原子钟频率标准.ppt

安 排 钟的工作原理 仪器常用指标及实现 相关产品介绍 其它竞争产品比较 总结 钟的工作原理 根据量子物理学的基本原理，原子是按照围绕在原子核周围不同电子层的能量差，来吸收或释放电磁能量的。这里电磁能量是不连续的。当原子从一个高“能量态”跃迁至低的“能量态”时，它便会释放电磁波。这种电磁波特征频率是固定的，这也就是人们所说的共振频率。同一种原子的共振频率是一定的—例如铯133的共振频率为每秒9192631770周。因此铯原子便用作一种节拍器来保持高度精确的时间。 波尔能量关系公式: 铯钟的工作原理（铯束管） 磁选态铯钟(德国PTB)： 利用磁偏转的方式将符合工作要求的特定能量态的铯原子选取出来，并将其输入铯束管（微波谐振腔），铯束在微波谐振腔中与外部受控震荡器相作用发生能级跃迁。输出的铯束与高温金属丝相作用形成铯离子电流，当铯离子电流输出达到最大的时候，谐振腔的可控震荡器频率与铯的共振频率相同。 铯钟的工作原理（铯束管） 光抽运铯钟(法国LPTF）： 在光抽运铯束频标中，利用激光（第一光学区）对铯束照射，使得不同能量态的原子发生跃迁达到统一的能量态。再利用谐振腔的受控外部震荡器对铯束管中的铯原子加以作用，形成能级跃迁。最后发生跃迁的原子在第二光学区被加以检测，以测定原子的共振频率。 铯钟的工作原理（喷泉钟）（美国NIST） 由铯原子组成的气体，被引入到时钟的真空室中，用激光减慢了原子的运动速度并将其冷却到接近绝对零度。 两束垂直的激光轻轻地将这个铯原子气球向上举起，穿过微波腔，形成“喷泉”式的运动。 在地心引力的作用下，铯原子气球开始向下落并将所吸收的能量全部释放出来。 在微波腔的出口处，另一束激光射向铯原子气，探测器将对辐射出的荧光的强度进行测量。 铷钟的工作原理 GPS的工作原理 GPS系统操作原理为:每一颗卫星不断发射包含其位置和精确到十亿分之一秒的时间的数字无线电信号。GPS的接收装置接收到来自于四颗卫星的信号，然后计算出在地球上的位置。接收装置将接收时间与卫星发射的时间进行比较，通过二者之差计算出远离卫星的距离。通过比较这个时间与其他三个已知位置的卫星的时间，接收装置便能够确定经纬度及海拔高度。 GPS的工作原理 铯钟或者铷钟 原子钟通过 NIST 和 USNO加以校准 每一个卫星传输时间和位置编码信(1575.42MHz的L1载波和频率为1227.60HMz的L2载波) 所传送的GPS时间 频率基准对于NIST 和 UTC是可追踪的。 已有的时间频率标准 独立工作源 首选标准 铯,氢钟 第二选择 铷, OCXO（高稳晶振） 发送系统 卫星无线电系统 GPS, GLONASS, 伽利略 地面无线电系统 Loran-C, DCF-77 光纤同步系统 E1, T1 (SSU) 安 排 钟的工作原理 仪器常用指标及实现 公司相关产品介绍 其它竞争产品比较 总结 仪器常用指标 频率准确度：表征信号的实际频率值与理想的或定义的频率值（以UTC为标准的频率，实际是国际原子时ATI的频率）的偏离或符合程度，一般用相对频率偏差来表示。 频率稳定度：频率稳定度表示时钟输出频率因受噪声影响产生的随机起伏特性。可以从时域和频域来分析频率稳定度。频率稳定度用阿伦方差的平方根来表征。 频率漂移率（老化率）：频率漂移率是指时钟输出频率随运行时间单调变化的线性率。随时间单位的不同，有日漂移率?p月漂移率和年漂移率。对于高稳石英晶体振荡器，由于频率漂移通常是由石英晶体的老化造成的，因此它的频率漂移率称为频率老化率。原子钟的漂移主要由内部器件造成，包括由量子结构的频率漂移、相检及运放的漂移引起。 仪器常用指标 老化率： 频率值随时间呈单方向的变化，称为频率漂移或老化。近似描述频率老化特性的直线用最小二乘法计算。其主要的计算公式为： 仪器的常用指标 频率稳定度—阿伦偏差（Allan Deviation）:描述输出频率受噪声影响而产生随机起伏程度的量，在数学上用Allan(阿伦)方差的平方根值来加以表示。 其主要的计算公式为： 频率标准的准确度 频率标准的选择 频率标准的稳定度 铷原子钟 稳定度： 1E-11，体积小、重量轻，便于携带，可作为工作基准。 铯原子钟 稳定度：1E-13~1E-14。 大铯钟，专用实验室高稳定度频率基准；小铯钟，频率工作基准。 氢原子钟 短期稳定度高：1E-14~1E-15，但准确度较低（1E-12）。 对于不同频率标准的一般性比较 时间频率标准的应用范围 测量和测试行业 研究所 企业 生产行业