我国自主研发“铯原子喷泉基准钟” 约等于5400万年不差1秒

分类：商机 2019-12-26 15:56:09 2036阅读次数

时间频率标准时间与频率互成倒数关系，频率标准可从时间标准导出，所以统称时间频率标准。时间频率原始标准应具有恒定不变性，可分为宏观标准和微观标准。宏观标准：基于天文观测;微观标准：基于量子电子学，更稳定更准确。时间频率标准包括精密钟、音叉、高稳定石英晶体振荡器和各种原子频率标准。

“时间计量”是天文学专有名词。时间可以通过周期性的运动过程去计量它。时间计量是研究计量时间的科学。在计时仪器方面，从古代的日圭、刻漏，发展到近代的机械摆钟，直到现代的石英钟和原子钟。

中国计量院攻克了冷原子制备、冷却和探测、超稳微波产生、时标驾驭等关键技术，研制出铯原子喷泉基准钟(NIM6)约等于5400万年不差1秒。项目成果为北京卫星导航中心时间频率系统标准时标的产生、保持、改进和比对提供计量支撑。

冷原子制备

冷原子是将原子保持在一个极低温的状态(接近零度，0K)，一般来说其典型温度在百纳开左右。在这样的低温状态下，原子的量子力学性质变得十分重要。冷原子被用于研究玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)，超流，量子磁性，多体系统，BCS机制，BCS-BEC连续过渡等，对理解量子相变有重要意义。冷原子干涉仪在高精度惯性导航，在高精度冷原子干涉仪中,大通量冷原子源必不可少,它可以实现磁光阱(MOT)中原子的快速装载,从而提高冷原子干涉仪的输出信噪比。完成了冷原子的制备，为了制备大通量的冷原子源,提高原子干涉仪的输出信噪比,利用饱和吸收法实现半导体激光器的稳频,声光调制器(AOM)实现激光移频。

铯冷原子喷泉钟

在激光冷却操控原子技术的基础上，直接诞生了铯喷泉原子钟，将原子钟水平提高了一个量级。国际上以美国国家标准技术研究院的NIST-F1铯喷泉钟Z准确。中国计量科学研究院研制的我国铯原子喷泉基准钟(NIM4#)，2004年投入运行。中科院国家授时中心也正在研制用于守时应用的铯喷泉原子钟。计量已成为国家核心竞争力的重要标志之一，计量精度的每一次提高，都给相关领域的测量、科学仪器的进步和技术创新以极大的推动力量。我国研制的“量子化霍尔电阻基准”，其不确定度优于国际Z好水平10倍，位列国际同类基准之首;“铯冷原子喷泉钟”准确度已相当于1500万年不差一秒，标志着我国成为世界少数具有独立完整时间频率体系的国家之一。

基准时钟

我国采用分布式多基准时钟源方式。北京设一个铯原子钟组，向北方地区提供基准时钟源;武汉设一个铯原子钟组，向中南地区提供基准时钟源。

基准时钟电路原理

时钟信号经过U39分频以后输出不同的频率，分别提供给CPU、芯片组、总线、I/0接1：3和存储器等设备。为主板各部件工作提供所需的时钟频率。

当时钟电路出现故障而需要检测时，应首先检测晶振的引脚是否有波形，如果有波形，就说明时钟发生器工作正常，正常时晶振的波形为正弦波。

如果没有波形，则说明晶振或时钟发生器有问题，可以先测量晶振的引脚上有无电压，如果有电压则先更换晶振试一下，更换晶振时Z好连两个谐振电容一起更换，如果更换后仍没有波形，就说明时钟发生器已损坏。

基于超稳激光的超稳微波

过飞秒光梳进行光学-微波频率下转换,可以将超稳激光的频率稳定性传递到超稳微波,得到具有10-15/s量级的短稳的超稳微波源。将超稳微波源作为喷泉钟的本地振荡源,可以降低喷泉钟达到其稳定度时间,使得喷泉钟和光钟的比对成为可能。通过Pound-Drever-Hall(PDH)稳频方法将1542nm激光源锁定在隔振的高精细度超稳腔实现的超稳激光系统。

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