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)。

氢脉泽中四极磁态选择器的设计及其应用

氢脉泽是一种中、长期稳定度最高的原子频率标准。其中原子磁态选择器的改进设计可以改善氢脉泽的工作参数及其体积与重量,从而改进氢脉泽的品质与工作寿命等,同时也可以改进氢脉泽的长期性能,并给出了磁态选择器的设计与实验结果。

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 。

被动型氢钟流量变化对长期频率稳定度的影响分析

为提高系统的长期频率稳定度(它是被动型氢钟的一个重要指标),设计了一种实验,用以分析在不同微波腔谐振频率下,氢气流量变化对输出频率的影响。通过实验发现微波腔的控制电压存在一个调谐点,在调谐点附近,流量变化对输出频率的影响变小。但是对于单频系统,如何将微波腔锁定在调谐点附近以及如何减小流量的影响和提高系统的长期频率稳定度还需要进一步探索。

调制函数对被动型氢原子频标频率稳定度影响分析

提高被动型原子频标的频率稳定度是原子频标设计中最重要的目标,文中分别详细推导了正弦波相位(频率)调制、方波相位(频率脉冲)调制、三角波相位(方波频率)调制时对频率稳定度有影响的Bn(m)值的计算公式;在此基础上分别计算为获得最佳频率稳定度时三种调制函数对应的调制指数,并得到正弦波调制时频率稳定度最好的结果,这对原子频标伺服电路的设计提供了理论依据。

VLBI网用新型氢脉泽时、频标准

为甚长基线干涉(VLBI)实验,一种VLBI网络用的新型氢脉泽标准已在上海天文台佘山25米VLBI站安装并投入工作.这是一种物理部分和电气部分集成为一个机箱、能整体运输的新型标准.本文描述了它的设计特点,系统的组成以及它的性能测试结果.也给出了它在VLBI实验中的应用和性能数据.

SOHM-4与MHM-2010氢原子频标的特点比较

基于对已投入国家授时中心守时运转的SOHM-4型与MHM-2010型氢原子频标的长期关注,对这两种氢原子频标的性能作了较详细的比较和分析。讨论了它们共同的优点、各自的特长和不足之处,还给出了稳定度的测试结果。

用频谱分析法评估被动式氢原子频标的短期稳定度(英文)

该文通过向被动式氢原子频标微波腔馈入微波信号的方法,实验测到氢原子基态超精细0-0跃迁的频谱;对该频谱进行分析,得到了被动式氢原子频标的短期稳定度表达式:σ(2,τ)=2×10-12τ-0.5,这对于评价氢原子频标的量子部分对频率稳定度的贡献及改善量子部分结构有一定的参考价值。

DFB半导体激光抽运铷原子频标

在传统铷原子频标的基础上,利用一台780 nm的DFB半导体激光器代替铷光谱灯作为抽运光源,将激光的频率锁定在87Rb原子的循环跃迁线（52S1/2,F=2→52P3/2,F=3）上,实现了微波铷原子频标的闭环锁定,初步获得的短期稳定度指标为3.7×10-12τ-1/2（1~100 s）。

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。

氢钟开发技术和展望

由氢脉泽原理对原子频率标准目前的发展进行了分析。对主动和被动氢脉泽限制频率稳定度的基本不稳定因素进行了分析。描述确保主动和被动氢脉泽高短期和长期频率稳定的设计方法。现在,主动氢脉泽指标可达到1.10-13/s和3.5.10-16/d,被动氢脉泽指标可达到4.10-13/s和2.5.10-15/d。还讨论了氢脉泽指标的进一步改善。

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。

掺氢GaAs薄膜的表面形貌及光学性质研究

采用射频磁控溅射和沉积气氛掺氢工艺制备了GaAs薄膜,研究掺氢对薄膜的表面形貌及光学性质的影响.X射线衍射结果显示,以衬底温度为500℃制备出的GaAs薄膜呈面心立方闪锌矿结构.原子力显微镜分析表明气氛掺氢会影响到GaAs薄膜的形貌和颗粒的大小.在500℃衬底温度下溅射气氛掺氢制备出的GaAs薄膜的吸收光谱出现了明显的激子峰,表明氢钝化对薄膜的光学性质的改善起重要的辅助作用.