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原子钟的特点及技术发展分析

2018-8-23 16:14:44  三胜产业研究中心  http://www.china1baogao.com/

  1、常用工程原子钟的特点及发展分析


  原子钟是现代量子力学和电子学相结合的产物,它利用原子不同能级之间跃迁所发射或吸收的电磁波频率作为标准,具有高准确和高稳定的特点。在原子钟诞生前,人类以地球的自转或公转周期作为时间单位(天文时)。世界上第一台原子钟于1948年问世,由于其准确度不高未能成功取代传统时间基准技术。英国于1955年研制的第一台铯束原子频率标准准确度达到1×10-9,超过了当时天文观测所能达到的水平。时间频率测量领域也因此发生了划时代的变化,由传统的天文学的宏观领域过渡到现代的量子物理学的微观领域。


  1967年10月,第13届国际计量会议通过了新的“秒”的定义:“秒是铯133Cs原子基态的2个超精细能级间跃迁辐射振荡9,192,631,770个周期所持续的时间”。现在,时间已进入原子时时代。随着技术不断进步,原子钟的种类也迅速扩展到不同应用领域的铯原子钟、铷原子钟、氢原子钟、CPT原子钟等,原子钟的性能指标被不断地刷新,精度平均每十年提高一个量级。


  我国原子钟研究始于20世纪60年代,1969年提出独立自主地建设我国的原子时系统,并陆续研制成功了包括铯、氢和铷等三类原子钟,在当时和美国几乎处于相同技术水平。随后原子钟的研究停滞了较长的时间,导致我国各行业所需的原子钟几乎完全依赖进口。直到2002年召开的“卫星导航星载原子钟与同步技术”香山科学会议,认识到原子钟对卫星导航、未来高技术战争和现代信息技术的重大意义,我国对原子钟的技术研究和产品研制生产重新获得了高度重视。三胜咨询研究员张祥光表示,目前,铷原子钟、氢原子钟在国内已实现了批量化生产,而铯原子钟、CPT原子钟在我国尚未实现国产化批量生产,主要依靠进口。


图表:常用工程原子钟的特点及发展

  2、原子钟的技术水平及技术特点


  铯原子钟:铯原子钟具有频率准确度高和频率稳定度好且无长期频率漂移的显著特点,是国际上守时应用最多的原子钟,从技术实现上分为磁选态铯钟和激光抽运铯钟两大类。由于磁选态铯钟的电子倍增器受基础材料和工艺的制约,目前全世界仅美国的Symmetricom公司、瑞士的OSA公司能批量生产。尽管国内相关研究单位开展了几十年的研制,也取得了一定程度的进展,但一直未能实现工程化产品,导致我国工程用铯原子钟全部依赖进口。随着激光技术的发展,采用激光检测技术可避免电子倍增器技术颈瓶,可大大提高铯原子钟的使用寿命,激光抽运铯钟已成为铯原子钟的发展方向。在国家科技部、总装备部的立项支持下,国内北京大学、天奥电子等单位开展了激光抽运铯原子钟研究工作,其中天奥电子获得国家科技部“2012年重大科学仪器设备开发专项”支持并已实现工程化样机。


  铷原子钟:铷原子钟是目前工程应用最广泛的原子钟,与铯钟、氢钟相比,铷钟具有体积小、重量轻、环境适应性强的优势。铷钟的发展方向主要是高性能和小型化。高性能方面,主要以星载、弹载、机载等类型铷钟为代表,小型化铷钟则被广泛应用于数字通信、电力同步、高速交通等民用领域。国外铷钟生产主要集中在美国的Symmetricom公司、FEI公司、瑞士的SpectraTime公司和俄罗斯的Kvarz公司等。国内从事原子钟研究的主要有北京大学、武汉物数所、航天203所和天奥电子等单位,整体技术水平已达国际先进水平。其中北京大学、武汉物数所、航天203所主要开展星载铷原子钟的研制,天奥电子推出了满足电信、航空、航天及国防应用的系列化铷钟,推动了铷原子钟的产业化,提升了我国国防装备、民用通信核心部件的自主保障能力。


  CPT原子钟:CPT原子钟基于原子与激光的相干囚禁理论,是近年发展起来的新型原子钟。由于不再需要传统的微波腔,可采用MEMS、CMOS等制造工艺,具有微型化、低功耗的显著特点,极大地拓展了原子钟的应用领域,代表了原子钟微型化的发展方向。美国的Symmetricom公司已实现SA.45CPT原子钟的批量生产。我国北京大学、武汉物数所和天奥电子等单位相继开展了CPT原子钟的研究工作。

 

 

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