星载铯钟C场设计及磁场分析

铯原子钟调查报告1.铯原子钟简介一种精密的计时器具。

日常生活中使用的时间精准到1分钟也就够了，但在近代的社会生产、科学研究和国防建设等部门，对时间的要求就高得多。

它们要求时间要准到千分之一秒，甚至百万分之一秒。

为了适应这些高精度的要求，人们制造出了一系列精密的计时器具，铯钟就是其中的一种。

铯钟又叫“铯原子钟”。

它利用铯原子内部的电子在两个能级间跳跃时辐射出来的电磁波作为标准，去控制校准电子振荡器，进而控制钟的走动。

这种钟的稳定程度很高，中国最新研制的铯原子喷泉钟NIM5，精度达到了连续走时1500万年，累积误差小于1秒【1】。

现在国际上，普遍采用铯原子钟的跃迁频率作为时间频率的标准，广泛使用在天文、大地测量和国防建设等各个领域中。

2.铯原子钟历史二十世纪30年代，美国哥伦比亚大学实验室的拉比和他的学生在研究原子及其原子核的基本性质时所获得的成果，使基于上述原子计时器的时钟研制取得了实质性进展。

二战后，美国国家标准局和英国国家物理实验室都宣布，要以原子共振研究为基础来确定原子时间的标准。

世界上第一个原子钟是由美国国家物理实验室的埃森和帕里合作建造完成的，当时这个钟需要一个房间的设备，另一名科学家扎卡来亚斯使得原子钟成为一个更为实用的仪器。

1954年，他与麻省的摩尔登公司一起建造了以他的便携式仪器为基础的商用原子钟。

两年后该公司生产出了第一个原子钟，并在四年内售出50个，如今用于GPS的铯原子钟都是这种原子钟的后代。

1967年，第十三届国际度量衡会议采用铯-133原子钟所发出特定波长的频率，作为秒的基准依据。

当此原子钟某特定波长所发出的光振动9,192,631,770 次所经过的时间，定义为一秒。

1995年在法国研制成功的冷原子钟（铯原子喷泉），利用了“激光冷却和囚禁原子原理和技术”，使原子钟的水平又提高了一个数量级。

目前，世界上只有法国、美国、中国、德国等少数几个国家研制成功。

今天，名为NIST F-1的原子钟是世界上最精确的铯原子钟，但它并不能直接显示钟点，它的任务是提供“秒”这个时间单位的准确计量。

铯原子喷泉钟空间均匀C场的研究施俊如;张首刚;王心亮;阮军;管勇;白杨;刘浩;杨帆;刘丹丹;张辉【期刊名称】《时间频率学报》【年(卷),期】2018(041)003【摘要】二阶塞曼频移是影响铯原子喷泉钟频率不确定度性能的系统项之一,而二阶塞曼频移的不确定度由C场均匀度决定.C场均匀度又与C场强度随时间的变化情况(时间稳定性)和C场强度沿原子飞行路径的变化情况(空间均匀性)有关.均匀C 场的实现有两种途径:一是磁屏蔽的屏蔽效果好且无剩磁;二是在磁屏蔽两端加补偿线圈,但是补偿线圈会引入电噪声而降低C场的时间稳定性.首先理论研究了由C场引起的二阶塞曼频移,和由C场空间均匀度引起的二阶塞曼频移不确定度.实验上通过改进退磁方法对磁屏蔽进行了整体退磁,得到了无补偿情况下空间均匀度良好的剩磁47 cm@1 nT,和C场**********.最后计算得到二阶塞曼频移为68.7×10-15,由C场空间均匀度引起的二阶塞曼频移不确定度为6.05×10-19.【总页数】6页(P145-150)【作者】施俊如;张首刚;王心亮;阮军;管勇;白杨;刘浩;杨帆;刘丹丹;张辉【作者单位】中国科学院国家授时中心,西安 710600;中国科学院时间频率基准重点实验室,西安 710600;中国科学院国家授时中心,西安 710600;中国科学院时间频率基准重点实验室,西安 710600;中国科学院国家授时中心,西安 710600;中国科学院时间频率基准重点实验室,西安 710600;中国科学院国家授时中心,西安710600;中国科学院时间频率基准重点实验室,西安 710600;中国科学院国家授时中心,西安 710600;中国科学院时间频率基准重点实验室,西安 710600;中国科学院大学,北京 100049;中国科学院国家授时中心,西安 710600;中国科学院时间频率基准重点实验室,西安 710600;中国科学院国家授时中心,西安 710600;中国科学院时间频率基准重点实验室,西安 710600;中国科学院大学,北京 100049;中国科学院国家授时中心,西安 710600;中国科学院时间频率基准重点实验室,西安 710600;中国科学院大学,北京 100049;中国科学院国家授时中心,西安 710600;中国科学院时间频率基准重点实验室,西安 710600;中国科学院大学,北京 100049;中国科学院国家授时中心,西安 710600;中国科学院时间频率基准重点实验室,西安 710600【正文语种】中文【相关文献】1.从长度单位米到时间单位秒:稳频激光-飞秒光梳-铯原子喷泉钟-光钟 [J], 李天初2.铯喷泉钟冷原子碰撞频移的差分法测量研究 [J], 林睿;张首刚;王心亮;刘丹丹;管勇;张辉;陈江;余凤翔;施俊如;阮军3.铯原子喷泉钟均匀C场的实现 [J], 吴长江;管勇;陈江;张辉;阮军;张首刚4.以原子喷泉为基础的新型铯原子钟的研究进展 [J], 刘海峰;纸明惠;5.铯原子喷泉钟频移的自动评定系统研究 [J], 刘丹丹;阮军;管勇;张辉;杨帆;王心亮;施俊如;张首刚因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

星载铷钟频率漂移修正方法研究王剑祥; 张金海; 陈溶波; 涂建辉; 杨炜; 崔敬忠【期刊名称】《《真空与低温》》【年(卷),期】2019(025)006【总页数】5页(P398-402)【关键词】星载铷钟; 频率漂移; 修正【作者】王剑祥; 张金海; 陈溶波; 涂建辉; 杨炜; 崔敬忠【作者单位】兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室兰州 730000【正文语种】中文【中图分类】TM935.11+50 引言铷钟具有体积小、质量轻、功耗低、可靠性高以及寿命长的优点，在导航卫星中得到广泛应用[1]，但是铷钟作为二级频标，主要存在几个方面的缺点：首先，其频率准确度稍差，比铯钟相差一个数量级（铯钟为10-13量级）；其次，铷钟的开机频率复现性不好；第三，其频率漂移率较大，为10-14/d量级（开机阶段和平衡阶段为10-13/d）；第四，铷钟长期频率稳定度随着无规噪声的影响而恶化。

这些因素都会影响导航卫星的定位精度[2-3]。

为了提高星载铷钟的导航应用能力，需要在保证其短期频率稳定度的基础上，降低频率漂移的影响。

由于铷钟频率漂移具有非线性特征，采用线性漂移修正方法不能完全达到目的，需要根据铷钟频率漂移的特征开展工作，本文对实际工作的铷钟特征进行具体分析，研究频率漂移修正的方法，以期找到合理的途径，从而充分地发挥铷钟在导航定位中的作用。

1 铷钟漂移的特征铷钟开机后，其输出频率随时间的变化与具体的设计和环境因素有关，但总的趋势基本相似[4-5]。

图1为某星载铷钟开机后输出频率随时间的变化过程，开始阶段频率向正向漂移（漂移率为10-13/d水平），经过约两天以后，漂移逐渐从正向变为负向，趋于稳定漂移阶段（-10-13/d），之后随开机时间的延长，漂移逐渐减小（小系数10-14/d）。

铷钟频率漂移对导航和守时的精度影响很大。

如果是线性漂移，对时间精度的影响可用式（1）来表示[6]：式中：ΔT为时间误差；α为频率漂移率；t为时间校准间隔。

国产高性能光抽运小铯钟研制进展贺轩1，袁志超1，陈佳源1，陈徐宗1，王青2*，齐向晖1*（1.北京大学量子电子学研究所，北京 100871；2.北京大学电子信息科学基础实验中心，北京 100871）摘要：介绍了北京大学利用光抽运小铯钟相比于传统的磁选态小铯钟有更高的铯原子利用率的优势，在频率稳定度方面取得的突破性进展；总结出了光抽运小铯钟达到高性能的关键因素在于铯束管优值、激光稳频和电路地噪声；最终优化后的光抽运小铯钟频率稳定度均超过了5071A优质管2倍以上，典型值为3 × 10-12 / τ1/2；近三年来陆续研制出8台光抽运小铯钟，初步实现了高性能光抽运小铯钟工程化。

关键词：原子钟；小铯钟；光抽运；频率稳定度；信噪比中图分类号：TB939 文献标志码：A 文章编号：1674-5795（2023）03-0099-08Progress of domestic high performance optically pumpedcompact cesium clocksHE Xuan1, YUAN Zhichao1, CHEN Jiayuan1, CHEN Xuzong1, WANG Qing2*, QI Xianghui1*(1.Institute of quantum electronics, Peking University, Beijing 100871, China；2.Center for experimental electronics and information, Peking University, Beijing 100871, China)Abstract: The advantage of optically pumped compact cesium clocks is that they have a higher utilization of at⁃oms compared to traditional magnetic state⁃selection cesium clocks. The group in Peking University has made breakthroughs in the frequency stability of optically pumped compact cesium clocks. The key factors for achieving high performance of optically pumped compact cesium clocks are the cesium beam tube, laser frequency stabiliza⁃tion, and circuits. The frequency stability of the optimized optically pumped compact cesium clock exceeds by more than twice that of the 5071A high⁃performance cesium beam tubes, with a typical value of 3 × 10-12 / τ1/2. Eight opti⁃cally pumped compact cesium clocks have been developed in the past three years. And the commercial high perfor⁃mance optically pumped compact cesium clocks have been preliminarily realizedKey words: atomic clock; compact cesium clock; optical pumping; frequency stability; signal⁃to⁃noise ratio0　引言小铯钟是目前应用广泛的原子钟之一，在守时授时、卫星定位导航、高速通信、量子精密测量等领域发挥着重要作用［1-4］。