氢原子钟蓝宝石谐振腔的设计和实验表现

为了设计主动型氢原子钟蓝宝石谐振腔的结构尺寸,对根据TE011模式下蓝宝石谐振腔的麦克斯韦尔方程组推出的超越方程进行了求解,利用电磁场有限元分析软件对蓝宝石腔进行了仿真分析。通过计算S参数,确认了所设计的氢原子钟蓝宝石谐振腔实现氢脉泽自激振荡的现实性。利用SOHM-4型氢钟机架作为实验床,在离子泵电流1.1 mA时,得到了强度为-102.93 dbm的脉泽振荡信号。此信号强度与标准的主动型氢原子钟在相同的离子泵电流下的信号强度相仿。     

SOHM-4型氢原子钟的设计改进与初步性能

氢原子钟是一种最稳定的 (除极短测量时间间隔之外 )频率标准 ,但是环境温度变化及微波谐振腔老化会引起原子钟输出频率的变化 ,从而导致氢原子钟长期性能变差。为了减小这些影响 ,可借助一种自动调谐器来确保谐振腔的频率始终工作在所需的频率上 ,并采用新的温度控制系统来改善氢原子钟的长期性能。针对这些年来许多氢钟出现的有关问题 ,上海天文台在借鉴国外氢钟实验室经验的基础之上 ,对原有氢钟进行了技术改造 ,并为国家授时中心研制了SOHM - 4型氢原子钟。对该型氢原子钟技术改造特点作了介绍 ,并给出了期望的性能指标及初步的测试结果     

主动型氢原子钟的研究进展

基于氢原子微波激射器(氢脉泽)的主动型氢原子钟(氢钟)拥有极好的中短期频率稳定度,而原子储存泡是氢脉泽的关键技术。位于微波谐振腔内的原子储存泡中的氢原子系综与电磁场相互作用。简述了氢原子系综与电磁场相互作用的动力学过程、氢脉泽和主动型氢原子钟的相位噪声,还介绍了原子储存、原子与原子的自旋交换碰撞、原子与泡壁的碰撞和磁场不均匀弛豫等主要弛豫过程。并概述了在腔频的自动调谐方法、双选态系统方面的发展和电离源、真空系统等技术方面的改进。最后,讨论了氢钟的发展前景。     

SOHM型氢钟在国家授时中心的运行情况分析

上海天文台研制的型号为SOHM-3和SOHM-4的3台氢原子钟在中国科学院国家授时中心(NTSC)已经运行了一年多时间。收集了每个氢原子钟与NTSC主钟的时间比对数据。数据的分析结果给出了这几台氢钟在不同采样间隔上的频率稳定度,也显示出1台氢钟明显的相位跳变,讨论了这种相位跳变的原因。比较了这3台氢钟和从美国进口的Symmetricom公司制造的氢钟的频率稳定度的温度变化效应,指出了上海天文台研究制的氢钟存在的主要问题。     

脉冲微波式氢原子钟初期电路设计

上海天文台时间频率研究室以原有被动型氢钟物理部分为基础,开展了脉冲微波式氢原子钟的研究。设计电路产生2个相干微波脉冲,连续激励氢原子跃迁,模拟双腔共振,使氢原子发生Ramsey干涉,压缩氢原子跃迁谱线宽度,以期提高氢原子钟短期稳定度指标。具体做法为:用DDS产生扫频电路,混频生成1.420 405 GHz激励信号后,再用CPLD产生脉冲时序控制数字衰减器,将激励信号衰减为脉冲形式,激励氢原子发生Ramsey干涉,导出微波信号并进行相关处理就可以产生Ramsey条纹。已观测到Ramsey干涉条纹,其中心峰宽度为1.2 Hz,相比传统被动型氢原子钟压缩了60%。     

SOHM-4与MHM-2010氢原子频标的特点比较

基于对已投入国家授时中心守时运转的SOHM-4型与MHM-2010型氢原子频标的长期关注,对这两种氢原子频标的性能作了较详细的比较和分析。讨论了它们共同的优点、各自的特长和不足之处,还给出了稳定度的测试结果。     

被动型氢钟流量变化对长期频率稳定度的影响分析

为提高系统的长期频率稳定度(它是被动型氢钟的一个重要指标),设计了一种实验,用以分析在不同微波腔谐振频率下,氢气流量变化对输出频率的影响。通过实验发现微波腔的控制电压存在一个调谐点,在调谐点附近,流量变化对输出频率的影响变小。但是对于单频系统,如何将微波腔锁定在调谐点附近以及如何减小流量的影响和提高系统的长期频率稳定度还需要进一步探索。     

星载氢原子钟用多段线圈式C场的仿真及应用

星载氢原子钟具有频率稳定度高、频率漂移率低的优点,在卫星导航定位和频率计量中得到了广泛应用。星载氢原子钟的腔泡系统用于实现氢原子的量子跃迁及其信号采集,原子跃迁信号幅度直接决定了系统的信噪比,进而影响整机性能指标,所以腔泡系统是星载氢原子钟的核心组件。目前,星载氢原子钟腔泡系统主要采用直螺线管来产生原子跃迁所需的C场。由于星载氢原子钟物理部分的结构限制,直螺线管的磁场均匀度有进一步提高的空间。探讨使用多段线圈代替直螺线管用于产生C场的可行性。首先对多段线圈产生的磁场进行理论分析计算,同时使用ANSYS电磁场仿真软件对多段线圈的各项参数进行仿真和优化,包括各段长度、段数、间距以及匝数、内径和总长度等。然后优选磁场均匀度较好的线圈配置参数,可将C场的非均匀度由直螺线管约10%降低到多段线圈约1%。根据仿真优化结果建立了试验九段线圈,对比测试了原子跃迁信号增益,同时结合电路部分进行闭环测试,对频率稳定度指标进行了对比。实验结果表明,原子跃迁信号可有效提升,阿伦方差在中短稳(1～1 000 s)表现更好。此项工作为星载氢原子钟整机性能指标的进一步提升打下了基础。     

被动型氢原子频标

1976年,NBS 提出了采用射频检测的被动型氢原子频标的设计,经过几年的研制实践证明,这种有腔频伺服的被动型氢原子频标具有优良的长期频率稳定度性能,由于被动型氢原子频标无需满足振荡条件,腔的 Q 值可以选得较低,可以做成介质腔或其它结构形式的腔,缩小腔的体积,易实现氢原子频标的小型化。NBS 的小型化氢原子频标亦已制成,用陶瓷作腔介质,腔直经为14.6cm,高为13.7cm,腔的无载 Q 为600,激射器容积仅为20升。此小型化氢原子频标稳定度为5×10~(-15)/7天,漂移为1.2±5×10~(-18)/天,守时能力为5±3ns/7天。     

基于液晶相位可变延迟器频率调谐外腔半导体激光器

利用液晶相位可变延迟器慢轴折射率随外加电压变化的特性,研制了一台用液晶进行频率调谐的分布反馈(DFB,distributed feedback)外腔半导体激光器。液晶DFB外腔激光器输出激光线宽为475 kHz,液晶电压变化1.6 V(0.5～2.1 V)时,激光频率变化为7 GHz,覆盖了Cs原子D2线的全部饱和吸收谱线。在实现外腔半导体激光器方法中,应用液晶调相较应用压电陶瓷(PZT)改变腔长,其具有调谐电压低,回程误差小,并可以消除机械稳定性差等特点。     

氢原子钟辅助电子学系统电路设计改进

氢原子钟辅助电子学系统已稳定工作多年,但是与目前的先进技术相比,原来的设计理念已显陈旧,同时暴露出外围电路庞杂、故障点比较多、问题查找困难等诸多问题;运用ARM+FPGA模式对电路进行了改进,其中运用12 bit高精度模数转换芯片实现参数采样,数字化设计改进氢原子钟智能温度控制系统,采用直接数字式频率合成器(Direct Digital Synthesizer,DDS)技术设计产生综合器频率信号,简化设计实现氢原子钟的通信功能;从测试结果来看,提高了参数的采样精度,数字化的智能温控模式实现了温度的自动化智能调整,直接式频率合成器技术简化了设计电路,基于i Coupler磁隔离技术的隔离型RS-232接口收发器设计提高了接口的稳定性;从整体设计来看,大大简化了设计电路,提高了系统性能及可靠性。     

脉冲星对氢原子钟的频率驾驭算法研究

氢原子钟具有较高的短期稳定度,将其作为主钟可在短期内产生高精度的本地时间信号.但氢钟存在频率漂移现象,导致其长期稳定度较差,从而影响本地时间的准确性.毫秒脉冲星自转高度稳定,借助于其长期稳定度高的特性,可定期实现对氢原子钟的频率驾驭,并对实时信号加以控制.首先分析了国际脉冲星计时阵(International Pulsar Timing Array,IPTA)第二批发布数据中四颗毫秒脉冲星的稳定度随时间的变化,同时采用哈达玛方差分析了中国科学院国家授时中心(National Time Service Center,NTSC)一台氢钟的频率稳定性能,最终给出了利用脉冲星驾驭氢原子钟频率的方法.     

基于LabwindowsCVI的外腔半导体激光器数字稳频系统设计

为抑制外腔半导体激光器频率漂移,提高频率稳定性,提出一种数字稳频方法。该方法采用数据采集卡,基于LabwindowsCVI语言实现数字锁相放大模块获得稳频误差信号,通过此信号控制压电陶瓷电压,将852 nm外腔半导体激光器的频率锁在铯原子谱线上,实现20 s频率稳定度8.7×10-11。该数字稳频方法降低了人力成本,易升级和修改,具有移植性好和用户界面友好等优点。     

主动型氢原子钟性能监测及评估方法研究

主动型氢原子钟是时间尺度建立和保持的主要频率源,具有短期稳定度高及相位噪声低等特性,目前在国际原子时TAI (International Atomic Time)及各地方时间尺度中的作用日益重要.首先结合主动型氢原子钟内部状态参数,分析状态参数与氢原子钟比对数据的相关性,提出了氢原子钟性能监测方法.其次,针对氢原子钟性能特点,在衡量氢原子钟性能最主要的两方面,即频率稳定度及"可预测性"方面,给出了氢原子钟性能评估方法,并利用该方法对目前国际通用的两种主动型氢原子钟(CH1-75型及MHM-2010型)进行性能评估.原子钟状态参数与比对数据联合分析结果表明,状态参数监测可以有效预报钟性能的变化.原子钟频率稳定度及"可预测性"评估结果表明,中、长期稳定度越高的原子钟"可预测性"也越好. BIPM (Bureau International des Poids et Measures)权重验证结果表明,基于BIPM公布数据以及基于2次模型两种预报方法计算出来的钟"可预测性"均与BIPM公布的权重相吻合,可以作为钟"可预测性"的定量评估方法.     

减少氢脉泽谐振腔结构温度系数的一种方法

本文主要讨论为减少氢脉泽谐振腔结构温度系数的一种方法.经过简单的理论分析及测定了贮存泡的温度系数后,使我们可以选择不同的谐振腔材料膨胀系数和根据腔的几何尺寸.并配以适当高度的补偿材料的方法来减少整个谐振腔。泡结构的温度系数。实验表明所获得的温度系数与理论计算结果符合较好.整个腔、泡结构的温度系数由原来的459Hz/℃减少到了68Hz/℃,而且腔、泡结构十分简单,这就为提高氢脉泽的长期频率稳定度创造了良好的条件.     

超导稳频振荡器微波腔的优化设计

为应用于超导稳频振荡器,针对目前已有的超导微波腔进行了优化设计。综合考虑超导腔的表面电磁场、机械加工及表面处理等因素,决定采用圆柱形腔。所设计的圆柱形微波腔工作模式为TM010,直径为50 mm,高度为26.5 mm,频率为4.5 GHz。优化束管尺寸以减小对超导腔电磁场模式的影响,所设计的束管直径为10 mm,长度为50 mm。     

H7氢钟腔—泡结构特征和储存泡涂敷技术

本文介绍上海天文台氢原子钟腔－泡结构的改进，改进后的近实体型腔－泡结构的特征和漂浮板滚柱结构以及贝氏弹簧在消除系统中应力所起的作用，同时还介绍了储存泡设计的改进，改进后的腔－泡整体结构频率温度系数的实验数据及储存泡内表面涂敷工艺。     

时频测量中开关系统隔离度的考虑

在多路时频信号的自动测量中,开关系系统是一个不可缺少的组成部分.尽管控制方式有各种各样,但有一个最基本的技术要求——开关系统的隔离度,无论对于一个测量系统的总体设计者或者对于一个开关系统的实际制作者,都必须根据所要求达到或期待的测量目标予以考虑和确定。本文从信号相位和频率测量的角度,探讨了一个开关系统可能对这些测量带来的影响,并力图在测量目标与开关系统隔离度之间导出一定的数学关系。     

嫦娥四号低频射电频谱仪降低背景噪声方法的研究

嫦娥四号着陆器将搭载低频射电频谱仪在月球背面进行低频射电天文观测,低频射电频谱仪的观测波段为0.1~40 MHz。根据着陆器在中国空间技术研究院的微波暗室进行的电磁兼容性试验结果,着陆器平台在该频段内自身存在非常强的噪声,其强度甚至淹没大部分来自太阳爆发的信号,难以探测有效信号,实现预期的科学目标。通过模拟仿真分析谱减法、维纳滤波及自适应滤波3种方法对着陆器噪声消除的效果,从而选择更为有效的噪声消除方法,为低频射电频谱仪在轨探测任务的数据处理提供依据。     

氢原子频标的小型化

小型化是目前氢钟的发展方向之一，氢钟的小型化主要是谐振腔的改进，它的结构尺寸决定了氢钟的最小尺寸和重量，目前要用的小型腔主要有电极负载腔，磁控管腔，介质负载腔和TE111腔，新型的谐振腔虽然减小了体积减轻的重量，但量由于它本身已经很难满中立起振条件，所以在伺服电路上也不同于主动型氢钟，根据电路原理的不同，将小型化的氢钟分为反馈振荡型和被动型，反馈振荡型氢钟使激射器工作在反馈振荡状态，通过正反馈维持激射器振荡，被动型氢钟的激射器工作在振荡阈值之下，其作用与揩振放大器相似。