光抽運小銫鐘及其在PNT應用

曹遠洪

(成都天奧電子股份有限公司，成都 611731)

0 引言

定位導航授時(Positioning，Navigation and Timing，PNT)系統是電子信息技術的集大成者[1]，給電子信息系統提供高精度的位置(坐標)、導航電文和時間信息，這些信息的精度主要取決于它內部的原子鐘性能[2]。銫原子鐘作為一級頻率標準，具有準確度高、長期性能穩定可靠的特點[3]，可以為PNT系統提供高精度的時間頻率基準。銫原子鐘最大的優勢是幾乎沒有漂移而頻率準確度高。根據制備樣品原子的技術方式不同可以分為磁選態和光抽運，根據滿足不同應用領域要求而實現可以分為實驗室大銫鐘和工程裝備應用的商品小銫鐘。國內銫原子鐘包括應用于國家時間頻率基準的大銫鐘和裝備各工程應用領域的小銫鐘，其中大銫鐘的需求量有限主要依靠自行研制，后者需求量較大基本依靠進口而受制于人。圍繞國防裝備建設需求，國內相關單位近年來開展銫原子鐘研究，在關鍵技術攻關方面取得了較大進展[4]，也實現了幾款樣機，但受電子倍增器等基礎材料的制約，距離工程化及批量生產還有較大距離。隨著激光技術進步，光抽運方案實現的銫原子鐘的技術優勢凸顯，它可以避開復雜的束光學系統和壽命有限的電子倍增器，從而使光抽運銫原子鐘代表未來技術發展方向，采用光抽運方案可加速銫原子鐘國產化[5]。本文介紹的激光抽運銫原子鐘即采用了先進的光抽運方案，先后突破了銫束準直、激光穩頻等關鍵技術，并相繼實現光抽運銫原子鐘原理樣機和工程樣機[6]，解決了環境適應性問題，并進行了產品小批量生產，首次在國際上實現商品光抽運銫原子鐘。激光抽運銫原子鐘具有體積小、頻率精度高、性能可靠的特點，可作為時間頻率標準應用于PNT系統。

銫原子鐘自誕生以來，首先就作為國家時間頻率基準應用，因此大銫鐘則成為原子鐘科學家們研制的重要任務。以美國發展大銫鐘為例，在1949年美國哥倫比亞大學的拉姆齊提出銫原子鐘制作技術后，1952年美國國家標準技術局(National Insti-tute of Standards and Technology，NIST)就推出磁選態大銫鐘NBS-1到NBS-7，頻率準確度最高達到5×10-5，我國計量院也研制了磁選態大銫鐘CsII、CsIII也達到10-13量級。隨著激光抽運技術和冷原子噴泉技術的引入，美國NIST實現了光抽運的噴泉原子鐘NIST-F1、NIST-F2[7]，我國計量院也實現了NIM5[8]。這種原子鐘將銫束管垂直放置，通過激光冷卻將原子減速上拋并在重力作用下原子下落，2次與外場作用得到線寬1Hz原子參考譜線，可實現準確度達10-18大銫鐘。這些大銫鐘主要作用是產生高精度的時間頻率標準，特別是1967年國際

標準秒采用銫原子鐘振蕩周期定義后，國際上著名實驗室都把研制高精度的大銫鐘作為重要的科研內容，英國、德國、加拿大、澳大利亞、韓國、日本、俄羅斯等幾乎主要的大國和強國都在研制自己的大銫鐘。典型的大銫鐘如圖1所示，體積龐大且制造成本高，不利于批量生產和工程裝備應用，主要應用于國家時間頻率實驗室。產生的高精度時間頻率作為國家級基準為國家各行業電子系統提供參考時鐘，并通過時頻比對網絡將這個國家基準傳遞出去參與國際比對，貢獻國際原子時比重[9]，承擔體現一個國家在時間頻率領域的國際義務和地位。

與大銫鐘的基本原理相似，小銫鐘采用加熱銫形成熱銫束，為減小體積把銫束管長度從大銫鐘的米級減小1個量級，銫束分布等其他邊界效應導致其頻率準確度降低到10-12，但可實現標準19寸的商品小銫鐘，如圖2所示。早期的小銫鐘主要采用磁選態實現，但涉及高溫電真空制造工藝和壽命有限的電子倍增器材料，因而只有美國、瑞士等極少數國家具有制造能力，代表性的產品是美國HP公司5060、5061A、5071產品，后來被Microsemi公司收購后推出了滿足電信及電網絡同步的CS4000系列低成本小銫鐘。瑞士Osciquartz公司主要從美國購置銫束管研制生產有系列磁選態小銫鐘，其代表型號有OSA3230B。采用激光替代選態磁鐵和進行光檢測，不再有復雜的束光學系統和倍增器，因而不再有磁選態銫鐘的制造困難和材料瓶頸，代表小銫鐘技術發展方向[10]，瑞士推出的OSC3300和本文重點介紹的TA1000都是光抽運小銫鐘。在機械制造工藝難度降低的同時，也由于激光系統的加入帶來了激光穩頻成本的上升和電子技術難度的增加。

幾種大小銫鐘區別，主要體現在作為原子鐘內部環路系統的原子參考譜線的線寬以及由此基礎上實現的銫鐘輸出標準頻率信號的頻率準確度，具體參數如表1所示。這也決定了這些銫鐘的應用領域和作用與地位：大銫作為實驗室基準，小銫鐘為工程裝備應用[11]。

表1 幾種典型的銫原子鐘關鍵技術指標對比分析

1 光抽運小銫鐘基本原理

銫原子鐘的基本原理是，銫束原子2次經過微波腔與9Hz,192Hz,631Hz,770Hz微波發生所謂的Ramsey共振，其共振信號作為鐘躍遷為銫原子鐘的頻率參考。在使銫原子基態上下2個能級實現反轉的制備過程中，采用了激光抽運方式基態下能級原子抽運到激發態，激發態因不穩定而自發輻射回到基態上下能級，經反復抽運理論上即可把基態下能級原子完全搬運到上能級而實現了原子布局數反轉。另外，為提高對Ramsey信號的光檢測效率還對參與鐘躍遷的原子采用了循環檢測[12]。由于產生鐘躍遷的微波場矢量與原子運行方向垂直因而沒有一級多普勒效應，所以銫原子鐘具有非常高的頻率準確度。

激光抽運小銫鐘TA1000工作原理采用的單激光分束移頻225MHz產生雙光束，進行4-4′抽運，4-5檢測方案[13]，激光穩頻采用單獨的銫泡進行飽和譜穩頻，其工作原理如圖3所示。

激光抽運小銫鐘TA1000主要由三大部分構成：銫束管、激光系統和外圍電子線路。其中，1)銫束管用于產生原子束樣品，提供原子束及其與激光場、微波場相互作用的真空和電磁環境，進行原子躍遷檢測等，包括銫爐、微波腔、C場、磁屏蔽及熒光檢測器、離子泵等部件；2)激光系統用于實現原子態制備以及原子躍遷幾率探測，包括激光光路及激光器外圍電路(電流源與溫控電路、激光光路、激光器鎖頻電路等)；3)電路系統包括用于產生激勵原子躍遷所需的微波倍頻器、本地振蕩器頻率伺服控制電路、銫爐加熱和溫控、C場恒流源、頻標電路、電源模塊、顯示控制單元等。在開機工作時，TA1000首先會啟動電源高壓給離子泵供電使銫束管內部進入高真空。隨后，對銫束管內銫爐加熱而噴射出銫束原子，同時激光模塊開始工作實現飽和譜鎖定。最后，銫束原子與微波作用后發生Ramsey共振得到原子參考信號，與電子線路閉環鎖定而實現標準頻率信號輸出。

2 光抽運小銫鐘研制

本文介紹的光抽運小銫鐘TA1000歷經10年的研究，從解決關鍵技術開始，相繼實現了原理樣機和工程樣機。

2.1 原理樣機研制

在國家重大專項等課題支持下，課題組解決銫束準直和激光穩頻等關鍵技術，實現了TA1000的原理樣機，并進行了指標測試，如圖4所示。

測試原理樣機標準10MHz信號的Allan方差得到的頻率穩定度為7.2×10-12/1s, 2.9×10-12/10s, 7.8×10-13/100s, 3.2×10-13/1000s，該結果表明輸出信號具有原子頻標特性，技術總體方案可行，關鍵技術攻關有效，需要進行整機熱設計提升中長期頻率穩定度。

2.2 工程樣機研制及指標測試

在原理樣機基礎上，針對衛星導航、電信網絡同步及電力同步等環境參數要求，著重解決激光系統精密溫控，并進行接口及外觀改進設計，實現了如圖5所示的工程樣機，通過與5071A的對比測試表明TA1000達到國際同類小銫鐘先進水平。

3 光抽運小銫鐘TA1000在PNT系統應用

PNT系統主要在廣域和局域內提供定位導航和授時信息，TA1000可提供精度的時間頻率信息，可以應用于衛星導航、長波導航等各類PNT系統。

3.1 衛星導航系統應用

光抽運小銫鐘TA1000衛星導航系統的應用，主要作為衛星導航系統地面監測與注入站的守時原子鐘。這個應用環境與基準實驗室類似，進行了精度環境溫控和電磁屏蔽設計，銫鐘可以獲得非常好的性能。將TA1000提交某衛星導航地面站，采用原子鐘組產生的頻率標準作為參考進行測試，進行長時間測試期待測出TA1000的量子噪聲本底導致的頻率穩定度，得到的測試結果如圖6所示，頻率穩定度達到： 2.06×10-12/10s，7.05×10-12/100s，2.45×10-13/1000s，7.87×10-14/10000s，2.11×10-14/100000s， 4.92×10-15/1000000s。該指標可以滿足衛星導航地面守時原子鐘的技術要求。

3.2 長波導航系統應用

長波導航是基于地波的局域導航系統，因采用長波傳遞導航信息而抗干擾能力強，在海上的艦船導航應用較多。這類系統屬于早期的導航技術，導航精度比衛星導航低，但其陸地中心站采用銫原子鐘作為基準并與衛星導航進行融合，可以實現與衛星導航相當的導航精度，因此近年來重新受到重視。圖7所示為美國羅蘭C長波導航及采用銫原子鐘情況[14]，對我國長波導航建設具有參考價值。

3.3 網絡授時同步系統應用

電信及電力網絡系統主要是時間同步，故需要原子鐘作為網絡的主時鐘(Primary Reference Clock，PRC)，為整個網絡提供高精度的時間參考[15-16]。應用銫鐘的同步系統如圖8所示，TA1000銫原子鐘作為PRC進行測試網絡同步需要的指標。

在測試時，則參考G.810國際電信聯盟標準，以GNSS衛星提供的時間信號作為參考，長時間地采集測量網絡的時間間隔誤差TIE，該指標可較直觀反應原子鐘相對應GNSS時間的誤差小于30ns，如圖8所示。以采集獲得的TIE數據為基礎，還可以分析計算出MTIE TDEV、TVAR MADEV 等參數。電力同步網的應用方案與數字通信網類似，因此測試的重要技術指標最終也是測量本地原子鐘與參考標準GNSS的時差。

另外，光抽運小銫鐘TA1000還可以作為車載移動PNT系統的時鐘參考，為野外訓練或臨時組網提供高精度的時間頻率標準。

4 結論

在國家重大專項等支持下，較好地解決了銫原子鐘國產化問題，實現了我國第一款商品銫原子鐘TA1000，可廣泛應用于PNT系統，提供高精度的時間頻率信號。