導(dǎo)航銫原子鐘的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)

陳江 李得天 王驥 楊軍 （蘭州空間技術(shù)物理研究所）

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導(dǎo)航銫原子鐘的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)

陳江 李得天 王驥 楊軍 （蘭州空間技術(shù)物理研究所）

銫原子鐘由于其可靠性高、準(zhǔn)確度好及漂移率低，被用作一級(jí)頻率標(biāo)準(zhǔn)。20世紀(jì)，美國和俄羅斯的導(dǎo)航系統(tǒng)成功地實(shí)現(xiàn)了磁選態(tài)銫鐘的衛(wèi)星搭載。從使用情況來看，導(dǎo)航系統(tǒng)采用銫原子鐘，不但減少了星座組網(wǎng)時(shí)原子鐘校時(shí)對(duì)通信容量的占用，而且降低了導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)地面站的依賴。磁選態(tài)銫鐘的開發(fā)已經(jīng)超過半個(gè)世紀(jì)，隨著技術(shù)與理論的進(jìn)步，出現(xiàn)了新型銫原子鐘，包括激光抽運(yùn)銫鐘、冷原子束銫鐘。同傳統(tǒng)的磁選態(tài)銫鐘相比，這些新型銫鐘有著更好的指標(biāo)，它們有望成為下一代衛(wèi)星導(dǎo)航用星載銫鐘。

1　引言

目前，國際上導(dǎo)航原子鐘的類型主要是傳統(tǒng)的原子鐘，包括銣鐘、氫鐘和銫鐘。在這三者中，銣原子鐘在質(zhì)量、體積、功耗等方面占有優(yōu)勢(shì)，氫鐘在短期和中期穩(wěn)定度指標(biāo)方面占有優(yōu)勢(shì)，銫鐘的準(zhǔn)確度和漂移率指標(biāo)在三者中最好。由于銫原子鐘的上述優(yōu)勢(shì)，美國的“全球定位系統(tǒng)”（GPS）和俄羅斯的“全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)”（GLONASS）都采用了銫原子鐘，GPS Block-1、2、2A和2F采用了磁選態(tài)銫鐘，未來，GPS-3擬采用激光抽運(yùn)銫鐘。俄羅斯GLONASS Block-2A、2B、2C及GLONASS-M、K都搭載了磁選態(tài)銫鐘。

我國從20世紀(jì)60年代起就啟動(dòng)了磁選態(tài)銫鐘的研制，其目標(biāo)在于實(shí)現(xiàn)銫鐘的小型化、可搬運(yùn)，20世紀(jì)80年代啟動(dòng)了小型激光抽運(yùn)銫鐘的研制。據(jù)統(tǒng)計(jì)，銫鐘的小型化涉及銫束管密封等17項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，制作難度非常大。在此過程中，銫束管內(nèi)超高真空長期維持技術(shù)、吸銫技術(shù)、銫束管密封技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)逐步得到解決。2000年之后，磁選態(tài)銫鐘和激光抽運(yùn)銫鐘的研制進(jìn)入快速發(fā)展階段，解決了單束束光學(xué)優(yōu)化、高通透性準(zhǔn)直器的制造等問題，銫鐘的指標(biāo)不斷提升。2015年，磁選態(tài)銫原子鐘的最后一項(xiàng)瓶頸技術(shù)—銫束管的長壽命技術(shù)徹底得到解決。預(yù)計(jì)2年之內(nèi)，我國自主研制的星載磁選態(tài)銫原子鐘將應(yīng)用于“北斗”導(dǎo)航系統(tǒng)。

2　銫原子鐘的發(fā)展現(xiàn)狀

磁選態(tài)銫原子鐘

目前，國際上只有美國實(shí)現(xiàn)了地面小型磁選態(tài)銫鐘的商品化。1964年，美國惠普公司（Hewlett-Packard）研制出第一代磁選態(tài)銫鐘5060A，1992年研制出5071A銫鐘，全球數(shù)量超過3000臺(tái)。5071A銫鐘現(xiàn)在是美高森美/迅騰公司（Microsemi/ Symmetricom）的一款經(jīng)典銫鐘產(chǎn)品，采用了銫-Ⅱ技術(shù)。銫-Ⅱ技術(shù)包括兩個(gè)方面的內(nèi)容：一方面銫束管束光學(xué)采用了單束S型方案；另一方面頻標(biāo)電路采用了數(shù)字化技術(shù)，對(duì)C場(chǎng)輸入電流和微波功率實(shí)時(shí)優(yōu)化，對(duì)倍增器電壓根據(jù)增益情況實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。

在星載銫鐘方面，GPS和GLONASS均采用了磁選態(tài)銫鐘。曾經(jīng)給GPS提供銫鐘的公司包括FEI、Kernco及FTS等， GPS Block-2F搭載的4410磁選態(tài)銫鐘由原迅騰公司生產(chǎn)，4410銫鐘物理部分采用單束束光學(xué)方案，頻標(biāo)電路采用了地面銫鐘的數(shù)字控制技術(shù)，指標(biāo)情況為2×10-11/s、5×10-14/d，質(zhì)量15kg，壽命10年。GLONASS采用的銫鐘由俄羅斯無線電導(dǎo)航和時(shí)間研究所（RIRT）研制生產(chǎn)，指標(biāo)情況為2×10-11/s、1×10-13/d，質(zhì)量53kg，壽命3～5年。從整體上對(duì)比，美國GPS星載銫鐘體積小，質(zhì)量輕，技術(shù)指標(biāo)高，壽命長，俄羅斯GLONASS星載銫鐘體積和質(zhì)量較大，技術(shù)指標(biāo)稍低，壽命較短。

美國5071A銫鐘

美國GPS 4410磁選態(tài)銫鐘

我國從20世紀(jì)60年代開始磁選態(tài)銫鐘的研制工作，主要研制單位包括北京大學(xué)、北京真空電子技術(shù)研究所、華北無線電設(shè)備研究所、北京無線電計(jì)量測(cè)試研究所等單位。2006年，蘭州空間技術(shù)物理研究所與合作單位共同開展高性能單束磁選態(tài)銫鐘研制，指標(biāo)要求達(dá)到美國5071A銫鐘（標(biāo)準(zhǔn)管）水平。研制工作的里程碑節(jié)點(diǎn)如下：2010年，銫束管和頻標(biāo)電路實(shí)現(xiàn)鎖定；2011年，銫鐘原理樣機(jī)1～10000s穩(wěn)定度達(dá)到要求；2012年，銫鐘原理樣機(jī)105s穩(wěn)定度達(dá)到要求；2013年，銫鐘原理樣機(jī)5天穩(wěn)定度達(dá)到要求；2014年，銫鐘工程樣機(jī)準(zhǔn)確度和5天穩(wěn)定度達(dá)到要求。在研制過程中，銫束管的壽命攻關(guān)占用時(shí)間最長，從2010年的壽命只有2個(gè)月、2011年的5個(gè)月、2012年10個(gè)月、2013年14個(gè)月，到2014年研制出壽命超過2年的銫束管。突破性進(jìn)展出現(xiàn)在2015年，150804號(hào)銫束管研制成功，其倍增器采用了二次敏化技術(shù)，該銫束管從2015年8月份連續(xù)工作至今，分析輸出的倍增器電壓數(shù)據(jù)，150804號(hào)銫束管壽命將超過8年，這為長壽命星載鐘的研制奠定了基礎(chǔ)。

國產(chǎn)工程化地面銫鐘與美國5071A銫鐘指標(biāo)對(duì)比

蘭州空間技術(shù)物理研究所研制的工程化地面銫鐘

蘭州空間技術(shù)物理研究所研制的星載銫鐘

在此基礎(chǔ)上，蘭州空間技術(shù)物理研究所啟動(dòng)了星載磁選態(tài)銫鐘的研制工作。研制的思路是：繼承地面磁選態(tài)銫鐘方案，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行空間環(huán)境適應(yīng)性改造，包括輕量化設(shè)計(jì)、部組件的加固等。目前方案的詳細(xì)設(shè)計(jì)已經(jīng)完成，并完成了銫爐、A磁鐵、B磁鐵、鈦泵、檢測(cè)器等部組件的組裝，電路部分的元器件已齊套。預(yù)計(jì)在2016年6月可完成整鐘原理樣機(jī)的集成工作。

激光抽運(yùn)銫原子鐘

20世紀(jì)80年代以來，激光技術(shù)得到發(fā)展，從而推動(dòng)了銫鐘的發(fā)展，出現(xiàn)了激光抽運(yùn)銫鐘，用激光抽運(yùn)-熒光探測(cè)代替磁選態(tài)-熱離化絲檢測(cè)。激光抽運(yùn)銫鐘對(duì)銫原子的利用率比磁選態(tài)銫鐘大2個(gè)數(shù)量級(jí)，因此短期穩(wěn)定度好；由于不涉及A磁鐵、B磁鐵、檢測(cè)器等，因此沒有束光學(xué)問題，使得銫束管的機(jī)械結(jié)構(gòu)大為簡化。美國、日本、法國研制出了激光抽運(yùn)銫基準(zhǔn)，準(zhǔn)確度進(jìn)入10-15量級(jí)。此外，美國、法國開發(fā)出了小型密封激光抽運(yùn)銫束管，然而至今產(chǎn)品尚未面市，估計(jì)跟激光抽運(yùn)銫鐘需要可靠性極高的激光器有關(guān)。

我國在20世紀(jì)80年代也開展了激光抽運(yùn)銫鐘的研制工作。北京大學(xué)、北京無線電計(jì)量測(cè)試研究所和北京真空電子技術(shù)研究所開始了小型激光抽運(yùn)銫鐘的研制，完成了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，性能達(dá)到美國惠普公司研制的5061A銫鐘水平。目前，國內(nèi)主要有3家單位抓總研制激光抽運(yùn)銫鐘：①北京大學(xué)：目標(biāo)瞄準(zhǔn)5071A，已經(jīng)研制出激光抽運(yùn)原理樣機(jī)，5天穩(wěn)定度等技術(shù)指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到5071A水平；②成都天奧公司：在國家重大儀器專項(xiàng)的支持下正在進(jìn)行激光抽運(yùn)銫原子鐘的研制和批量化生產(chǎn)工作，目標(biāo)實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)100臺(tái)；③陜西天文臺(tái)：2013年開始進(jìn)行激光抽運(yùn)銫鐘的研制工作，2015年已經(jīng)完成了第一臺(tái)樣機(jī)研制。近期，北京大學(xué)在激光抽運(yùn)銫鐘的長時(shí)間穩(wěn)定工作方面取得重要進(jìn)展，采用了束譜穩(wěn)頻方案，該方案選用了不跳模的分布反饋（DFB）激光管，同時(shí)采用單激光加聲光調(diào)制器（AOM）移頻方案，激光頻率鎖定在檢測(cè)區(qū)的原子束熒光譜上。

在激光抽運(yùn)星載銫鐘方面，歐洲和美國已開展研制工作。法國和瑞士正聯(lián)合為“伽利略系統(tǒng)”（Galileo）研制激光抽運(yùn)銫鐘（OSCC計(jì)劃），要求其銫鐘頻率穩(wěn)定度優(yōu)于3×10-12/τ1/2，閃變平臺(tái)10-14，現(xiàn)已經(jīng)完成樣機(jī)的研制工作，還需進(jìn)一步完善。美國GPS-3衛(wèi)星計(jì)劃搭載激光抽運(yùn)銫鐘4430，由原丹丁/迅騰公司（Datum/ Symmetricom）研制，研制出的4430銫鐘原型樣機(jī)準(zhǔn)確度保證10-13，穩(wěn)定度保證6×10-12/s、2×10-14/d，壽命8～10年。

美國4430星載激光抽運(yùn)銫鐘

3　銫原子鐘的發(fā)展趨勢(shì)

無論是磁選態(tài)銫鐘還是激光抽運(yùn)銫鐘，都屬于熱束原子鐘，熱束流中原子的速率絕大多數(shù)超過100m/s，從而拉姆齊（Ramsey）線寬超過300Hz。對(duì)于銫鐘，原子穿過拉姆齊微波腔的時(shí)間越短，拉姆齊線寬將越寬，對(duì)銫鐘的頻率穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度將越不利。可以選擇速率低的原子通過拉姆齊腔，但對(duì)熱束流來說，速率低的原子數(shù)所占比例很小，如果選用速率低的原子，躍遷信號(hào)將顯著降低，從而信噪比下降，穩(wěn)定度變差。也可以加長拉姆齊腔，從而增大穿行時(shí)間，但效果也十分有限，如不顧裝置龐大，將拉姆齊腔加長到2m左右，線寬依然超過100Hz?？梢姡瑹崾隅姷男阅苡幸粋€(gè)極限。

為了突破這個(gè)極限，一個(gè)自然的想法是將束流中原子的速率降下來。隨著原子激光冷卻與陷俘技術(shù)的發(fā)展，上述想法有了實(shí)現(xiàn)的可能。目前可以使原子的速率降2～3個(gè)量級(jí)，從理論上，原子鐘的穩(wěn)定度可提高2～3個(gè)量級(jí)，此外多普勒頻移也將顯著下降，從而準(zhǔn)確度將進(jìn)一步提升。因此采用激光冷卻技術(shù)的冷原子鐘在最近十幾年來得到發(fā)展。但對(duì)于冷原子鐘，實(shí)現(xiàn)小型化從而可以將其搬到空間，難度同樣非常大。國際上已開始了相關(guān)研究，如歐洲航天局的“太空原子鐘系統(tǒng)”（ACES）中的微重力冷銫原子鐘、美國航空航天局（NASA）的PARCS計(jì)劃、法國計(jì)量測(cè)試實(shí)驗(yàn)室（LNE）的HORACE計(jì)劃等。

“太空原子鐘系統(tǒng)”包括2臺(tái)原子鐘，其中一臺(tái)是法國國家空間研究中心（CNES）提出的微重力冷原子銫鐘項(xiàng)目—PHARAO，另一臺(tái)是瑞士天文臺(tái)的主動(dòng)氫激射器鐘—SHM，安裝在國際空間站上。PHARAO樣機(jī)工作原理為：冷原子團(tuán)用激光冷卻，溫度低于1μK，用運(yùn)動(dòng)光學(xué)黏團(tuán)方法把原子以5cm/s的速度推向微波作用區(qū)與射頻場(chǎng)作用，產(chǎn)生拉姆齊花樣，線寬僅有0.1Hz。PHARAO微重力冷原子銫鐘樣機(jī)于1997年研制完成，銫束管質(zhì)量45kg，體積70L，并利用空客飛機(jī)A-300獲得了拉姆齊花樣。PHARAO空間鐘工程樣機(jī)2001年啟動(dòng)開發(fā)，2009年完成設(shè)計(jì)評(píng)審，2011年完成制造和測(cè)試，指標(biāo)預(yù)期為穩(wěn)定度2×10-14/s、7×10-17/d，準(zhǔn)確度5×10-17。

PARCS計(jì)劃中冷原子銫鐘物理部分

2002年，美國航空航天局提出PARCS計(jì)劃，要在空間實(shí)現(xiàn)秒定義，其不確定度達(dá)到5×10-17。PARCS激光冷卻銫束原子鐘由美國國家標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)研究所（NIST）、噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）和科羅拉多大學(xué)（Colorado）合作研制。PARCS銫束管裝置與法國的方案類似，區(qū)別是采用2個(gè)相位受控的獨(dú)立諧振腔獲取拉姆齊信號(hào)。2004年，幾所大學(xué)開展了地面方案驗(yàn)證試驗(yàn)，獲得了10-13/s穩(wěn)定度。

HORACE計(jì)劃中冷原子銫鐘物理部分

法國計(jì)量測(cè)試實(shí)驗(yàn)室的HORACE計(jì)劃中，冷原子銫鐘準(zhǔn)備安裝在“伽利略”系統(tǒng)的衛(wèi)星上。HORACE計(jì)劃類似于國內(nèi)中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所在2008年實(shí)現(xiàn)的積分球冷卻技術(shù)，其基本思想是把原子鐘的所有過程，包括原子冷卻、原子制備、微波探測(cè)等都在同一地方發(fā)生，應(yīng)用時(shí)序?qū)⒏鱾€(gè)過程分開，從而該鐘的體積可以減少到幾升。在HORACE計(jì)劃中，冷原子產(chǎn)生及與微波相互作用的雙重作用都在一個(gè)石英球泡內(nèi)完成，泡外的銅片經(jīng)過光學(xué)拋光，使泡內(nèi)形成各向同性的漫反射光冷卻機(jī)制。2011年開展了地面試驗(yàn)，拉姆齊譜線中線線寬9Hz，預(yù)期空間穩(wěn)定度可達(dá)到7×10-14/s。

4　結(jié)束語

傳統(tǒng)的小型磁選態(tài)銫鐘，盡管從物理上已接近極限，但工藝上有挖掘的可能，從而使銫束管信噪比進(jìn)一步提升，目前國內(nèi)銫束管信噪比為2000（1Hz帶寬），如能達(dá)到3000，整鐘指標(biāo)也將相應(yīng)提升。激光抽運(yùn)銫鐘研制在我國已經(jīng)打下了很好的基礎(chǔ)，可以考慮啟動(dòng)星載激光抽運(yùn)銫鐘的研制工作。在冷原子鐘方面，積分球原子鐘在體積與質(zhì)量上有較大優(yōu)勢(shì)，是未來新導(dǎo)航系統(tǒng)很好的選擇，前期工作應(yīng)該開展。

王曉宇/本文編輯

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