原子鐘性能試驗與分析

陳靜

摘要：原子鐘作為高精度時頻系統(tǒng)的關鍵設備，主要功能是產生時間信號和頻率信號。氫原子鐘和銫原子鐘性能不同，在高精度守時系統(tǒng)中作用也不同。文中介紹了氫原子鐘和銫原子鐘的主要性能指標，以協(xié)調世界時UTC（NIM）為時間頻率參考信號，對市面上常見的氫原子鐘和銫原子鐘的性能指標進行試驗分析，通過近期（2018-2022年）的試驗數(shù)據(jù)進行了相應的比對分析，供有關同行予以參考。

關鍵詞：原子鐘；頻率穩(wěn)定度；相位噪聲；守時系統(tǒng)

Performance Test and Analysis of Atomic Clock

CHEN Jing

（Fujian Metrology Institute， Fuzhou 350000， Fujian， China）

Abstract： As the key equipment of high precision time-frequency system， atomic clock is mainly used to generate time signal and frequency signal. Hydrogen atom clock and cesium atomic clock have different performances and play different roles in high precision time keeping systems. In this paper， the main performance indexes of hydrogen atom clock and cesium atomic clock are introduced， and the performance indexes of common hydrogen atom clock and cesium atomic clock in the market are tested by taking Coordinated Universal Time UTC（NIM） as the time frequency reference signal， and the corresponding comparative analysis is made based on the recent test data （2018-2022）， so as to provide reference for related colleagues.

Key Words： Atomic clock; Frequency stability; Phase noise; Timing system

0 引言

時間頻率標準信號通常由守時系統(tǒng)產生和保持。守時鐘組、原子時算法是守時系統(tǒng)最重要的部分。構成守時鐘組的原子鐘一般為商用原子鐘，功能是產生時間信號和頻率信號。

文中陸續(xù)對國內外商用原子鐘進行調研，整理收集現(xiàn)有守時系統(tǒng)使用商用原子鐘的類型，用于試驗分析。商用原子鐘主要是銫原子鐘和氫原子鐘。氫原子鐘和銫原子鐘性能不同，在高精度守時系統(tǒng)中作用也不同。銫原子鐘的短期頻率穩(wěn)定性不高，但長期穩(wěn)定性良好，且具有較高的性價比。氫原子鐘的短期頻率穩(wěn)定度較高，但對環(huán)境條件要求嚴格，價格也較高。

1原子鐘性能試驗

原子鐘作為高精度守時系統(tǒng)的關鍵設備，主要性能指標包括頻率穩(wěn)定度、相位噪聲和相對頻率偏差[1]。

試驗以UTC（NIM）為參考頻率源，其相對頻率偏差優(yōu)于5×10-14，日頻率穩(wěn)定度在10-15量級，對各類型原子鐘的頻率穩(wěn)定度、相位噪聲和頻率準確度（相對頻率偏差）進行測試，并對其相應試驗結果進行分析。

1.1頻率穩(wěn)定度試驗結果及分析

原子鐘內部噪聲會影響原子鐘輸出頻率在一個范圍內波動，一般采用頻率穩(wěn)定度來描述原子鐘輸出頻率受噪聲影響隨機起伏的程度，常用阿倫偏差來描述頻率穩(wěn)定度。根據(jù)連續(xù)采集的相差數(shù)據(jù)和時差數(shù)據(jù)，應用阿倫偏差方式求其頻率穩(wěn)定度[2-4]。表1所示為各A型氫原子鐘的穩(wěn)定度統(tǒng)計情況。

由表1可知，抽樣的4臺A型氫原子鐘的頻率穩(wěn)定度全部優(yōu)于指標要求，（1～1000）s頻率穩(wěn)定度變化相似，（3600～86400）s頻率穩(wěn)定度稍有差異，但均在其技術指標范圍之內。

表2所示為各B型氫原子鐘的穩(wěn)定度統(tǒng)計情況。由表2可知，抽樣的4臺B型氫原子鐘的頻率穩(wěn)定度全部優(yōu)于指標要求，（1～86400）s頻率穩(wěn)定度變化相似，均在其技術指標范圍之內。

由表3可知，抽樣的4臺C型氫原子鐘的頻率穩(wěn)定度全部優(yōu)于指標要求，（1～100）s頻率穩(wěn)定度略有差異，主要以頻率閃爍噪聲影響為主，（1000～86400）s頻率穩(wěn)定度變化相似，均在其技術指標范圍之內。

由表4可知，抽樣的2臺D型氫原子鐘的頻率穩(wěn)定度全部優(yōu)于指標要求，（1～100）s頻率穩(wěn)定度變化相似，（1000～86400）s頻率穩(wěn)定度稍有差異，但均在其技術指標范圍之內。

氫原子鐘的短期頻率穩(wěn)定度較高，但對環(huán)境條件要求嚴格，價格也較高。匯總國內外4種氫原子鐘實測頻率穩(wěn)定度數(shù)據(jù)如表5所示。

銫原子鐘根據(jù)其物理機理可分為磁選態(tài)和激光抽運兩種類型。以下是5種銫原子鐘頻率穩(wěn)定度統(tǒng)計情況。詳見表6～表10。

由表6可知，抽樣的7臺A型銫原子鐘的頻率穩(wěn)定度全部優(yōu)于指標要求，（1～86400）s頻率穩(wěn)定度變化相似。

由表7可知，抽樣的7臺B型銫原子鐘的頻率穩(wěn)定度全部優(yōu)于指標要求，（1～86400）s頻率穩(wěn)定度變化相似。

由表8可知，抽樣的7臺C型銫原子鐘的頻率穩(wěn)定度全部優(yōu)于指標要求。

由表9可知，抽樣的7臺D型銫原子鐘的頻率穩(wěn)定度全部優(yōu)于指標要求，（1～86400）s頻率穩(wěn)定度變化相似。

由表10可知，抽樣的7臺E型銫原子鐘的頻率穩(wěn)定度全部優(yōu)于指標要求，（1～86400）s頻率穩(wěn)定度曲線變化相似。

雖然，銫原子鐘的短期頻率穩(wěn)定性不高，但長期穩(wěn)定性良好，且具有較高的性價比。將國內外5種銫原子鐘實測頻率穩(wěn)定度數(shù)據(jù)統(tǒng)計如表11所示。

1.2相位噪聲試驗結果及分析

相位噪聲是衡量原子鐘性能的重要指標。原子鐘在運行過程中，存在由原子鐘內部的熱噪聲、散彈噪聲、閃變噪聲等引起的相位隨機起伏，常采用冪律譜模型來描述。相位噪聲由五種獨立的噪聲組成，即隨機游走調頻噪聲、閃變調頻噪聲、白色調頻噪聲、閃變調相噪聲和白色調相噪聲。通過對原子鐘的相位噪聲進行測試，從而更全面地分析各原子鐘的特性[2-4]。表12所示為不同類型原子鐘的相位噪聲測試數(shù)據(jù)。

由表12可知，抽樣的4臺A型氫原子鐘優(yōu)于指標要求。

由表13可知，抽樣的4臺B型氫原子鐘相位噪聲在指標線附近浮動，略低于指標要求。

由表14可知，抽樣的4臺C型氫原子鐘優(yōu)于指標要求。

由表15可知，抽樣的2臺D型氫原子鐘相位噪聲變化曲線相似，均優(yōu)于其技術指標。

以下是5種銫原子鐘的相位噪聲變化情況。

由表17可知，抽樣的4臺A型銫原子鐘相位噪聲變化曲線相似，均優(yōu)于其技術指標。

由表18可知，抽樣的4臺B型銫原子鐘優(yōu)于其技術指標。

由表19可知，抽樣的4臺C型銫原子鐘優(yōu)于其技術指標。

由表20可知，抽樣的4臺D型銫原子鐘相位噪聲變化曲線相似，均優(yōu)于其技術指標。

由表21可知，抽樣的4臺E型銫原子鐘相位噪聲變化曲線相似，均優(yōu)于其技術指標。

1.3相對頻率偏差試驗結果及分析

相對頻率偏差是用來表征被測頻率與其標稱頻率偏差的程度。采用時差法對被測原子鐘的相對頻率偏差進行測試，連續(xù)采集了15天內各原子鐘的時差數(shù)據(jù)，計算每天各原子鐘的相對頻率偏差，統(tǒng)計15天內各原子鐘相對頻率偏差值，其結果如表23所示。

由表23可以看出，D型國產氫原子鐘與B型國外標準管氫原子鐘、A型優(yōu)質管氫原子鐘、C型氫原子鐘相對頻率偏差均為E-13數(shù)量級。C型國產銫原子鐘與國外D型銫原子鐘、A型標準管銫原子鐘的相對頻率偏差值相當。E型國產銫原子鐘與國外B型銫原子鐘的相對頻率偏差相當，但二者與C型國產銫原子鐘與國外D型銫原子鐘、A型標準管銫原子鐘相比，還存在一定的差異。

2結論

實驗室的守時鐘組一般采用氫鐘和銫鐘聯(lián)合進行守時。經過大量的試驗驗證，氫鐘在天穩(wěn)以內的短期穩(wěn)定度比銫鐘好一個數(shù)量級以上。由于氫鐘存在頻率漂移，當漂移率與穩(wěn)定度大小處于相同量級時，頻率漂移開始影響穩(wěn)定度，導致氫鐘頻率穩(wěn)定度指標下降。由于銫鐘幾乎不存在頻率漂移，長期穩(wěn)定度逐漸接近甚至好于氫鐘。此外，國內外氫原子鐘和銫原子鐘在相位噪聲方面實測值相差不大，并無明顯優(yōu)劣。以上測試和分析僅為抽樣結果，僅供參考。因此建議實驗室在配置鐘組時，在經費允許的條件下，盡量優(yōu)先選擇氫鐘作為守時鐘組可得到較好的鐘組性能；銫鐘對鐘組穩(wěn)定性的貢獻較小，但銫鐘價格較氫鐘便宜，且對實驗室配套要求較低。

參考文獻

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[2]Panfilo G， Arias F. The coordinated universal?time（UTC）[J].Metrologia.2019Jun 18;56（4）：042001.

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