导航铯原子钟的发展现状及趋势

陈江 李得天 王骥 杨军 （兰州空间技术物理研究所）



导航铯原子钟的发展现状及趋势

陈江 李得天 王骥 杨军 （兰州空间技术物理研究所）

铯原子钟由于其可靠性高、准确度好及漂移率低，被用作一级频率标准。20世纪，美国和俄罗斯的导航系统成功地实现了磁选态铯钟的卫星搭载。从使用情况来看，导航系统采用铯原子钟，不但减少了星座组网时原子钟校时对通信容量的占用，而且降低了导航系统对地面站的依赖。磁选态铯钟的开发已经超过半个世纪，随着技术与理论的进步，出现了新型铯原子钟，包括激光抽运铯钟、冷原子束铯钟。同传统的磁选态铯钟相比，这些新型铯钟有着更好的指标，它们有望成为下一代卫星导航用星载铯钟。

1　引言

目前，国际上导航原子钟的类型主要是传统的原子钟，包括铷钟、氢钟和铯钟。在这三者中，铷原子钟在质量、体积、功耗等方面占有优势，氢钟在短期和中期稳定度指标方面占有优势，铯钟的准确度和漂移率指标在三者中最好。由于铯原子钟的上述优势，美国的“全球定位系统”（GPS）和俄罗斯的“全球导航卫星系统”（GLONASS）都采用了铯原子钟，GPS Block-1、2、2A和2F采用了磁选态铯钟，未来，GPS-3拟采用激光抽运铯钟。俄罗斯GLONASS Block-2A、2B、2C及GLONASS-M、K都搭载了磁选态铯钟。

我国从20世纪60年代起就启动了磁选态铯钟的研制，其目标在于实现铯钟的小型化、可搬运，20世纪80年代启动了小型激光抽运铯钟的研制。据统计，铯钟的小型化涉及铯束管密封等17项关键技术，制作难度非常大。在此过程中，铯束管内超高真空长期维持技术、吸铯技术、铯束管密封技术等关键技术逐步得到解决。2000年之后，磁选态铯钟和激光抽运铯钟的研制进入快速发展阶段，解决了单束束光学优化、高通透性准直器的制造等问题，铯钟的指标不断提升。2015年，磁选态铯原子钟的最后一项瓶颈技术—铯束管的长寿命技术彻底得到解决。预计2年之内，我国自主研制的星载磁选态铯原子钟将应用于“北斗”导航系统。

2　铯原子钟的发展现状

磁选态铯原子钟

目前，国际上只有美国实现了地面小型磁选态铯钟的商品化。1964年，美国惠普公司（Hewlett-Packard）研制出第一代磁选态铯钟5060A，1992年研制出5071A铯钟，全球数量超过3000台。5071A铯钟现在是美高森美/迅腾公司（Microsemi/ Symmetricom）的一款经典铯钟产品，采用了铯-Ⅱ技术。铯-Ⅱ技术包括两个方面的内容：一方面铯束管束光学采用了单束S型方案；另一方面频标电路采用了数字化技术，对C场输入电流和微波功率实时优化，对倍增器电压根据增益情况实时调节。

在星载铯钟方面，GPS和GLONASS均采用了磁选态铯钟。曾经给GPS提供铯钟的公司包括FEI、Kernco及FTS等， GPS Block-2F搭载的4410磁选态铯钟由原迅腾公司生产，4410铯钟物理部分采用单束束光学方案，频标电路采用了地面铯钟的数字控制技术，指标情况为2×10-11/s、5×10-14/d，质量15kg，寿命10年。GLONASS采用的铯钟由俄罗斯无线电导航和时间研究所（RIRT）研制生产，指标情况为2×10-11/s、1×10-13/d，质量53kg，寿命3～5年。从整体上对比，美国GPS星载铯钟体积小，质量轻，技术指标高，寿命长，俄罗斯GLONASS星载铯钟体积和质量较大，技术指标稍低，寿命较短。

美国5071A铯钟

美国GPS 4410磁选态铯钟

我国从20世纪60年代开始磁选态铯钟的研制工作，主要研制单位包括北京大学、北京真空电子技术研究所、华北无线电设备研究所、北京无线电计量测试研究所等单位。2006年，兰州空间技术物理研究所与合作单位共同开展高性能单束磁选态铯钟研制，指标要求达到美国5071A铯钟（标准管）水平。研制工作的里程碑节点如下：2010年，铯束管和频标电路实现锁定；2011年，铯钟原理样机1～10000s稳定度达到要求；2012年，铯钟原理样机105s稳定度达到要求；2013年，铯钟原理样机5天稳定度达到要求；2014年，铯钟工程样机准确度和5天稳定度达到要求。在研制过程中，铯束管的寿命攻关占用时间最长，从2010年的寿命只有2个月、2011年的5个月、2012年10个月、2013年14个月，到2014年研制出寿命超过2年的铯束管。突破性进展出现在2015年，150804号铯束管研制成功，其倍增器采用了二次敏化技术，该铯束管从2015年8月份连续工作至今，分析输出的倍增器电压数据，150804号铯束管寿命将超过8年，这为长寿命星载钟的研制奠定了基础。

国产工程化地面铯钟与美国5071A铯钟指标对比

兰州空间技术物理研究所研制的工程化地面铯钟

兰州空间技术物理研究所研制的星载铯钟

在此基础上，兰州空间技术物理研究所启动了星载磁选态铯钟的研制工作。研制的思路是：继承地面磁选态铯钟方案，并在此基础上进行空间环境适应性改造，包括轻量化设计、部组件的加固等。目前方案的详细设计已经完成，并完成了铯炉、A磁铁、B磁铁、钛泵、检测器等部组件的组装，电路部分的元器件已齐套。预计在2016年6月可完成整钟原理样机的集成工作。

激光抽运铯原子钟

20世纪80年代以来，激光技术得到发展，从而推动了铯钟的发展，出现了激光抽运铯钟，用激光抽运-荧光探测代替磁选态-热离化丝检测。激光抽运铯钟对铯原子的利用率比磁选态铯钟大2个数量级，因此短期稳定度好；由于不涉及A磁铁、B磁铁、检测器等，因此没有束光学问题，使得铯束管的机械结构大为简化。美国、日本、法国研制出了激光抽运铯基准，准确度进入10-15量级。此外，美国、法国开发出了小型密封激光抽运铯束管，然而至今产品尚未面市，估计跟激光抽运铯钟需要可靠性极高的激光器有关。

我国在20世纪80年代也开展了激光抽运铯钟的研制工作。北京大学、北京无线电计量测试研究所和北京真空电子技术研究所开始了小型激光抽运铯钟的研制，完成了实验样机，性能达到美国惠普公司研制的5061A铯钟水平。目前，国内主要有3家单位抓总研制激光抽运铯钟：①北京大学：目标瞄准5071A，已经研制出激光抽运原理样机，5天稳定度等技术指标已经达到5071A水平；②成都天奥公司：在国家重大仪器专项的支持下正在进行激光抽运铯原子钟的研制和批量化生产工作，目标实现年产100台；③陕西天文台：2013年开始进行激光抽运铯钟的研制工作，2015年已经完成了第一台样机研制。近期，北京大学在激光抽运铯钟的长时间稳定工作方面取得重要进展，采用了束谱稳频方案，该方案选用了不跳模的分布反馈（DFB）激光管，同时采用单激光加声光调制器（AOM）移频方案，激光频率锁定在检测区的原子束荧光谱上。

在激光抽运星载铯钟方面，欧洲和美国已开展研制工作。法国和瑞士正联合为“伽利略系统”（Galileo）研制激光抽运铯钟（OSCC计划），要求其铯钟频率稳定度优于3×10-12/τ1/2，闪变平台10-14，现已经完成样机的研制工作，还需进一步完善。美国GPS-3卫星计划搭载激光抽运铯钟4430，由原丹丁/迅腾公司（Datum/ Symmetricom）研制，研制出的4430铯钟原型样机准确度保证10-13，稳定度保证6×10-12/s、2×10-14/d，寿命8～10年。

美国4430星载激光抽运铯钟

3　铯原子钟的发展趋势

无论是磁选态铯钟还是激光抽运铯钟，都属于热束原子钟，热束流中原子的速率绝大多数超过100m/s，从而拉姆齐（Ramsey）线宽超过300Hz。对于铯钟，原子穿过拉姆齐微波腔的时间越短，拉姆齐线宽将越宽，对铯钟的频率稳定度和准确度将越不利。可以选择速率低的原子通过拉姆齐腔，但对热束流来说，速率低的原子数所占比例很小，如果选用速率低的原子，跃迁信号将显著降低，从而信噪比下降，稳定度变差。也可以加长拉姆齐腔，从而增大穿行时间，但效果也十分有限，如不顾装置庞大，将拉姆齐腔加长到2m左右，线宽依然超过100Hz。可见，热束原子钟的性能有一个极限。

为了突破这个极限，一个自然的想法是将束流中原子的速率降下来。随着原子激光冷却与陷俘技术的发展，上述想法有了实现的可能。目前可以使原子的速率降2～3个量级，从理论上，原子钟的稳定度可提高2～3个量级，此外多普勒频移也将显著下降，从而准确度将进一步提升。因此采用激光冷却技术的冷原子钟在最近十几年来得到发展。但对于冷原子钟，实现小型化从而可以将其搬到空间，难度同样非常大。国际上已开始了相关研究，如欧洲航天局的“太空原子钟系统”（ACES）中的微重力冷铯原子钟、美国航空航天局（NASA）的PARCS计划、法国计量测试实验室（LNE）的HORACE计划等。

“太空原子钟系统”包括2台原子钟，其中一台是法国国家空间研究中心（CNES）提出的微重力冷原子铯钟项目—PHARAO，另一台是瑞士天文台的主动氢激射器钟—SHM，安装在国际空间站上。PHARAO样机工作原理为：冷原子团用激光冷却，温度低于1μK，用运动光学黏团方法把原子以5cm/s的速度推向微波作用区与射频场作用，产生拉姆齐花样，线宽仅有0.1Hz。PHARAO微重力冷原子铯钟样机于1997年研制完成，铯束管质量45kg，体积70L，并利用空客飞机A-300获得了拉姆齐花样。PHARAO空间钟工程样机2001年启动开发，2009年完成设计评审，2011年完成制造和测试，指标预期为稳定度2×10-14/s、7×10-17/d，准确度5×10-17。

PARCS计划中冷原子铯钟物理部分

2002年，美国航空航天局提出PARCS计划，要在空间实现秒定义，其不确定度达到5×10-17。PARCS激光冷却铯束原子钟由美国国家标准及技术研究所（NIST）、喷气推进实验室（JPL）和科罗拉多大学（Colorado）合作研制。PARCS铯束管装置与法国的方案类似，区别是采用2个相位受控的独立谐振腔获取拉姆齐信号。2004年，几所大学开展了地面方案验证试验，获得了10-13/s稳定度。

HORACE计划中冷原子铯钟物理部分

法国计量测试实验室的HORACE计划中，冷原子铯钟准备安装在“伽利略”系统的卫星上。HORACE计划类似于国内中国科学院上海光学精密机械研究所在2008年实现的积分球冷却技术，其基本思想是把原子钟的所有过程，包括原子冷却、原子制备、微波探测等都在同一地方发生，应用时序将各个过程分开，从而该钟的体积可以减少到几升。在HORACE计划中，冷原子产生及与微波相互作用的双重作用都在一个石英球泡内完成，泡外的铜片经过光学抛光，使泡内形成各向同性的漫反射光冷却机制。2011年开展了地面试验，拉姆齐谱线中线线宽9Hz，预期空间稳定度可达到7×10-14/s。

4　结束语

传统的小型磁选态铯钟，尽管从物理上已接近极限，但工艺上有挖掘的可能，从而使铯束管信噪比进一步提升，目前国内铯束管信噪比为2000（1Hz带宽），如能达到3000，整钟指标也将相应提升。激光抽运铯钟研制在我国已经打下了很好的基础，可以考虑启动星载激光抽运铯钟的研制工作。在冷原子钟方面，积分球原子钟在体积与质量上有较大优势，是未来新导航系统很好的选择，前期工作应该开展。

王晓宇/本文编辑

Development and Trend of Navigation Cesium Atomic Clock