1 引言

　　原子鐘，它初本是由物理學家創(chuàng)造出來用于探索宇宙本質(zhì)的；他們從來沒有想過這項技術有朝一日竟能應用于的導航系統(tǒng)上。根據(jù)量子物理學的基本原理，原子是按照不同電子排列順序的能量差，也就是圍繞在原子核周圍不同電子層的能量差，來吸收或釋放電磁能量的。這里電磁能量是不連續(xù)的。當原子從一個"能量態(tài)"躍遷至低的"能量態(tài)"時，它便會釋放電磁波。這種電磁波特征頻率是不連續(xù)的，這也就是人們所說的共振頻率。同一種原子的共振頻率是一定的-例如銫133的共振頻率為每秒9192631770周。因此銫原子便用作一種節(jié)拍器來保持高度的時間。

　　氫鐘 一種精密的計時器具。在現(xiàn)代的許多科學實驗室和生產(chǎn)部門，廣泛使用各種精密的時鐘，氫鐘就是其中的一種。氫鐘與銫鐘一樣。是利用原子能級跳躍時輻射出來的電磁波去控制校準石英鐘，但它用的是氫原子。這種鐘的穩(wěn)定程度與銫鐘差不了多少，每天變化只有十億分之一秒。也就是說在差不多300萬年間，只有1秒之差。 但它的準確程度還比銫鐘稍微差一點。氫鐘亦是常用的時間頻率標準，被廣泛用于射電天文觀測、高時間計量、火箭和導彈的發(fā)射、核潛艇導航等方面。氫鐘首先在1960年為美國科學家拉姆齊研制成功。

　　守時型原子鐘要求具有很高的長期運轉可靠性和穩(wěn)定性，在中國科學院知識創(chuàng)新工程經(jīng)費的支持下，經(jīng)過技術準備，上海天文臺開始了為國家授時中心時頻基準系統(tǒng)研制守時型氫鐘的工作。兩臺主動型氫鐘H45和H46于2005年初運抵國家授時中心。國家授時中心時頻基準實驗室隨即展開測試驗收工作，通過一年多嚴格和全面的測試，基本掌握了該種鐘的運行特性，目前這兩臺鐘已經(jīng)加入NTSC的守時系統(tǒng)，其時差數(shù)據(jù)也定期報送BIPM.通過對測試數(shù)據(jù)和問題的分析反饋，也為守時型氫原子鐘的生產(chǎn)、設計、改進提供了依據(jù)。

　　2 針對國產(chǎn)氫鐘性能的改進

　　改進主要針對改善長期運轉可靠性、改善溫度效應從而提高穩(wěn)定性能指標方面來進行：

　?。?）真空泵用美國Varian公司的鈦離子泵代替。近一年多的考機運轉，未發(fā)現(xiàn)明顯的高壓打火現(xiàn)象?？朔藝a(chǎn)鈦離子泵經(jīng)常高壓打火這一弊端；

　?。?）原子儲存泡由圓形改為橢球泡，避免圓形泡內(nèi)微波電磁場有可能存在的相位相反方向問題，有效地增加了填充因子10%以上。

　?。?）磁屏蔽筒壁厚由0.9mm增加到1.2mm,改善了屏蔽系數(shù)，有效地增加了磁屏蔽效果。（引自王義遒老師的《量子頻標原理》第433頁公式7.4.12）

　　（4）諧振腔端面及蓋板處理工藝的改進，將諧振腔端面與蓋板之接觸面拋光到光學平，是這兩臺氫鐘與上海天文臺以往氫鐘另一個顯著不同之處。這種措施對氫鐘的長期穩(wěn)定度和頻率漂移率將有明顯改善，這由下面分析可以看出。腔頻變化引起氫脈澤輸出頻率的變化由下式表示：

　　對于典型的氫脈澤腔，它的共振頻率對腔長的變化率近似為10MHz/cm,對于Q腔/Q線~10-5,則腔長變化一個原子的線度（10-8cm）將引起鐘輸出的相對頻率變化10-15.

　?。?）電子學系統(tǒng)的改進：

　　A.溫度控制

　　改變恒溫控制電路，原控制電路為固定增益式，現(xiàn)改為反饋放大式，使溫度控制從5%到2%.鐘的溫度系數(shù)從1E-13改善到<5E-14.

　　B.鐵氧體隔離器改進

　　隔離器隔離度從30dB升高到60dB.高頻放大器噪聲系數(shù)從1.5dB降低0.7 dB.

　　C.自動調(diào)諧器

　　原自動調(diào)諧器溫漂較大，改進其中的電路：

　?。?）移相器原為模擬電路，其中用到了較大的電阻和電容，存在溫度效應，現(xiàn)改成數(shù)字移相，去掉了電阻電容。

　?。?）積分器原采用的是運放LF356,零漂為5uV/ ℃ ,現(xiàn)改用AD8610,零漂為0.5uV/ ℃ .

　　經(jīng)以上改進后，有望改善氫鐘的溫度效應。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖1 NTSC不同類型守時鐘的日差曲線
　　3 國產(chǎn)氫鐘性能初步測試

　　噪聲和波動情況反映的是鐘的短期頻率穩(wěn)定性情況。圖1是NTSC守時系統(tǒng)中不同類型原子鐘的日差曲線。從圖中可以看到，H45和H46的短期頻率波動要明顯大于Sigma-tau氫鐘，與5071A銫鐘相當；曲線中速率突變的地方是因為鐘房溫度劇變引起的，其環(huán)境溫度帶來的時差變化約為10ns/±1oC.然而，同時可以看到，兩臺Sigma-tau氫鐘具有明顯的速率漂移，其后果是盡管其短期波動小，但在TAI歸算中的權重依然很低（H45和H46與其相當），這是由于國際原子時TAI歸算方法（ALGOS算法）主要考察的是守時鐘的長期穩(wěn)定性能。

　　氫鐘由于其短期（小于1天）的頻率穩(wěn)定度明顯優(yōu)于銫鐘而倍受時間（頻率）測量、空間技術等領域的青睞，而它的長期性能因其物理結構的原因，目前還趕不上銫鐘。所以，氫鐘長期運轉中自身的速率漂移問題明顯地制約了氫鐘成為守時系統(tǒng)的頻率標準之一，在地方原子時的保持中難與銫鐘并駕齊驅，也使其在要求高穩(wěn)定度的原子時TAI計算中占據(jù)的份額較小，即使是非常穩(wěn)定的速率漂移也無法在TAI計算中得到高權。

　　從兩臺氫鐘開始運轉的時差數(shù)據(jù)來分析其性能，可以得到如下結論：兩臺鐘短期頻率起伏均較大，比5071A高性能管略差。后來通過給兩臺鐘更換綜合器FPGA芯片以后，使其溫度效應明顯改善，鐘穩(wěn)定性提高，目前，H45和H46的短期頻率波動比Sigma-tau氫鐘略大，與5071A銫鐘相當。從而可以看到，國產(chǎn)氫鐘仍然有提高其穩(wěn)定性的潛力，這需要研制單位根據(jù)測試結果，特別是長期運行性能來不斷加以改進。

　　鐘的穩(wěn)定度測試采用比對數(shù)據(jù)分析計算來得到。表1和圖2為選擇某段時期氫鐘房環(huán)境溫度恒定時三類守時鐘（美國Sigma-tau,上海氫鐘H46,銫5071A）相對于12臺5071A銫原子鐘平均時間尺度TA'（12Cs）的穩(wěn)定度（日期：2006年4月15日- 5月15日），穩(wěn)定度的計算采用Allan方差（公式略）。從初步計算結果看，在環(huán)境溫度保持穩(wěn)定（溫度變化小于±0.5oC）時，H46短穩(wěn)略差于美國氫鐘，中、長穩(wěn)后與Sigma-tau相當，當然由于采樣時間短，因此其性能還需要更多數(shù)據(jù)來論證。

　　表1 三種守時鐘相對于TA'（12Cs）的穩(wěn)定度

　　　　　　　　　　　　　　圖2 NTSC三類守時鐘相對于TA’(12Cs)的穩(wěn)定度
　　4 結論

　　從技術層面來說，國產(chǎn)氫鐘經(jīng)過許多年的努力，通過不斷的技術革新如真空、儲存泡、磁屏蔽等，比較起以前產(chǎn)品來說，穩(wěn)定度和可靠性有了顯著的提高。其不足是：連續(xù)穩(wěn)定運轉的能力尚需進一步改進，這是做為守時鐘的基礎。同時，要進一步改進短穩(wěn)及相躁，以得到良好的穩(wěn)定性能。

　　總之，國產(chǎn)氫鐘在高精密守時應用中取得了可喜的成績，但是要真正替代進口，滿足守時鐘關于穩(wěn)定性、可靠性的要求還需要作進一步改進。同時，在改進加工工藝、增加輔助系統(tǒng)如直流供電和內(nèi)部干電池等方面還需進一步努力。