产品的CPT技术，是微型原子振荡器的新进展。
3.SYN010H：国产芯片级原子钟，采用国产元器件和工艺研制而成，工作温度范围-
40℃~+75℃，可在该温度范围内保证PPb量级的频率精度。
其外形及安装尺寸兼容SA.45s，具有低功耗、小尺寸、快启动的优点，可广泛应用于多种便携式设备及无人值守时频设备中。
这些原子钟型号各有其特点和优势，选择时需要根据具体的应用场景和需求进行考虑。
量子测量术语-最新国标
量子测量术语1 范围本文件规定了量子测量相关的基本术语和定义。
本文件适用于量子测量相关标准制定、技术文件编制、教材和书刊编写以及文献翻译等。
2 规范性引用文件本文件没有规范性引用文件。
3 通用基础3.1量子测量quantum measurement利用量子的最小、离散、不可分割特性及量子自旋、量子相干、量子压缩、量子纠缠等特性，大幅提升经典测量性能的测量。
3.2量子计量quantum metrology基于基本物理常数定义国际单位制基本单位，利用量子系统、量子特性或量子现象复现测量单位量值或实现直接溯源到基本物理常数的测量，可用于其他高精度测量研究。
3.3量子传感quantum sensing利用量子系统、量子特性或量子现象实现的传感技术。
3.4量子态quantum state量子系统的状态。
3.5量子费希尔信息quantum Fisher information量子费希尔信息是经典费希尔信息的扩展，表征了量子系统状态对待测参数的敏感性，可用于确定参数测量的最高精度。
3.6海森堡极限Heisenberg limit根据海森堡不确定性关系，在给定的量子态下，量子系统的某个指定的可观测物理量受其非对易物理量测量不确定性的制约所能达到的测量精度极限。
3.7标准量子极限standard quantum limit由量子力学原理决定的噪声极限，即多粒子系统处于真空态时两个正交分量的量子噪声相等且满足海森堡最小不确定关系。
3.8散粒噪声shot noise散粒噪声，或称泊松噪声，是一种遵从泊松过程的噪声。
对于电子或光子，其散粒噪声来源于电子或者光子离散的粒子本质。
3.9量子真空涨落quantum vacuum fluctuation真空能量密度的随机扰动，是海森堡不确定原理导致的结果。
3.10量子噪声quantum noise测量过程中由于量子系统的海森堡不确定性引发的噪声。
3.11量子投影噪声quantum projection noise测量过程中由于量子投影测量结果的随机性所引发的噪声。
原子钟概述
第2章原子钟概述2.1原子钟的定义原子钟，是一种利用原子、分子能级差为基准信号来校准晶体振荡器或激光器频率，以使其输出标准频率信号的一种装置。
它利用原子能级跃迁产生的光信号，通过光电转化、信号处理后获得用来修正晶振或激光器频率的负反馈纠偏信号，使其输出稳恒振荡频率，这种输出频率可以用来精确计量时间。
根据采用的原子种类和技术手段的不同，原子钟可以分为很多种。
因为特定原子能级之间的能极差是很稳定的，所以原子钟的准确度很高，可以达到千万年仅差一秒或者更高的水平。
2.2原子钟的发展历程在原子钟出现以前，最准确的计时工具是以晶体振荡器为代表的电子钟表和挂钟为代表的机械力学钟表，它们几乎可以满足人们的如常生活需要，但是在对计时准确度要求较高的科研或生产领域还是不能满足要求。
原子钟的发展，最早可以追溯到1938年，美国哥伦比亚大学的拉比（Rabi）和他的学生发明了分子束磁共振技术。
他们用磁共振技术观察到了原子超精细能级间的跃迁，指出当一束原子通过一个振动的电磁场时，电磁场的振动频率越接近超精细能级间的跃迁频率，原子从电磁场吸收的能量就会越多，从而使更多原子跃迁。
他们由此提出应用反馈回路可以调节电磁场的振动频率，直到所有原子都可以跃迁。
这就是实现原子钟的基本理论基础。
通过使电磁场振动频率与原子精细能级跃迁频率共振，用电磁场的共振频率调节晶体振荡器的频率，就能使晶振频率严格跟随电磁场振动频率，实现频率输出的准确性和稳定性。
再通过相应的控制、调节系统，就能使晶振输出准确、稳恒的振动频率，用这个频率为基准，就可以实现精确时。
1949年，在美国诞生了以氨分子为样品的世界上第一台原子钟，其输出频率为23.8GHz。
与当时最精确的石英钟相比，它已经相当精确了。
但是它由众多器件构成，体型巨大，对于大应用领域来说，实用性不强。
1955年，在英国国家物理实验室建成了第一台铯原子钟。
1960年，拉姆齐(N．Ramsey)等人成功研制出第一台氢原子钟，通常人们把它叫做氢微波激射器（H maser）。
原子钟的几种常见类型
光谱灯发出的共振光经透镜聚焦后，通过置于谐振腔内的汽室被吸收，并在光电检测器上得到一定电平的光电信号。这相当于光抽运下原子在两个基态超精细能级上建立稳态分布时的信号，当谐振腔内电磁场频率与超精细跃迁相符时，原子在两个超精细能级之间发生跃迁，打破了原有的原子在能级上的平衡分布，又会发生新的光吸收，产生跃迁的光检测信号，即原子钟信号。
冷原子喷泉钟的基本想法如图7所示，搭建一个竖立的真空装置，真空中充
有工作介质(铷或铯)的饱和蒸汽，利用激光俘获原子并将其冷却，将原子上抛。原子在上抛和下落的过程中只受到重力作用，它两次穿过微波腔，与时间上的分离振荡场作用，产生钟跃迁，然后探测不同能级的原子。最后获得与Ramsey钟跃迁相应的荧光信号。这样极大减小了传统结构中两个振荡场不同所造成的相位频飘而且两次与微波振荡场作用时的速度等值反向，消除了一阶多普勒频移。[2]图7
积分球冷却原子钟积分球冷却原子钟的基本思想是把原子钟的所有相互作用(原子冷却、原子制备、微波探测和检测)都在同一地方发生，应用时序将各个阶段的作用分开。从而该钟可以减小到几升的体积。
积分球冷却原子钟的物理部分是由激光焊接的钛材做成，真空室由2L/s的离子泵维持在9* mPa。外面罩两层磁屏蔽。
为了满足冷却过程的需要，球形紫铜腔须光学抛光到λ/14的精度以便储存激光和产生各向同性的光场以供捕获和冷却原子用。同时，这个微波腔调谐在9。192GHz 模式，用于激励“钟”跃迁。微波腔内有一Cs原子储存泡，保持真空度在 乇。含泡腔的Q=3000。
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 ，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。
铷钟
主要技术指标
频率稳定度 月频率漂移率
频率重现性 频率准确度
频率稳定度是频率偏差的起伏程度，实际上是一种可以用随机过程（平稳的或不平稳的）来研究和处理的问 题。频率稳定度在时域上的数学表征是阿伦标准偏差。
原子频标连续工作时，频率随时间单方向慢变化程度，用最小二乘法估计。通过GPS锁定，可改变铷原子钟 的漂移。铷原子钟的月漂移为：1×10-11～4×10-11。
铷频率标准不需要真空系统、致偏磁铁和原子束，因而体积小、质量小、预热时间短、价格便宜，但准确度 差、频率漂移比较大，仅能用作二级标准。铷频率标准可通过GPS进行快速驯服和外秒同步，克服铷振荡器本身 的漂移，可被看作是一个基本的同步时钟单元。通过设计和工艺的改进，产品的可靠性和批量生产也得到保证， 现已具备产业化的条件。可以预计，这种带外秒驯服的高性能小型化铷钟将应用于无人值守等苛刻环境，将大大 拓展铷钟的应用领域。
●漂移率
频率漂移率是铷原子频标的重要指标之一，通常认为光频移是导致整机频率漂移的主要因素，一般在零光强 频移泡温点，光强频移贡献约为1×10-12/1%，灯光强日漂移一般可达千分之一至万分之几，铷原子频率标准的 月漂移率应在4×10-11-5×10-12范围内。
●价格
选购铷原子钟需要考虑产品的价格范围，铷原子钟的价格取决于许多因素，包括稳定度、漂移率、准确度等。 一般情况下，相同指标的铷原子钟，国产比进口产品价格便宜。
特点
钟具有短期稳定性高，体积小巧，便于携带，价格合适的特点，非常适合于在各个领域使用，但由于铷原子 的原子特性的原因，铷钟并不具有铯钟和氢钟那样优秀的长期稳定度，因而需要校准。为了提高铷钟的长期稳定 度，可以通过使用GPS系统来对铷钟进行控制和校准。
GPS系统通过测量时间差来实现定位测量，为了达到较高的定位精度，GPS系统内部时间测量精度极高。通过 使用GPS系统来对铷钟进行校正，可以很好的提高铷钟的长期稳定度，降低铷钟输出信号的飘移。
原子钟稳定的与误差
原子钟稳定的与误差
原子钟是一种高精度的时间计量工具，利用原子能级跳跃时辐射出来的电磁波来控制和校准石英钟，因此具有极高的稳定度。
一般来说，原子钟的稳定度通常在2E-15左右，日均误差只有2E-11秒左右或
2E-10秒左右。
由于原子钟使用的原子跃迁频率非常稳定，因此其计时精度非常高，能够达到很高的时间计量精度。
尽管如此，原子钟也不是完美的，仍然存在一些误差和不稳定因素。
例如，环境温度、电磁噪声、机械振动等都可能对原子钟的精度产生影响。
此外，原子钟的制造工艺、材料质量、老化等因素也可能导致误差。
因此，为了获得更准确的计时结果，需要对原子钟进行定期校准和维护。
同时，原子钟也需要与其他高精度时间计量工具进行比对，以确保其精度和可靠性。
原子钟的精确值
原子钟的精确值
一、引言
原子钟是目前最精确的时间测量工具，其精确度高达每秒钟误差不到一秒。
本文将深入探讨原子钟的精确值。
二、什么是原子钟？
1. 原理：利用原子的振荡频率作为时间标准。
2. 原子钟分类：
（1）氢原子钟：利用氢原子的超精细结构线作为频率标准。
（2）铷原子钟：利用铷原子的基态与第二激发态之间跃迁所产生的微波辐射作为频率标准。
（3）铯原子钟：利用铯133同位素基态与第一激发态之间跃迁所产生的微波辐射作为频率标准。
三、如何保证原子钟的精确度？
1. 稳定性：保持温度稳定，避免外界干扰。
2. 精度：使用高质量的晶体管、电容器等元器件，以及高品质的电源和时钟信号。
3. 参考信号源：使用GPS等全球卫星导航系统提供参考信号源，以保证时间同步。
四、与其他时间测量工具相比，原子钟有何优势？
1. 精确度高：误差不到一秒。
2. 稳定性好：不受温度、压力等外界因素的影响。
3. 可追溯性强：时间标准由国家授权机构统一制定，可追溯到国际原子时。
五、原子钟在哪些领域应用广泛？
1. 通信领域：保证通信设备之间的时间同步。
2. 导航领域：提供精确的时间参考，以确定位置和速度。
3. 科学研究领域：提供高精度的时间标准，以研究宇宙演化、地球物理学等领域。
六、结论
原子钟是目前最精确的时间测量工具，其精确度高达每秒钟误差不到一秒。
为保证其精确度，需要保持稳定性、使用高品质元器件和参考信号源。
原子钟在通信、导航和科学研究等领域应用广泛。
原子钟原理
原子钟原理原子钟是一种利用原子的振动频率来计时的高精度钟表，其原理是通过测量原子的振动周期来实现精准的时间计量。
原子钟的发明和应用，极大地推动了精密时间测量和导航定位技术的发展，对现代科学技术和生活产生了深远的影响。
原子钟的工作原理基于原子的稳定振动特性。
在原子内部，电子围绕原子核以特定的轨道运动，当原子受到外部电磁波的激发时，电子会跃迁到更高能级的轨道上，然后再返回到原来的轨道释放出特定频率的电磁辐射。
这一过程的频率非常稳定，可以作为时间基准来进行精确计时。
原子钟通常利用铯、铷或氢原子来进行计时。
以铯原子钟为例，它的工作原理是通过激发铯原子的电子跃迁来产生微波信号，然后利用微波信号的频率来稳定地计量时间。
铯原子钟的工作频率为9,192,631,770赫兹，这一频率被国际上认可的时间单位秒的定义所采纳。
原子钟的精度非常高，可以达到每天误差仅为1秒以内。
这种高精度的计时能力使得原子钟成为现代科学研究、卫星导航、通信、金融交易等领域不可或缺的时间基准。
在卫星导航系统中，原子钟的应用更是至关重要，因为卫星的精确定位和时间同步需要依赖于原子钟提供的高精度时间信号。
除了在科学研究和技术领域的应用外，原子钟在日常生活中也有着重要的作用。
例如，全球定位系统（GPS）就是依赖原子钟提供的时间信号来实现全球范围内的精准导航定位服务。
此外，在金融交易、电信网络、电子设备同步等领域，原子钟的高精度时间信号也扮演着不可或缺的角色。
随着科学技术的不断发展，原子钟的精度和稳定性还在不断提升。
未来，原子钟有望在更多领域发挥作用，为人类社会的发展和进步提供更可靠的时间基准。
同时，原子钟的发展也将推动原子物理、量子科学等领域的研究，为人类认识和利用原子的特性提供更多可能性。
总之，原子钟作为一种基于原子振动频率的高精度计时装置，其原理和应用对现代科学技术和生活产生了深远影响。
通过对原子的精准计量，原子钟为人类社会提供了可靠的时间基准，推动了科学研究和技术创新的发展，成为现代社会不可或缺的重要设备。
铯原子钟原理
铯原子钟原理
铯原子钟是一种高精度的时间测量仪器，它基于铯原子的稳定振荡特性进行时间计量。
铯原子钟的原理可以分为以下几个步骤：
首先，将铯原子加热至一定温度，使其成为高能态的激发态。
然后，通过激光束对铯原子进行光谱激发，使铯原子的外电子从基态跃迁到高激发态。
这个跃迁的频率非常准确，通常为
9,192,631,770赫兹。
接下来，将铯原子束分成两个分支，一个经过一个微波谐振器，一个作为参照。
微波谐振器的频率由铯原子的基态与高激发态之间的超精细能级结构决定。
当微波的频率达到特定的值时，会导致基态与高激发态之间的跃迁。
通过调整微波的频率，使得谐振器中的微波与铯原子的基态与高激发态的跃迁频率一致。
最后，通过对比参照分支和经过微波谐振器的分支中的铯原子的状态，可以获得微波谐振器的频率相对于铯原子跃迁频率的偏差。
根据这个偏差，可以计算出时间的变化。
通过不断测量微波谐振器的频率相对于铯原子跃迁频率的偏差，并将其与国际单位制中定义的秒的长度进行比较和校准，铯原子钟可以实现高精度的时间测量。
这种原理使得铯原子钟成为现代科学、技术和导航中不可或缺的关键技术之一。
铯原子钟频率
铯原子钟频率引言铯原子钟是一种精准的时间测量装置，利用铯原子的电磁辐射特性来产生稳定的频率。
铯原子钟的频率非常准确，可以达到每秒约9,192,631,770次振荡。
这种高精度的频率可以用来测量时间、导航系统和科学研究等领域。
本文将介绍铯原子钟频率的基本原理、工作方式以及其在现代科技中的应用。
基本原理铯原子钟基于铯-133同位素的电磁辐射特性来产生稳定的频率。
在一个光学腔中，通过激光束对铯-133原子进行激发，使其从基态跃迁到激发态。
然后，通过检测铯-133原子从激发态返回到基态时释放出的微波辐射来计算时间。
具体而言，在光学腔中，使用一个窄带宽和高稳定性的激光束对铯-133原子进行激发。
这个激光束具有与铯-133原子跃迁能级之间能量差相匹配的频率。
当激光束与铯-133原子发生共振时，原子从基态跃迁到激发态。
然后，通过微波辐射来激发铯-133原子从激发态返回到基态。
通过测量从激发态返回到基态的微波辐射的频率，可以计算出时间。
由于铯-133原子的电磁辐射特性非常稳定，因此铯原子钟的频率也非常准确。
工作方式铯原子钟主要由以下几个部分组成：光学腔、激光器、微波源和频率计。
1.光学腔：光学腔是一个封闭的空间，内部有高反射率的镜面。
它用于存储和增强激光束与铯-133原子之间的相互作用。
2.激光器：激光器产生一个窄带宽和高稳定性的激光束。
这个激光束经过调谐以匹配铯-133原子跃迁能级之间的能量差。
3.微波源：微波源产生一个特定频率的微波辐射。
这个微波辐射用于将铯-133原子从激发态返回到基态。
4.频率计：频率计用于测量从激发态返回到基态的微波辐射的频率。
根据这个频率，可以计算出时间。
整个系统通过精确控制激光束、微波辐射和频率计来实现高精度的时间测量。
应用领域铯原子钟在现代科技中有广泛的应用。
以下是一些主要的应用领域：1.时间测量：铯原子钟是目前最准确的时间测量装置之一。
它被广泛应用于卫星导航系统、通信网络以及科学实验室中的时间同步等领域。
铷原子钟知识
铷原子钟知识一、概述（一）用途铷气泡型原子频标是使用数量最多的原子频标，随着电路技术及工艺水平的发展，其造价越来越低、体积越来越小，有望在许多场合下代替高温精度的晶体振荡器，以获得更高的精度，主要为导航定位卫星时间系统提供频率基准，广泛应用于守时、授时、导航定位、电力、铁路、测速、测距、时间同步和通信等军用和商用领域，还可以在晶振生产中用作频率基准。
（二）特点铷频率标准不需要真空系统、致偏磁铁和原子束，因而体积小、质量小、预热时间短、价格便宜，但准确度差、频率漂移比较大，仅能用作二级标准。
铷频率标准可通过GPS进行快速驯服和外秒同步，克服铷振荡器本身的漂移，可被看作是一个基本的同步时钟单元。
通过设计和工艺的改进，产品的可靠性和批量生产也得到保证，现已具备产业化的条件。
可以预计，这种带外秒驯服的高性能小型化铷钟将应用于无人值守等苛刻环境，将大大拓展铷钟的应用领域。
铷原子频率标准常常被分为普通型、军用型、航天型。
（三）产品国内外现状目前在我国研制生产铷原子钟的单位有：石家庄数英仪器、北京大华无线电仪器厂、四川星华时频技术公司等单位。
目前美国研制的GPS 上Block IIA、IIR/IIRM 铷钟处于世界领先水平，美国Perking Elmer公司已经研制出天稳指标达到10-15世界最高水平铷钟。
（四）技术发展趋势●更低的相噪特性和功耗是铷原子频率标准追求的技术目标；●秒极频率稳定度高、天频率漂移小是铷钟的追求目标；●发展与恒温晶体振荡器大小接近的小体积铷原子频率标准。
二、基本工作原理图 2 铷钟电路系统原理框铷原子钟主要由单片机电路、伺服电路、微波倍频电路、频率调制、倍频综合电路几个模块组成，系统原理框如图2所示。
铷频标是一种被动型原子频率，利用的是基态超精细能级之间的跃迁，相应的跃迁频率为6834.682614MHz。
原子迁跃对微波信号起鉴频作用而产生误差信号，通过锁相环路伺服晶振的频率，使激励信号频率锁定到原子跃迁频率，实现晶振输出频率的高度稳定和准确。
cpt 原子钟 技术路线
cpt 原子钟技术路线CPT原子钟技术路线引言：CPT原子钟是一种基于原子物理的精密计时设备，具有高精度和稳定性。
本文将介绍CPT原子钟的技术路线，包括工作原理、关键技术和应用前景。
一、工作原理CPT原子钟的工作原理基于共振吸收谱线的塞曼效应。
其基本原理是通过将原子置于磁光共振条件下，通过激光对原子进行激发，使原子从基态跃迁到激发态。
当激发态的能级与其他能级之间存在共振时，原子将吸收激光的能量，产生吸收峰。
通过精确测量吸收峰的频率，可以得到非常精确的时间参考。
二、关键技术1. 光学系统：CPT原子钟采用激光对原子进行激发，因此光学系统的稳定性和精度对钟的性能至关重要。
高稳定的光源、高精度的光学元件和精确的激光调谐技术是保证光学系统性能的关键。
2. 原子腔：原子腔是CPT原子钟中的重要组成部分，用于储存原子并增强光学信号。
腔的设计和制备需要考虑到原子与光场的相互作用，以实现高效的原子激发和激光吸收峰的增强。
3. 磁场控制：CPT原子钟利用磁场来调整原子能级之间的能量差，从而实现共振吸收。
精确的磁场控制技术是保证钟的稳定性和准确性的关键。
4. 频率计数与控制：CPT原子钟需要精确测量吸收峰的频率，并将其与参考频率进行比较和校正。
频率计数器和反馈控制系统的设计和优化对于提高钟的精度和稳定性至关重要。
三、应用前景1. 科学研究：CPT原子钟的高精度和稳定性使其成为精密物理实验、基础物理研究以及粒子加速器实验的重要工具。
它可以用于验证物理定律、测量基本常数和研究量子力学等领域。
2. 导航和定位：CPT原子钟具有超高的时间稳定性，可以用于导航和定位系统中提供高精度的时间参考。
它可以应用于全球定位系统（GPS）的改进、无线通信网络的同步以及地震监测等领域。
3. 时间频率标准：CPT原子钟的高准确度和稳定性使其成为时间频率标准的候选。
它可以用于国家标准时间的测量和传输，以及金融交易、电力系统同步等需要高精度时间参考的领域。
铯原子钟频率
铯原子钟频率
铯原子钟频率是目前国际上最准确的时间测量工具之一。
铯钟的基本原理是利用铯原子的共振频率来进行时间测量。
铯原子钟的频率为9,192,631,770赫兹（Hz），即每秒钟震荡9,192,631,770次。
铯原子钟的工作原理是利用铯原子的两个能级之间的超精细结构共振。
铯原子中的电子在两个能级之间跃迁时会吸收或释放特定的电磁辐射。
铯原子钟通过控制电磁辐射的频率，使其与铯原子共振，通过测量共振频率的变化来确定时间。
铯原子钟具有极高的稳定性和准确性。
由于铯原子的共振频率非常稳定，铯原子钟的频率变化非常小，每天的误差只有约1纳秒。
这使得铯原子钟可以作为国际时间标准，用于时间同步和精确测量，例如卫星导航系统、通信网络和科学研究。
铯原子钟的频率准确性还受到一些因素的影响，例如温度变化和外部磁场的影响。
为了提高铯原子钟的准确性，科学家们还引入了其他技术，如冷冻铯原子和多普勒冷却技术。
这些技术可以减小铯原子的热运动和外界干扰，进一步提高铯原子钟的频率稳定性和准确性。
随着科技的不断发展，人们对时间的要求越来越高。
铯原子钟作为目前最准确的时间测量工具之一，为现代科学和技术的发展提供了重要
支持。
未来，随着更高精度的原子钟的研究和发展，人们将能够更精确地测量时间，推动科学研究和技术创新的进一步发展。
原子钟
原子钟基本原理根据量子物理学的基本原理，原子是按照不同电子排列顺序的能量差，也就是围绕在原子核周围不同电子层的能量差，来吸收或释放电磁能量的。
这里电磁能量是不连续的。
当原子从一个“能量态”跃迁至低的“能量态”时，它便会释放电磁波。
这种电磁波特征频率是不连续的，这也就是人们所说的共振频率。
同一种原子的共振频率是一定的—例如铯133的共振频率为每秒9192631770周。
因此铯原子便用作一种节拍器来保持高度精确的时间。
发现人30年代，拉比和他的学生们在哥伦比亚大学的实验室里研究原子和原子核的基本特性。
也就是在这里，他们在依靠这种原子计时器来制造时钟方面迈出了有价值的第一步。
在其研究过程中，拉比发明了一种被称为磁共振的技术。
依靠这项技术，他便能够测量出原子的自然共振频率。
为此他还获得了1944年诺贝尔奖。
同年，他还首先提出“要讨论讨论这样一个想法”（他的学生这样说道），也就是这些共振频率的准确性如此之高，完全可以用来制作高精度的时钟。
他还特别提出要利用所谓原子的“超精细跃迁”的频率。
这种超精细跃迁指的是随原子核和电子之间不同的磁作用变化而引起的两种具有细微能量差别的状态之间的跃迁。
在这种时钟里，一束处于某一特定“超精细状态”的原子束穿过一个振荡电磁场。
当原子的超精细跃迁频率越接近磁场的振荡频率，原子从磁场中吸收的能量就越多，从而产生从原始超精细状态到令一状态的跃迁。
通过一个反馈回路，人们能够调整振荡场的频率直到所有的原子完成了跃迁。
原子钟就是利用振荡场的频率即保持与原子的共振频率完全相同的频率作为产生时间脉冲的节拍器。
比普通钟表更精确人们日常生活需要知道准确的时间，生产、科研上更是如此。
人们平时所用的钟表，精度高的大约每年会有1分钟的误差，这对日常生活是没有影响的，但在要求很高的生产、科研中就需要更准确的计时工具。
目前世界上最准确的计时工具就是原子钟，它是20世纪50年代出现的。
原子钟是利用原子吸收或释放能量时发出的电磁波来计时的。
原子钟的精确值
原子钟的精确值原子钟是一种利用精确的原子振荡频率来测量时间的仪器。
它是现代科学和技术领域中最精确的时间标准之一。
原子钟的精确值是以一个实际的原子频率来定义的，通常是通过气体或固体中的原子核或电子的特定能级间的跃迁频率来实现的。
原子钟的精确值通常以秒为单位，定义为国际单位制中的基本单位。
目前，世界上最准确的原子钟是通过测量铯（Cs）原子的振荡频率来实现的，其精确值为每秒9,192,631,770次跃迁。
铯原子钟的工作原理基于铯-133同位素的性质。
在一个典型的铯原子钟中，铯原子会被冷却至接近绝对零度（-273.15摄氏度）并被捕获在一个恒温的腔体中。
然后，通过激光束或微波辐射来激发铯原子内的能级跃迁。
铯原子钟中的精确值通过以下过程实现：首先，激光或微波辐射会激发铯原子从基态跃迁到高能级的超精细能级。
然后，一个周期性的微波信号被施加到铯原子中，使其内部的电子从高能级回退到基态。
当微波信号的频率等于特定跃迁的频率时，原子会吸收这个信号的能量并发生辐射跃迁。
通过测量微波信号的频率，我们可以确定铯原子内特定跃迁的频率。
通过比较这一频率与国际标准定义的秒数，我们可以得到原子钟的精确值。
国际上的原子钟被公认为是最准确的时间标准，它们可以在实验室、天文台和卫星等场所使用。
原子钟的精确值对于现代社会的许多方面至关重要。
它们用于卫星导航系统、电信网络、金融交易和科学研究等领域。
在导航系统中，原子钟通过提供高精度的时间信息，使得卫星能够精确确定地面位置。
在电信网络中，原子钟用于确保精确的数据传输和同步。
在金融交易中，原子钟可以提供精确的时间戳，以确保交易的准确性和安全性。
在科学研究中，原子钟用于测量时间间隔、粒子的速度和天体运动等。
虽然原子钟被认为是最准确的时间测量仪器，但它们也存在一些局限性。
其中一个问题是原子钟的体积和复杂性。
目前的原子钟主要是实验室级别的设备，其尺寸较大且不能轻松移动。
此外，原子钟也需要特殊的环境条件和高度的技术要求，以保持其精确度和稳定性。
时间频率产品的定义及简介
时间频率产品的定义及简介频率是与时间密切相关的一个量，通常称为时间的倒数，这反应了频率的含义来自于对周期时间的测量的这个事实。
频率和时间的显著特征是基本定义的高度准确和测量的高度精密，他们的准确度和测量的精确度在过去的二十多年中提高极快，远远超过了所有其他物理量。
一、时间专业术语世界时：是以地球自转为记仇的一种时标，全年内每日平均长短的1/86400，定义为1s。
由于地球自转存在长期减慢和不规则起伏现象，以世界时的“秒”的实现准确度不高，只能达10的-8~10的-9量级。
原子时：是以铯原子内部超精细能级间跃迁辐射震荡9192631770周所持续的时间，定义为1s、铯原子的能级跃迁频率有极高的稳定性，其运行的周期就非常准确和稳定。
因此1967年10月起，国际计量会议通过了以原子时来定义秒。
协调世界时：由于地球转动的不均匀性，每天并非都是精确的86400原子秒，就导致世界时与实际时间约每18个月产生1s的误差，为了纠正误差国际上决定采用协调世界时报时。
作为再用的时间标准。
即以原子时的秒来计时，而当发现用天象观测来测定的时间时与原子时相差超过0.9秒时，便在年中或年底的最后一秒加上一个闰秒来协调，对协调世界时做一整秒的调整。
授时：利用无线电波发播标准时间信号的工作称为授时，国外称为时间服务，根据授时手段的不同分为短波授时、长波授时、卫星授时、互联网授时和电话授时等。
短波授时的基本方法是由无线电台发播时间信号，用户用无线电接收机接受信号，然后进行本地对时。
长波授时利用长波的无线信号进行时间频率传递与校准，覆盖面要比短波宽的很多，校准的准确度更高的授时方法。
卫星授时可以实现发播信号大面积的覆盖，而且比起前两种授时方法，他的精度更高、根据卫星在授时中所起的作用卫星授时分为主动式和中转式，主动式卫星有精密时钟，可发播标准时间信号，中转式仅转发由地面时间基准通过卫星地面站送来的标准时间信号，网络授时和电话授时，采用用户询问方式向用户提供标准的时间信息。
铷原子频率标准tr2005c技术指标
铷原子频率标准TR2005C技术指标在现代科技发展日新月异的今天，高精度的时间频率标准已经成为各个领域不可或缺的重要工具。
铷原子频率标准TR2005C作为当前世界上最先进的原子钟之一，其技术指标和性能优势备受关注。
本文将从深度和广度两方面对铷原子频率标准TR2005C进行全面评估，并剖析其在现代科技中的重要地位。
一、铷原子频率标准TR2005C技术指标概述1.频率稳定度铷原子频率标准TR2005C的频率稳定度极高，达到了每秒10的负14次方的水平，这意味着其频率误差仅为每秒几个万亿分之一，可以满足各种高精度时间测量的需求。
2.频率准确度TR2005C的频率准确度非常高，可以稳定地输出特定的频率信号，通常误差在每秒几个十亿分之一以内。
这样的准确度使得其在卫星导航、通信网络以及科学研究领域有着广泛的应用。
3.短期稳定度TR2005C在短时间内的频率稳定度也很突出，可以在毫秒甚至微秒的时间尺度上保持高稳定的频率输出，这对于需要高速数据传输或者实时信号处理的应用至关重要。
4.长期稳定度除了短期稳定度外，TR2005C在长时间尺度上也能够保持出色的频率稳定性，这对于天文观测、卫星定位和导航系统的精准定位以及地震监测等方面具有重要意义。
二、铷原子频率标准TR2005C的应用领域1.卫星导航高精度的时间频率标准是卫星导航系统的核心，而TR2005C凭借其卓越的频率稳定度和准确度，成为了众多卫星导航系统的首选时钟设备，为全球定位系统（GPS）、北斗导航系统等提供了可靠的时间基准。
2.通信网络在高速通信网络中，精准的时间同步对于数据传输和网络安全至关重要。
TR2005C作为高稳定频率标准的代表，被广泛应用于各种通信基站的时间同步系统，保障了通信网络的高效运行。
3.科学研究在科学实验和研究中，时间频率的精准度直接影响着实验数据的准确性和科学结论的可靠性。
TR2005C在科学研究领域有着广泛的应用，为实验数据的采集和分析提供了可靠的时间基准。
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的原子发生跃迁达到统一的 能量态。再利用谐振腔的受 控外部震荡器对铯束管中的 铯原子加以作用，形成能级 跃迁。最后发生跃迁的原子
原子束
光束
铯束管
激光器
第二光学作 用区
在第二光学区被加以检测，
以测定原子的共振频率。
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铯钟的工作原理（喷泉钟）（美国 NIST）
1. 由铯原子组成的气体，被引入 到时钟的真空室中，用激光减 慢了原子的运动速度并将其冷 却到接近绝对零度。
波尔能量关系公式: E2E1 h0
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铯钟的工作原理（铯束管）
1. 磁选态铯钟(德国PTB)：
利用磁偏转的方式将符
合工作要求的特定能量态的
铯原子选取出来，并将其输 入铯束管（微波谐振腔），
铯炉
铯束在微波谐振腔中与外部
受控震荡器相作用发生能级
跃迁。输出的铯束与高温金
属丝相作用形成铯离子电流，
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安
排
1. 钟的工作原理
2.仪器常用指标及实现
3. 公司相关产品介绍 4. 其它竞争产品比较 5. 总结
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仪器常用指标
• 频率准确度：表征信号的实际频率值与理想的或定义的频率值 （以UTC为标准的频率，实际是国际原子时ATI的频率）的偏离 或符合程度，一般用相对频率偏差来表示。
2. 两束垂直的激光轻轻地将这个 铯原子气球向上举起，穿过微 波腔，形成“喷泉”式的运动。
3. 在地心引力的作用下，铯原子 气球开始向下落并将所吸收的 能量全部释放出来。
4. 在微波腔的出口处，另一束激 光射向铯原子气，探测器将对 辐射出的荧光的强度进行测量。
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铷钟的工作原理
信号 光电检测
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GPS的工作原理
GPS系统操作原理为:每 一颗卫星不断发射包含其位 置和精确到十亿分之一秒的 时间的数字无线电信号。 GPS的接收装置接收到来自 于四颗卫星的信号，然后计 算出在地球上的位置。接收 装置将接收时间与卫星发射 的时间进行比较，通过二者 之差计算出远离卫星的距离。 通过比较这个时间与其他三 个已知位置的卫星的时间， 接收装置便能够确定经纬度 及海拔高度。
当铯离子电流输出达到最大 选态磁铁
的时候，谐振腔的可控震荡
器频率与铯的共振频率相同。
外部受控振 荡器
原子束 铯束管
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铯钟的工作原理（铯束管）
2. 光抽运铯钟(法国
LPTF）：
第一光学
在光抽运铯束频标中， 作用区 利用激光（第一光学区）对 铯炉
外部受控振 荡器
铯束照射，使得不同能量态
1 N
N
ti
i1
为N次测量的测量时序平均值
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仪器的常用指标
• 频率稳定度—阿伦偏差（Allan Deviation）:
描述输出频率受噪声影响而产生随机起伏程度的量， 在数学上用Allan(阿伦)方差的平方根值来加以表示。
其主要的计算公式为：
y()
1 f0
m (fi1fi)2 i1 2m
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GPS的工作原理
• 铯钟或者铷钟
• 原子钟通过 NIST 和 USNO加以校准
• 每一个卫星传输时间和 位置编码信 (1575.42MHz的L1载波 和频率为1227.60HMz 的L2载波)
• 所传送的GPS时间& 频 率基准对于NIST 和 UTC 是可追踪的。No
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铷钟的工作原理：
光源灯泡中的铷87在无 光源灯泡
微波腔
极放电的工作状态下产生特
定波长的电磁波，通过超精
细滤光泡对某些波长的光进
行滤除后照射进入谐振泡。
利用光抽运技术使得谐振泡
中的铷87发生能级跃迁。调
整微波腔的频率，当光电转 换电路的输出电流达到最大
超精细滤光 谐振泡 灯泡
的时候可得到铷的共振频率。
• 频率稳定度：频率稳定度表示时钟输出频率因受噪声影响产生的 随机起伏特性。可以从时域和频域来分析频率稳定度。频率稳定 度用阿伦方差的平方根来表征。
• 频率漂移率（老化率）：频率漂移率是指时钟输出频率随运行时 间单调变化的线性率。随时间单位的不同，有日漂移率?p月漂移 率和年漂移率。对于高稳石英晶体振荡器，由于频率漂移通常是 由石英晶体的老化造成的，因此它的频率漂移率称为频率老化率。 原子钟的漂移主要由内部器件造成，包括由量子结构的频率漂移、 相检及运放的漂移引起。
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仪器常用指标
• 老化率：
频率值随时间呈单方向的变化，称为频率漂移或老化。近
似描述频率老化特性的直线用最小二乘法计算。其主要的
计算公式为：
N
( fi f )(ti t )
k i1 N
f 0 (ti t ) 2
i 1
f
1 N
N i 1
fi 为N次测量的平均频率
t
高性能的时间频率标准
Ideal for telecommunications, metrology and electronics industry.
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1.钟的工作原理
2. 仪器常用指标及实现 3. 相关产品介绍 4. 其它竞争产品比较 5. 总结
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钟的工作原理
根据量子物理学的基本原理，原子是按 照围绕在原子核周围不同电子层的能量差，来 吸收或释放电磁能量的。这里电磁能量是不连 续的。当原子从一个高“能量态”跃迁至低的 “能量态”时，它便会释放电磁波。这共 振频率。同一种原子的共振频率是一定的—例 如铯133的共振频率为每秒9192631770周。 因此铯原子便用作一种节拍器来保持高度精确 的时间。
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频率标准的准确度
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频率标准的选择
Frequency Stability
(number of digits)Cesium Oscillator
13
12
GPS-controlled Rubidium Oscillator
11 10
Rubidium Oscillator
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已有的时间频率标准
• 独立工作源 – 首选标准 • 铯,氢钟 – 第二选择 • 铷, OCXO（高稳晶振）
• 发送系统 – 卫星无线电系统 • GPS, GLONASS, 伽利略 – 地面无线电系统 • Loran-C, DCF-77 – 光纤同步系统 • E1, T1 (SSU)
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