Research on frequency-temperature compensated sapphire-SrTiO_3 loaded cavity for hydrogen maser

To obtain frequency-temperature compensation in a sapphire loaded cavity for hydrogen maser, a dielectric named SrTiO3 is employed whose temperature coefficient of permittivity is opposite to that of sapphire. Based on theoretical analysis and computer simulation, a TE011 mode of a sapphire loaded cavity associated with two small rings of SrTiO3 with different thickness is solved, and the useful parameters that influence the temperature coefficient of cavity are calculated. Finally an experiment is brought forward and its results are very close to the computing results. When the thickness of SiTiO3 dielectric is 7 mm and the diameter is 17 mm in configuration b, the temperature coefficient of cavity is decreased from -58.8 kHz/K to -8.2 kHz/K and the quality factor is 40248.

基于FPGA的星载被动型氢钟数字温控技术研究

原子钟作为一种量子时间计量仪器,温度变化对其长期性能有较大影响。微波谐振腔是被动型氢原子钟的核心,分析了温度变化对谐振腔物理特性的影响,为使被动型氢钟频率稳定度达到10^(-15)/d量级的要求,微波谐振腔部分的温度变化不能超过0.02℃/d。本文设计了一种低噪声的精密温度控制系统,并对被动型氢原子钟进行温度控制。实验结果显示,当外界环境温度变化不超过1℃时,44 h内谐振腔腔中温度波动小于0.005℃,性能优异。该方案为被动型氢原子钟数字电路的后续改进提供了依据,可应用于小型化星载氢钟设计。

被动型小氢钟的试验研究

介绍了上海天文台被动型小氢钟的设计和研制 ,给出了初步的测试结果。这种小氢钟应用了电极负载腔。在伺服环路上采用被动的工作方式和腔的自动调谐 ,用方波调制的方法得到误差信号。和传统的主动型氢钟相比 ,它的整体体积减小 ,重量降低。经过初步测试 ,这种被动型小氢钟的频率稳定度为σ(2 ,τ) =1 0× 10 - 1 1 τ- 1 2 (1s<τ <5× 10 4 s)。

上海天文台近年来氢脉泽的技术改进与性能评价

氢脉泽具有优秀的中长期频率稳定度 ,由于环境温度的变化及谐振腔老化会引起谐振腔频率的变化 ,导致氢脉泽长期性能降低。通过采用自动调谐器可确保谐振腔的频率始终工作在所需的频率上 ,从而改善了氢脉泽的长期性能 ,日稳定度可达到 1.0～ 10 - 14 。

腔体自动调谐氢脉泽的研究

氢脉泽是迄今为止除极短时间测量间隔之外最稳定的频率标准 ,但对于 1 0 4秒或更长的测量时间间隔 ,它的性能由于高Q值谐振腔而引起频率漂移而变坏。由于环境温度的变化及谐振腔老化而引起谐振腔频率的变化 ,导致氢脉泽长期频率稳定度的降低。为了减小这种影响需借助一种自动调谐器来确保谐振腔的频率始终工作在所需的频率上 ,以改善氢脉泽的长期频率稳定度 ,其日稳定度可达 1 0×1 0 - 1 4 。

影响氢原子钟长期稳定度的系统效应分析

进一步改进氢钟的频率稳定度,需要了解影响频率稳定度的各个过程及其影响的相对大小。讨论影响氢钟频率稳定度的各种系统过程。这种分析能够使钟的研制者和用户去识别稳定度的限制因素并加以选择以便改进。

氢脉泽谐振腔频率-温度效应分析

进一步改进氢钟的频率稳定度,要求了解影响频率稳定度的各个过程及其影响的相对大小。讨论影响氢钟谐振腔频率的各种热动力学过程。这种分析能够使钟的研制者和用户去识别稳定度的限制因素并因此加以选择以便改进频率稳定度。

流动VLBI站氢原子钟的研制与性能测试(英文)

氢脉泽是至今为止除极短时间测量间隔之外最稳定的频率标准 ,它是射电天文所必需的频率标准。本文讨论了为流动VLBI站研制的新一代氢脉泽的物理结构特点 ,包括对腔泡结构、磁屏蔽、原子束光学系统等采用的新技术。性能测试表明 ,在 80s到 1d之间其频率稳定度优于 1× 10 - 1 4 ,有了较大的提高。

SOHM型氢钟在国家授时中心的运行情况分析

上海天文台研制的型号为SOHM-3和SOHM-4的3台氢原子钟在中国科学院国家授时中心(NTSC)已经运行了一年多时间。收集了每个氢原子钟与NTSC主钟的时间比对数据。数据的分析结果给出了这几台氢钟在不同采样间隔上的频率稳定度,也显示出1台氢钟明显的相位跳变,讨论了这种相位跳变的原因。比较了这3台氢钟和从美国进口的Symmetricom公司制造的氢钟的频率稳定度的温度变化效应,指出了上海天文台研究制的氢钟存在的主要问题。

SOHM-4型氢原子钟的设计改进与初步性能

氢原子钟是一种最稳定的 (除极短测量时间间隔之外 )频率标准 ,但是环境温度变化及微波谐振腔老化会引起原子钟输出频率的变化 ,从而导致氢原子钟长期性能变差。为了减小这些影响 ,可借助一种自动调谐器来确保谐振腔的频率始终工作在所需的频率上 ,并采用新的温度控制系统来改善氢原子钟的长期性能。针对这些年来许多氢钟出现的有关问题 ,上海天文台在借鉴国外氢钟实验室经验的基础之上 ,对原有氢钟进行了技术改造 ,并为国家授时中心研制了SOHM - 4型氢原子钟。对该型氢原子钟技术改造特点作了介绍 。

小型化星载被动型氢原子钟研制

被动型氢原子钟在具有较好中长期频率稳定度和频率漂移率的同时,体积和重量较小,可作为高精度频率标准应用于卫星导航、频率计量等领域。下一代卫星导航系统的重要特点是高密度高集成度,对包含被动型氢原子钟在内的卫星负载载荷提出了更高要求。为此,降低体积重量的同时进一步提高性能指标是被动型氢原子钟的重要发展方向。经过长期理论探索和实验验证,在小型化星载氢原子钟研制方面取得了较好进展。通过小型化腔泡系统、小型化吸附泵、高均匀度C场和高性能磁屏蔽系统的设计,以及电路部分的紧凑优化,研制了小型化星载被动型氢原子钟工程样机。在压缩重量至13.5 kg以内的同时,频率稳定度提升至8×10-13t-1/2的水平,可满足当前卫星导航系统的时频信号需求,也可更好地服务下一代北斗卫星导航系统。

星载氢原子钟用多段线圈式C场的仿真及应用

星载氢原子钟具有频率稳定度高、频率漂移率低的优点,在卫星导航定位和频率计量中得到了广泛应用。星载氢原子钟的腔泡系统用于实现氢原子的量子跃迁及其信号采集,原子跃迁信号幅度直接决定了系统的信噪比,进而影响整机性能指标,所以腔泡系统是星载氢原子钟的核心组件。目前,星载氢原子钟腔泡系统主要采用直螺线管来产生原子跃迁所需的C场。由于星载氢原子钟物理部分的结构限制,直螺线管的磁场均匀度有进一步提高的空间。探讨使用多段线圈代替直螺线管用于产生C场的可行性。首先对多段线圈产生的磁场进行理论分析计算,同时使用ANSYS电磁场仿真软件对多段线圈的各项参数进行仿真和优化,包括各段长度、段数、间距以及匝数、内径和总长度等。然后优选磁场均匀度较好的线圈配置参数,可将C场的非均匀度由直螺线管约10%降低到多段线圈约1%。根据仿真优化结果建立了试验九段线圈,对比测试了原子跃迁信号增益,同时结合电路部分进行闭环测试,对频率稳定度指标进行了对比。实验结果表明,原子跃迁信号可有效提升,阿伦方差在中短稳(1~1000 s)表现更好。此项工作为星载氢原子钟整机性能指标的进一步提升打下了基础。

氢原子频标腔伺服的研究

描述了氢原子频标腔伺服系统和其对时域的影响 ,并通过测试说明了该方法的可行性。

主动型氢原子钟数字电路控制系统研究

主动型氢钟在频率稳定度和漂移率等方面优于目前在轨的星载被动型氢钟,但是存在体积重量较大的缺点。为进一步降低电路部分重量,本文提出一种基于数字电路的系统控制方法。该方法通过分析影响主动型氢原子钟频率稳定度的因素,使用数字检波、数字下变频、数字锁相环等数字化方式进行腔自动调谐和晶振锁相,提高了电路系统集成度和灵活度,降低了电路体积和重量。实验结果显示,设计的数字电路控制系统实现了恒温晶振频率的锁定和谐振腔谐振频率的锁定,其秒频率稳定度为2.6×10^(-13),较模拟电路控制系统提升了30%,万秒频率稳定度指标接近,具有一定的工程实用价值。该方案可用于下一代北斗导航卫星星载氢钟设计,也可用于深空探测和脉冲星计时等应用场景。

氢频标用小型蓝宝石加载微波腔研究

对文献报道的蓝宝石加载微波腔进行了性能分析，并根据该分析结果设计了可以实际使用的蓝宝石贮存泡和微波腔。通过实际测量，新型蓝宝石微波腔的Q值可达70000，Q×η为39200左右。通过在腔内添加负温度系数晶体——钛酸锶（SiTiO3），有效地将该腔体的温度系数从-56．3kHz／℃减小到了-34．5kHz／℃，而微波腔的Q值始终保持在60000以上。

蓝宝石主动型氢原子频标

研制了采用蓝宝石加载微波腔的蓝宝石主动型氢原子频标，腔体外径18cm，高度20cm，重量约2．5kg。由于微波腔体积的减小，整钟体积较传统大氢钟明显减小。经中国计量科学研究院测试，该蓝宝石主动型氢原子频标的技术指标为3．0×10^-13@1s、3．8×10^-15@1 d，是目前国内体积最小的高指标、高可靠主动型氢原子频标，可在实验室、车载等环境下使用。