銣鐘原子鐘

銣鐘銫鐘氫鐘等原子鐘的詳細對比介紹

 二維碼 5754
發表時間:2021-09-17 10:00作者:同步天下來源:原創

銣鐘、銫鐘和氫鐘都屬于原子頻率標準,原子頻率標準簡稱原子鐘,是根據原子物理學及量子力學的原理制造的高準確度和高穩定度的振蕩器。在通信領域的數字同步網中作為第一級基準時鐘,是同步網中向數字設備提供同步標準信號的最高基準源。

關鍵詞:銣鐘,銫鐘,氫鐘,原子鐘

銫鐘即銫束原子頻率標準,是一種高準確度的頻率發生器,在各種頻率系統中作為標準頻率源,是一種被動型(即受激型)原子束頻率標準。

time-2919087_1920.jpg

銣鐘又被稱為銣原子鐘, 銣頻標是一種被動型原子頻率,利用的是基態超精細能級之間的躍遷,銣原子鐘由銣量子部分和壓控晶體振蕩器組成。銣原子頻標短期穩定度最高可達到10-12量級,準確度為±5×10-11,具有體積小、精度高的特點。

氫鐘又稱氫-微波激射器(MASER,Microwave amplification by stimulated emission of radiation)用銫鐘、銣鐘產生原子諧振的原理,將經提純的氫氣即分子狀態的氫氣導入裝在諧振腔內的球形容器內,與腔內的微波電磁場相互作用產生原子能級躍遷。氫原子的超精細能級的躍遷頻率為1.420...GHz。內壁有涂層的球形容器能允許原子特長時間的相互作用,用微波電磁場包住容器,以減少由于原子碰撞容器壁而引起的擾動。微波的作用使高能態的原子躍遷到低能態,釋放出能量,當容器內有足夠的原子密度,釋放出的能量比諧振腔的損失大時,則可產生自激振蕩,稱為有源(自激)氫-微波激射器,實際上成為振蕩器。當容器的原子躍遷不足以維持振蕩時,則需外加激勵能量使原子產生躍遷,稱為無源(或受激)氫-微波激射器,不能成為自舉振蕩器,其工作原理與銫鐘或銣鐘方式相同。

       自激型微波激射器相當于振蕩器,對晶體壓控振蕩器信號用相位鎖定,所以能有較好的短期頻率穩定度,而被氫-微波激射器對壓控晶體振蕩器則為頻率鎖定,故其短期頻率穩定度不如自激型的。


銣鐘詳解:

銣鐘又被稱為銣原子鐘, 銣原子鐘由銣量子部分和壓控晶體振蕩器組成。壓控晶體振蕩器的頻率經過倍頻和頻率合成,送到量子系統與銣原子躍遷頻率進行比較。誤差信號送回到壓控晶體振蕩器,對其頻率進行調節使其鎖定在銣原子特有的能級躍遷所對應的頻率上。銣原子頻標短期穩定度最高可達10-12量級,準確度為±5×10-11。

銣頻率標準不需要真空系統、致偏磁鐵和原子束,因而體積小、質量小、預熱時間短、價格便宜,但準確度差、頻率漂移比較大,僅能用作二級標準。銣頻率標準可通過GPS進行快速馴服和外秒同步,克服銣振蕩器本身的漂移,可被看作是一個基本的同步時鐘單元。通過設計和工藝的改進,產品的可靠性和批量生產也得到保證,現已具備產業化的條件??梢灶A計,這種帶外秒馴服的高性能小型化銣鐘將應用于無人值守等苛刻環境,將大大拓展銣鐘的應用領域。

銣原子鐘主要由單片機電路、伺服電路、微波倍頻電路、頻率調制、倍頻綜合電路幾個模塊組成。銣頻標是一種被動型原子頻率,利用的是基態超精細能級之間的躍遷,相應的躍遷頻率為6834.682614MHz。原子遷躍對微波信號起鑒頻作用而產生誤差信號,通過鎖相環路伺服晶振的頻率,使激勵信號頻率鎖定到原子躍遷頻率,實現晶振輸出頻率的高度穩定和準確。

銣鐘的基本工作原理與銫鐘相似,均利用能級躍遷的諧振頻率作為基準。原子是按照圍繞在原子核周圍不同電子層的能量差,來吸收或釋放電磁能量的。這里電磁能量是不連續的。當原子從一個高“能量態”躍遷至低的“能量態”時,它便會釋放電磁波。這種電磁波特征頻率是固定的,這也就是人們所說的共振頻率。通過以這種共振頻率為節拍器,原子鐘可以來測定時間。銣鐘利用光抽運的辦法進行原子選態,諧振的檢測則是利用光檢測器(光電池)去測量經諧振腔的抽運光(激勵原子躍遷)的傳遞衰減來完成。當微波頻率在躍遷概率的峰值時,傳遞的光波大概降低1%~10%。銣鐘的體積小,預熱時間短,長期的老化率為2×10-10/年,如果為改進性能參數而加大體積,則與銫鐘同樣大小的銣鐘也會具有幾乎與銫鐘一樣的性能。


高性能銣鐘主要用于國防軍工產業,主要突出性能指標及產品可靠性方面的要求,同時還應具備易于操作、功能完善、通用性強等特點。其主要功能與性能的參數如下:

頻率穩定度

頻率穩定度是頻率偏差的起伏程度,實際上是一種可以用隨機過程(平穩的或不平穩的)來研究和處理的問題。頻率穩定度在時域上的數學表征是阿倫標準偏差。

月頻率漂移率

原子頻標連續工作時,頻率隨時間單方向慢變化程度,用最小二乘法估計。通過GPS鎖定,可改變銣原子鐘的漂移。銣原子鐘的月漂移為:1×10-11~4×10-11 。

頻率重現性

頻率重現性指銣頻標開機一段時間后關機,關機一段時間后,再開機一段時間后的相對平均頻率偏差和關機時的相對平均頻率偏差的一致程度。一般為:1×10-11~5×10-11 。

頻率準確度

頻率準確度指頻率偏差的最大范圍,表明頻率實際值靠近標稱值的程度。用數值定量表示,不帶正負號,一般為:5×10-11~5×10-12 。

選購注意事項

銣原子頻率標準的選擇要求權衡不同需要折中考慮。首先確定的是穩定度、準確度、漂移率等主要性能指標,其次需要考慮銣鐘的應用環境,最后考慮可靠性、體積、質量、價格以及功耗等因素。

●穩定度

穩定度包括短期穩定度和長期穩定度,指標一般為5×10-11~1×10-12(取樣時間為1s)、1×10-11~1×10-12 (取樣時間為1d)。根據對穩定度的要求選擇長穩好還是短穩好的銣原子頻率標準。

● 漂移率

頻率漂移率是銣原子頻標的重要指標之一,通常認為光頻移是導致整機頻率漂移的主要因素,一般在零光強頻移泡溫點,光強頻移貢獻約為1×10-12/1%,燈光強日漂移一般可達千分之一至萬分之幾,銣原子頻率標準的月漂移率應在4×10-11-5×10-12 范圍內。

●價格

選購銣原子鐘需要考慮產品的價格范圍,銣原子鐘的價格取決于許多因素,包括穩定度、漂移率、準確度等。一般情況下,相同指標的銣原子鐘,國產比進口產品價格便宜。

銣原子鐘鐘具有短期穩定性高,體積小巧,便于攜帶,價格合適的特點,非常適合于在各個領域使用,但由于銣原子的原子特性的原因,銣鐘并不具有銫鐘和氫鐘那樣優秀的長期穩定度,因而需要校準。為了提高銣鐘的長期穩定度,可以通過使用GPS系統來對銣鐘進行控制和校準。

GPS系統通過測量時間差來實現定位測量,為了達到較高的定位精度,GPS系統內部時間測量精度**。通過使用GPS系統來對銣鐘進行校正,可以很好的提高銣鐘的長期穩定度,降低銣鐘輸出信號的飄移。

應用領域

銣鐘的應用領域主要有三個方面:科研測量,生產制造,廣電電力。

在科研測量研究單位,銣鐘既可以為測量提供高精度的基準源,也可以作為測量校準儀器的高精度外部時基。

在生產制造領域,銣鐘可為需要高精度頻率基準輸出的生產線提供頻率基準輸出,這些基準信號被用來對電子產品進行校準。銣鐘還可以作為產線測量儀器的外部高精度時基,大大提高產線測試的精度,確保產品質量。

在廣電電力系統中,銣鐘可以被作為系統的主鐘來使用,從而有效地實現系統內部各個部分的同步

星載銣原子鐘

高精度星載銣鐘是203所專為北斗二代二期工程設計的新一代星載銣原子鐘,采用無混頻直接頻率技術合成方案,保證了微波電路的頻譜對稱穩定、噪聲低、功率穩定性高的特點;其次,對銣鐘關鍵伺服電路,尤其是對低噪聲高頻譜純度微波電路和低噪聲鎖頻環路進行了設計改進與優化提高,保證了銣鐘的穩定性,取得了良好的測試結果,使產品性能達到了設計預期。


不同類型原子鐘的比較

       銣鐘與銫鐘和氫鐘相比,體積較小,重量較輕,耗電較少。有比較好的短期頻率穩定度,在時間常數小于1000S時優于銫鐘。老化率優于晶體鐘,預熱時間也較短。價格比銫鐘低。

       銫鐘長期頻率穩定度性能非常好,沒有老化現象,但能耗高、體積較大,價格貴而且銫束管的壽命為3~5年,屆時需更換。

       氫鐘具有**的頻率穩定度,但體積大,能耗高,價格也高,7年左右需更換氫元素。

SYN3204型GPS北斗馴服銣原子頻率標準.jpg

3204.1_副本.jpg

SYN3204型GPS北斗馴服銣原子頻率標準是一款自主研發生產的的高精度GNSS頻率標準,符合JJG 292-2009銣原子頻率標準檢定規程,接收GPS北斗衛星信號,使銣振蕩器輸出頻率同步于GPS北斗衛星銫原子鐘信號上,提供銫原子鐘量級的高精度時間頻率信號,是計量通信廣電等部門替代銫鐘的高性價比時頻產品。

該銣頻標輸出多路10MHz/5MHz/1MHz/1PPS等,并配有上位機校時軟件,用于同步電腦時間,前面板顯示收星顆數,工作模式,時間信息,經緯度高度等位置信。并具有初始守時時間任意設置功能,單GPS、單北斗和GPS北斗混合三種衛星模式選擇功能,自動熄屏功能和守時模式手動開啟功能。該銣頻標廣泛應用于無線電導航與定位、數字通訊工程、時間頻率測量等領域。

本文《銣鐘銫鐘氫鐘等原子鐘的詳細對比介紹》版權歸同步天下所有,尊重原創,嚴禁洗稿,未經授權,不得轉載,版權所有,侵權必究!