Improvements and New Evaluation of NIM4 Cesium Fountain Clock and Construction of NIM5 Clock in 2006

The NIM4 cesium fountain clock has been operating stably and sub-continually since Aug. 2003. In this paper we present improvements on NIM4 in 2005-2006 and the most recent evaluation for its frequency shifts with an uncertainty of 5E-15. A 220 days comparison between NIM4 and GPS showed an agreement of 2E-14. Finally the construction of a NIM5 transportable cesium fountain clock is briefly reported.

NIM5驾驭氢钟守时能力分析

时间频率量值源头的独立自主是建设我国综合PNT体系的重要基础。为进一步评估基于我国国家秒长基准的原子时标守时能力,利用改进的有限脉冲响应钟差预测与频率调控方法,对激光冷却铯原子喷泉钟与氢钟的频差实测数据进行后处理,分别产生了自主型时标和溯源型时标。通过国际原子时合作链路将两个时标与协调世界时进行了长期比对实验,结果表明:2021年12月~2022年12月期间,两个时标的时间偏差均优于±4 ns、频率稳定度均优于8×10^(-16)/5 d。

铯喷泉钟C场的测量与计算

在铯原子喷泉钟实验中,C场均匀度决定了二阶塞曼频移的不确定度评定。使用微波激励法可以测量C场各个高度经时间加权的磁感应强度的平均值。为了得到C场的实际磁场分布,需要对微波激励法的测量结果进行去时间加权计算。介绍了两种去时间加权的算法,并利用仿真数据对算法进行了验证。最后使用微波激励法和两种去时间加权算法,结合蒙特卡洛不确定度评定方法对NIM6铯喷泉钟C场进行了测量与计算。

时间频率基准装置的研制现状

时间频率基准装置——铯原子喷泉钟,在标准时间产生和保持、基础物理研究中发挥了重要的作用.介绍了铯原子喷泉钟的工作原理,对影响其性能的各项噪声源和频移项给出了分析,影响频率稳定度性能的主要因素为Dick效应相关的原子团装载时间、微波激励源相位噪声和探测激光的频率噪声,影响频率不确定性能主要频移项为:黑体辐射频移、冷原子碰撞频移、腔相位分布频移和微波泄露频移;总结和比较了当前具有先进性能的铯原子喷泉钟采用的技术;介绍了铯原子喷泉钟的主要应用方向、空间冷原子铯钟的研制情况和光学频率原子钟进展.

铯原子喷泉钟NTSC-F1研制进展

铯原子喷泉钟在守时系统起校准作用。介绍了铯原子喷泉钟NTSC-F1的4个子系统及运行参数,与氢钟比对测量获得了NTSC-F1的频率稳定度性能,实现了系统不确定度的初步评定,给出了各频移项的频移量和不确定度,并对NTSC-F1的改进进行了介绍。

应用于铯喷泉钟的磁屏蔽系统的设计

高质量磁屏蔽系统是铯喷泉钟的重要部件之一。首先给出评定磁屏蔽效果的3个指标，即磁场均匀区长度、磁场均匀区起点位置和磁屏蔽效率。在此基础上，讨论了利用有限元计算3层磁屏蔽系统的层间径向间距、轴向间距、端盖孔套管长度和端盖连接方式对磁屏蔽的影响，给出了相应的优化参数，并对比了按优化参数设计的3层磁屏蔽与原有4层磁屏蔽系统用有限元计算的磁屏蔽效果。有限元计算结果为中国计量科学研究院新铯喷泉钟磁屏蔽系统的技术设计提供了理论指导。

铯原子喷泉钟频移的自动评定系统研究

'秒'定义频率9 192 631 770 Hz是理想值,在实际工作过程中,铯原子喷泉钟在外部环境(如引力场、电磁场等)、内部原子相互作用(如碰撞)下,原子样品的跃迁频率偏离了定义值,这些偏离量称为'频移'。为了获得被测原子钟信号和秒定义频率之间的偏差,需要测量所有频移量,并且给出其频率不确定度。介绍了频移自动评定系统的设计和实现,考虑了各项频移的运行周期和切换间隔,实时给出二阶塞曼频移、冷原子碰撞频移和黑体辐射频移的纠正量,计算分析获得了频移量的系统不确定度。

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

报道了中国计量科学研究院(NIM)在复现国际单位制(SI)长度单位米和时间单位秒的研究进展,包括稳频激光、NIM4铯原子喷泉钟和飞秒光学频率梳。NIM4钟不确定度达4.4×10-15,NIM在研的飞秒光梳将以优于1×10-13的不确定度实现光学波长向微波频率的溯源。文中还讨论了127I2饱和吸收6 3 3 nm 3次谐波稳频的He-Ne激光波长比5次谐波稳频的更“准确”;指出飞秒光梳是从动跟踪系统,描述它的性能指标应当是它的跟踪精度;估计了用“吸收室—原子束—原子喷泉—原子/离子存储”4种不同原理所建频标可能达到的不确定度极限。最后简略展望时间频率基准研究的新动向———光钟。

NTSC-F1铯原子喷泉钟光频移的评定

光频移是铯原子喷泉钟系统频移项之一。铯原子与微波Ramsey相互作用期间,近共振的冷却光、探测光、选态推光的存在都会产生原子光频移。通过控制NTSC-F1铯原子喷泉钟光学系统的AOM射频开关,以及在进入物理系统光纤前添加机械开关的方式,可以有效地降低系统的光频移。理论上对光频移影响因素进行了分析,实验上对NTSC-F1铯原子喷泉钟冷却光、探测光、选态推光分别存在的情况下的光频移值进行了测量评估,确定了NTSC-F1铯原子喷泉钟光频移项的主要来源。NTSC-F1铯原子喷泉钟光频移量为0,相对值不确定度为5.13×10^(-19)。

NIM5喷泉钟冷却光注入系统的设计和调校

针对NIM5喷泉钟(111)物理布局对冷却光的斜入射角度要求,提出了一体化冷却光注入设计,将偏振、功率和光束特性控制功能集成到冷却光注入系统.根据系统要求,提出相应指标的调校方法.在保证光功率稳定性优于97%的条件下,实现了光利用率大于86%,垂直度小于0.3′,光斑均匀性波动小于4%,准直性(光束直径离散)小于3%.较好地满足了NIM5喷泉钟要求.

绝热跃迁方法测量铯喷泉钟冷原子碰撞频移

冷原子碰撞频移是限制铯原子喷泉钟频率不确定度性能的主要因素之一.在使用外推法测量冷原子碰撞频移时,制备密度均匀成比例的原子团是减小系统误差的关键.绝热跃迁方法可以用来实现均匀跃迁比例,均匀度可达10–3.通过理论分析Bloch矢量的演化,导出了误差满足的方程,实验测量了不同参数对跃迁几率的影响,印证了理论分析.在此基础上可以优化实验参数并评估原子有效密度比的不确定度,实现了冷原子碰撞频移的高精度测量.

双变量拉比法制备冷原子及其冷原子碰撞频移的研究

冷原子碰撞频移是影响铯喷泉钟频率不确定度性能的主要频移项之一。采用差分法评定该项频移时,其不确定度来源于原子团密度比的误差和高低密度运行状态下的频率波动,分别影响该项频率评定的系统不确定度和统计不确定度。基于单变量拉比法选态的原理,我们发展了双变量拉比法(同时调整选态微波的幅度和频率)制备不同密度比原子团的技术,分析了采用该方法评定喷泉钟冷原子碰撞频移引入的不确定度,实验制备了均匀度3×10-3的不同密度比的原子团,可同时降低冷原子碰撞频移评定的系统不确定度和统计不确定度。

铯喷泉钟冷原子碰撞频移的差分法测量研究

铯原子喷泉钟作为频率基准标校其他原子钟。冷原子碰撞频移是影响铯原子喷泉钟频率不确定度的主要因素之一。本文从理论上分析了基于原子数的差分测量法中各项参数在测量碰撞频移中的影响,研究表明:冷原子碰撞频移测量的统计不确定度主要取决于喷泉钟运行时高低原子数密度频差的阿伦方差,其系统不确定度取决于原子数的涨落、高低原子数密度之间的非线性密度比。应用该方法测量了铯原子喷泉钟NTSC-F1的碰撞频移,获得测量的冷原子碰撞频移的平均值为4.0×10^(-15),其测量的统计不确定度(A类)为3.2×10^(-15)(t=32 768 s);其系统不确定度(B类)为6.5×10^(-16)。

基于Labwindows/CVI的铯原子喷泉钟时序控制系统研制

基于平台Labwindows/CVI研制了NTSC-F2铯原子喷泉钟时序控制系统,和时序控制系统人机交互界面。利用人机界面设置时序的起始电平、用时、延时、相位和周期等各项参量,实现15路TTL信号和4路任意波信号的同时输出和独立输出,同步精度可达300ns。

铯原子喷泉钟Rabi和Ramsey牵引频移的理论研究

Rabi和Ramsey牵引效应是影响铯原子喷泉钟频率不确定度的重要因素之一。构建了铯原子喷泉钟中微波腔的辐射场与冷原子团相互作用的物理模型,获得了原子—辐射场哈密顿量和时间演化算符。通过数值求解时间演化算符的薛定谔方程,用蒙特卡洛方法模拟原子团速度和密度的二维分布,获得了钟跃迁概率和Rabi和Ramsey频移,并对频移量与初始原子|3,±1>态对称性、|3,0>与|3,±1>态相干和相干相位的关系进行了理论分析,应用于铯原子喷泉钟得到Ramsey腔微波脉冲面积是7π/2时非相干和相干初始原子态对应Rabi和Ramsey牵引频移量级分别为10-18和10-14,且频移量与相干相位呈三角函数关系,与PTB评定该项频移得到的理论及实验结果一致。

NIM6铯喷泉钟背景气体碰撞频移的评估

当铯喷泉钟的频率不确定度进入10-16量级时,需要考虑背景气体碰撞频移的不确定度贡献。在传统理论模型的基础上,结合NIM6铯喷泉钟的设计参数,计算和比较了上升段和下落段探测原子损耗与微波腔截止波导引入的原子损耗,提出对背景气体碰撞引发原子数损失的修正计算方法,给出NIM6铯喷泉钟背景气体碰撞频移不确定度为2.0×10-17。

应用于铯原子喷泉钟的二维磁光阱研制

理论模拟研究了二维磁光阱原子束流量与饱和蒸汽压、冷却光强、激光失谐量的关系,构建了二维磁光阱(2D-MOT)装置,实验上实现了大流量的慢速原子束,其测量值为2.1×109/s.利用荧光法测量了各实验参数与流量的关系,测量结果与数值模拟结果符合较好.

用于本地时标系统的铯原子喷泉钟研制

研制了一套铯原子喷泉钟系统作为精密重力测量国家重大科技基础设施的本地时标,并最终溯源到国际单位制“秒”定义.描述了铯原子喷泉钟的整体设计方案,包括真空物理系统、光学系统、微波综合链和电子学控制系统.实验上实现了原子的上抛和捕获,成功地扫描到Ramsey条纹.获得的Ramsey中心条纹线宽0.911(2)Hz,条纹对比度约为90.8%.通过将喷泉钟本地振荡器锁定到Ramsey中心条纹,并与氢钟比对,测得铯原子喷泉钟的频率稳定度为3.2×10^(-13)τ^(-1/2)(τ为测量时间).同时讨论了影响频率稳定度的各贡献项及后续提升方案.