新型原子钟发展现状_张首刚

总第32卷 第2期时间频率学报Vol.32 No.2 2009年12月Journal of Time and Frequency Dec., 2009新型原子钟发展现状张首刚（中国科学院国家授时中心，西安710600）摘要：结合我国全球卫星导航定位系统的建设和发展需求，介绍了不同类型的新型原子钟研究现状与发展趋势，并简要给出了发展我国原子钟研究的讨论性意见。

关 键 词：卫星导航；原子钟；时间频率传递中图分类号：TM935.115文献标识码：A 文章编号：1674-0637(2009)02-0081-11卫星导航定位系统的建设和发展对国防、科技、经济和社会生活有着至关重要的战略意义。

卫星导航定位系统的主要应用价值是用户通过它可以获取其位置、速度，以及时间共七维信息，而位置和速度信息的获得也依赖时间测量。

时间的精确测量依靠原子钟。

1967年第十三届国际计量大会通过了把原来基于天体宏观周期运动的时间单位“秒”长定义改变到基于原子内部的微观运动：秒长是铯（133Cs）原子基态的两个超精细结构子能级间跃迁电磁辐射周期的9 192 631 770倍所持续的时间。

现在，“秒”长定义的复现和时间频率的精确测量依靠量子频标（又称原子频标）实现。

简单地讲，原子频标是应用原子或离子内部能级间的跃迁频率作为参考，锁定晶体振荡器（简称晶振）或激光器频率，从而输出标准频率信号的信号发生器。

在计量学中，称其为频率标准器具，它是当代第一个基于量子力学原理做成的计量器具。

物体运动周期与频率成反比，所以原子频标通常又叫原子钟。

实际上，原子钟应该是能够产生时间信号（如秒脉冲）并有计数装置的原子频标。

卫星导航定位系统由地面运控部分（包括主控站、监测站和注入站）、空间卫星星座部分和用户设备部分组成。

卫星导航定位系统时间是由主控站和监测站的守时钟组和基准钟，以及星载原子钟共同建立的时间基准坐标，并通过远程比对技术溯源到国家基准时间和国际标准时间。

监测站以本站原子钟时间为参考接收卫星发送的信号，观测卫星的实际位置与预测位置的偏差，测量时间差以及各项传播延迟。

监测站把所测量到的数据和推算出的结果通过通信网络输送到主控站。

主控站又以卫星导航定位系统基准时间（由主钟保持）为参考对来自各监测站的数据和结果进行分析和处理，推算出合理数据和卫星所要完成动作的指令。

这些新的数据和指令被输送到注入站，注入站及时发送这些数据和指令到所加注的卫星。

卫星接收到数据和指令后按照新的指令进行工作，并把数据及各修正参数发送给用户。

根据导航定位精度要求和星载原子钟稳定度性能，地面运控系统周期性地对卫星进行监测和加注。

在非常情况下，当地面运控系收稿日期：2009-05-15基金项目：国家973计划资助项目（2005CB724501）；国家自然科学基金重点资助项目（10834007）；中国科学院重要方向资助项目（KJCX2-SW-T12）。

82 时间频率学报 总32卷统不能正常工作时，卫星导航完全依靠星载钟和星间链路实现自主导航。

目前，一般用户接收机的参考时间频率信号由晶振提供。

特殊用户的接收机配备有原子钟。

在卫星导航系统中，原子钟是实现授时功能的基础，实现定位功能的前提，实现测速功能的条件，实现自主运行的保障。

原子钟性能直接决定着导航定位精度和授时精度。

正像王义遒先生所说的那样，“时间频率是强国强军的关键技术……原子钟是时间频率的核心部件”[1]。

原子钟研究已有半个多世纪的历史，传统原子钟的潜力已挖掘殆尽。

近二十多年来，随着新物理理论和新技术成果的应用，人们研制出了不同类型的新型原子钟，它们已经或将应用于卫星导航定位系统。

本文就新型地面原子钟、新型星载原子钟和微型接收机原子钟，分别介绍其研究现状和发展趋势，同时，顺便简要介绍时间频率传递技术的现状和发展趋势。

最后，针对我国全球卫星导航定位系统建设和发展，就我国原子钟研究发展提出几点讨论性意见。

1 新型地面基准型原子钟及高精度时间频率传递技术高性能基准型地面原子钟作为时间频率基准运行在地面主控站和监测站，通过对地面站其他长期连续运转的原子钟群（如主动型氢原子钟、磁选态铯钟以及星载钟等）形成的稳定时间频率信号进行准确度标校，从而产生既准确又稳定的自主卫星导航基准时间频率信号，作为参考实现星地时间同步。

自1955年第一台磁选态铯束原子钟的出现起，世界各国研制了大量铯束原子钟，到目前只有德国物理技术研究院PTB的大型磁选态铯束原子钟装置（Cs2）作为基准在继续应用，其准确度为1.2×10-14。

为了提高原子的利用效率和原子跃迁检测效率，20世纪80年代，人们发明了用激光进行原子态抽运和跃迁几率检测。

目前，只有法国巴黎天文台的光抽运铯束原子钟装置JPO在运行（韩国仍在继续研制大型光抽运铯束原子钟装置），并参加国际原子时TAI计算，经过不断改进，目前实现准确度为6.3×10-15[2]。

随着激光冷却原子的物理与技术的迅速发展，20世纪90年代研制的冷原子喷泉钟在准确度和稳定性方面的性能较上述传统铯束原子钟提高了一个量级。

1.1 冷原子喷泉钟目前，时间单位“秒”的长度定义在铯原子基态能级跃迁频率上。

时间频率基准钟装置是运行在一定实验室环境，具有自我评估能力的最高时间频率标准装置，是时间频率计量单位传递的源。

近十几年来，作为各国的时间频率基准，传统的磁选态和光抽运大型铯束原子钟逐渐被铯原子喷泉钟取代。

自1995年法国巴黎天文台（OP）的铯原子喷泉钟FO1作为基准钟运行以来，全世界目前正在运行和正在研制的冷原子喷泉钟约有15台（其中五六家在研制第二三台）左右，其中OP, 美国标准与技术研究院（NIST），英国国家物理研究院（NPL）, 德国物理技术研究院（PTB）和意大利国家计量科学研究院（INRIM）的铯喷泉钟直接驾驭着国际原子时TAI的速率。

铯原子喷泉钟是目前世界上精度最高的微波原子钟，其中OP的3台喷泉钟和NIST喷泉钟的准确度和日稳定度均已进入10-16量级（FO1和FO2相互确认准确度为4.0×10-16，它们的频差稳定度为 5.5×10-14/s，3.0×10-16/几天[3]）。

OP研制的准车载喷泉钟，在欧洲执行了几次搬运钟比对，完成了有关高精密原子谱线测量和广义相对论验证的实验研究。

目前，为减小因DICK 效应引起的晶体振荡器相位噪声对喷泉钟稳定度的影响，德国PTB和法国OP通过飞秒脉冲光学频率梳，用超稳激光器代替晶体振荡器。

为减小黑体辐射频移，意大利正在研究超低温环境下的铯原子喷泉钟。

为了摆脱地球重力的影响，欧洲空间局将于2013年在国际空间站运行更高精度的冷原子束铯钟PHARAO，它的运行将对基础物理研究和时间频率技术发展产生很大的推动作用。

由于铯原子喷泉钟的冷原子碰撞频移较铷原子喷泉钟大，限于当时的技术，美国海军天文台为GPS时间系统立项研制6台铷原子喷泉钟，其中2台已进入运行状态。

第2期 张首刚：新型原子钟发展现状 83铯原子喷泉钟作为时间频率基准钟运行在地面运控系统，对其他长期连续运转的原子钟群形所产生的稳定时间频率信号进行准确度标校，在非常时期，无需通过国际国内远程比对，也能独立自主地产生和保持高精度的卫星导航基准时间频率信号，增强导航定位系统的自主运行能力和抗干扰能力。

中国计量科学研究院已研制了3台铯原子喷泉钟，自评估准确度2∼5×10-15，稳定度为3∼5×10-15/d。

研究人员正在建立高精度国际双向卫星时间比对系统，届时，他们就可以验证自身评估结果，并参加国际原子时计算。

中国科学院国家授时中心采用新技术正在开展铯喷泉钟研究，研制的9.2 GHz微波频率综合器和新型外腔半导体激光器系统具有国际先进性。

中国科学院上海光学精密机械研究所也正在研制铷原子喷泉钟以及空间冷原子束铷原子钟，其中铷原子喷泉钟已闭环工作。

1.2 冷原子光钟原子钟的准确度和稳定度均以其所应用的量子跃迁谱线频率的相对值来表示。

与微波信号相比，光信号的频率高，并且有一些原子或离子的光学频率跃迁谱线很窄，其相应的Q值高达1018。

利用这些谱线实现的频标，即光频标，具有极高的频率稳定度。

实现频标跃迁谱线的系统误差及其测算精度与谱线频率值本身没有一定的比例关系，所以光频标也具有很高的准确度潜力，预测其准确度和稳定度将优于10-18。

目前，美国NIST、英国NPL、德国马普量子光学研究所MPQ和德国PTB等研究单位分别在应用单粒子囚禁和激光冷却技术研制Al+、Hg+、Yb+、Sr+、In+光频标，NIST实现的Al+和Hg+光频标准确度分别为 2.3×10-17和1.9×10-17[4]，超越了冷原子喷泉钟。

近七八年来，原子冷却技术，尤其光晶格原子囚禁技术的飞速发展，使基于冷原子样品而实现的光频标不仅拥有离子光频标所具有的高准确度潜力，而且克服了离子光频标的低信噪比和高量子投射噪声的弱点，从而具有很高稳定度的潜力。

世界发达国家纷纷开展了基于冷原子的光频标研制。

法国天文台已开始了第二台冷原子光频标实验室装置研制。

近一两年来，日本（东京大学，ERATO和PRESTO研究所）、法国OP、德国PTB、英国NPL、美国（NIST，JILA（Joint Institute for Laboratory Astrophysics））和欧共体非线性光谱实验室（LENS）等都相继开展冷原子锶光钟的研究。

近两三年来，冷原子光钟研究进展非常迅速，一些实验室相继报道的数据表明其研究的冷原子光钟的稳定度和准确度性能已超越了铯原子喷泉钟。

但是，目前世界上只有4家单位的锶原子光钟准确度相互确认在1×10-15量级。

锶原子的相应跃迁谱线频率值已于2008年被国际时间频率咨询委员会推荐为二级标准频率。

目前，欧洲空间局（ESA）正在组织4家单位研制将要运行于卫星上或空间站的锶原子光钟和镱原子光钟[5]。

同时，作为欧洲计量研究计划项目EMRP-FP7，欧洲4家计量单位在共同研究锶原子光钟的性能，目的是推荐将来用锶原子能级跃迁重新定义“秒”长[6]。

国际计量局时间频率及重力部主任Arias博士认为，有可能在五六年内，新的“秒”长定义将通过锶光钟或其他元素光钟复现。

围绕我国卫星导航定位系统的建设和发展，现在部署研究将有可能取代铯原子喷泉钟，实现新的“秒”长定义的光钟研究具有长远意义。

中国科学院武汉物理与数学研究所开展了Ca+和镱原子光钟的研究，华东师范大学开展了镱原子光钟研究工作，中国计量科学研究院和中国科学院国家授时中心开展了锶原子光钟研究，北京大学开展了小型钙原子束光频标研究。

国内这些光频标研究均处于起步阶段，均实现了原子的初步冷却与囚禁（钙原子束光频标除外），武汉物理与数学研究所初步实现了Ca+光频标闭环。