光抽运小铯钟及其在PNT应用

曹远洪

(成都天奥电子股份有限公司，成都 611731)

0 引言

定位导航授时(Positioning，Navigation and Timing，PNT)系统是电子信息技术的集大成者[1]，给电子信息系统提供高精度的位置(坐标)、导航电文和时间信息，这些信息的精度主要取决于它内部的原子钟性能[2]。铯原子钟作为一级频率标准，具有准确度高、长期性能稳定可靠的特点[3]，可以为PNT系统提供高精度的时间频率基准。铯原子钟最大的优势是几乎没有漂移而频率准确度高。根据制备样品原子的技术方式不同可以分为磁选态和光抽运，根据满足不同应用领域要求而实现可以分为实验室大铯钟和工程装备应用的商品小铯钟。国内铯原子钟包括应用于国家时间频率基准的大铯钟和装备各工程应用领域的小铯钟，其中大铯钟的需求量有限主要依靠自行研制，后者需求量较大基本依靠进口而受制于人。围绕国防装备建设需求，国内相关单位近年来开展铯原子钟研究，在关键技术攻关方面取得了较大进展[4]，也实现了几款样机，但受电子倍增器等基础材料的制约，距离工程化及批量生产还有较大距离。随着激光技术进步，光抽运方案实现的铯原子钟的技术优势凸显，它可以避开复杂的束光学系统和寿命有限的电子倍增器，从而使光抽运铯原子钟代表未来技术发展方向，采用光抽运方案可加速铯原子钟国产化[5]。本文介绍的激光抽运铯原子钟即采用了先进的光抽运方案，先后突破了铯束准直、激光稳频等关键技术，并相继实现光抽运铯原子钟原理样机和工程样机[6]，解决了环境适应性问题，并进行了产品小批量生产，首次在国际上实现商品光抽运铯原子钟。激光抽运铯原子钟具有体积小、频率精度高、性能可靠的特点，可作为时间频率标准应用于PNT系统。

铯原子钟自诞生以来，首先就作为国家时间频率基准应用，因此大铯钟则成为原子钟科学家们研制的重要任务。以美国发展大铯钟为例，在1949年美国哥伦比亚大学的拉姆齐提出铯原子钟制作技术后，1952年美国国家标准技术局(National Insti-tute of Standards and Technology，NIST)就推出磁选态大铯钟NBS-1到NBS-7，频率准确度最高达到5×10-5，我国计量院也研制了磁选态大铯钟CsII、CsIII也达到10-13量级。随着激光抽运技术和冷原子喷泉技术的引入，美国NIST实现了光抽运的喷泉原子钟NIST-F1、NIST-F2[7]，我国计量院也实现了NIM5[8]。这种原子钟将铯束管垂直放置，通过激光冷却将原子减速上抛并在重力作用下原子下落，2次与外场作用得到线宽1Hz原子参考谱线，可实现准确度达10-18大铯钟。这些大铯钟主要作用是产生高精度的时间频率标准，特别是1967年国际

标准秒采用铯原子钟振荡周期定义后，国际上著名实验室都把研制高精度的大铯钟作为重要的科研内容，英国、德国、加拿大、澳大利亚、韩国、日本、俄罗斯等几乎主要的大国和强国都在研制自己的大铯钟。典型的大铯钟如图1所示，体积庞大且制造成本高，不利于批量生产和工程装备应用，主要应用于国家时间频率实验室。产生的高精度时间频率作为国家级基准为国家各行业电子系统提供参考时钟，并通过时频比对网络将这个国家基准传递出去参与国际比对，贡献国际原子时比重[9]，承担体现一个国家在时间频率领域的国际义务和地位。

与大铯钟的基本原理相似，小铯钟采用加热铯形成热铯束，为减小体积把铯束管长度从大铯钟的米级减小1个量级，铯束分布等其他边界效应导致其频率准确度降低到10-12，但可实现标准19寸的商品小铯钟，如图2所示。早期的小铯钟主要采用磁选态实现，但涉及高温电真空制造工艺和寿命有限的电子倍增器材料，因而只有美国、瑞士等极少数国家具有制造能力，代表性的产品是美国HP公司5060、5061A、5071产品，后来被Microsemi公司收购后推出了满足电信及电网络同步的CS4000系列低成本小铯钟。瑞士Osciquartz公司主要从美国购置铯束管研制生产有系列磁选态小铯钟，其代表型号有OSA3230B。采用激光替代选态磁铁和进行光检测，不再有复杂的束光学系统和倍增器，因而不再有磁选态铯钟的制造困难和材料瓶颈，代表小铯钟技术发展方向[10]，瑞士推出的OSC3300和本文重点介绍的TA1000都是光抽运小铯钟。在机械制造工艺难度降低的同时，也由于激光系统的加入带来了激光稳频成本的上升和电子技术难度的增加。

几种大小铯钟区别，主要体现在作为原子钟内部环路系统的原子参考谱线的线宽以及由此基础上实现的铯钟输出标准频率信号的频率准确度，具体参数如表1所示。这也决定了这些铯钟的应用领域和作用与地位：大铯作为实验室基准，小铯钟为工程装备应用[11]。

表1 几种典型的铯原子钟关键技术指标对比分析

1 光抽运小铯钟基本原理

铯原子钟的基本原理是，铯束原子2次经过微波腔与9Hz,192Hz,631Hz,770Hz微波发生所谓的Ramsey共振，其共振信号作为钟跃迁为铯原子钟的频率参考。在使铯原子基态上下2个能级实现反转的制备过程中，采用了激光抽运方式基态下能级原子抽运到激发态，激发态因不稳定而自发辐射回到基态上下能级，经反复抽运理论上即可把基态下能级原子完全搬运到上能级而实现了原子布局数反转。另外，为提高对Ramsey信号的光检测效率还对参与钟跃迁的原子采用了循环检测[12]。由于产生钟跃迁的微波场矢量与原子运行方向垂直因而没有一级多普勒效应，所以铯原子钟具有非常高的频率准确度。

激光抽运小铯钟TA1000工作原理采用的单激光分束移频225MHz产生双光束，进行4-4′抽运，4-5检测方案[13]，激光稳频采用单独的铯泡进行饱和谱稳频，其工作原理如图3所示。

激光抽运小铯钟TA1000主要由三大部分构成：铯束管、激光系统和外围电子线路。其中，1)铯束管用于产生原子束样品，提供原子束及其与激光场、微波场相互作用的真空和电磁环境，进行原子跃迁检测等，包括铯炉、微波腔、C场、磁屏蔽及荧光检测器、离子泵等部件；2)激光系统用于实现原子态制备以及原子跃迁几率探测，包括激光光路及激光器外围电路(电流源与温控电路、激光光路、激光器锁频电路等)；3)电路系统包括用于产生激励原子跃迁所需的微波倍频器、本地振荡器频率伺服控制电路、铯炉加热和温控、C场恒流源、频标电路、电源模块、显示控制单元等。在开机工作时，TA1000首先会启动电源高压给离子泵供电使铯束管内部进入高真空。随后，对铯束管内铯炉加热而喷射出铯束原子，同时激光模块开始工作实现饱和谱锁定。最后，铯束原子与微波作用后发生Ramsey共振得到原子参考信号，与电子线路闭环锁定而实现标准频率信号输出。

2 光抽运小铯钟研制

本文介绍的光抽运小铯钟TA1000历经10年的研究，从解决关键技术开始，相继实现了原理样机和工程样机。

2.1 原理样机研制

在国家重大专项等课题支持下，课题组解决铯束准直和激光稳频等关键技术，实现了TA1000的原理样机，并进行了指标测试，如图4所示。

测试原理样机标准10MHz信号的Allan方差得到的频率稳定度为7.2×10-12/1s, 2.9×10-12/10s, 7.8×10-13/100s, 3.2×10-13/1000s，该结果表明输出信号具有原子频标特性，技术总体方案可行，关键技术攻关有效，需要进行整机热设计提升中长期频率稳定度。

2.2 工程样机研制及指标测试

在原理样机基础上，针对卫星导航、电信网络同步及电力同步等环境参数要求，着重解决激光系统精密温控，并进行接口及外观改进设计，实现了如图5所示的工程样机，通过与5071A的对比测试表明TA1000达到国际同类小铯钟先进水平。

3 光抽运小铯钟TA1000在PNT系统应用

PNT系统主要在广域和局域内提供定位导航和授时信息，TA1000可提供精度的时间频率信息，可以应用于卫星导航、长波导航等各类PNT系统。

3.1 卫星导航系统应用

光抽运小铯钟TA1000卫星导航系统的应用，主要作为卫星导航系统地面监测与注入站的守时原子钟。这个应用环境与基准实验室类似，进行了精度环境温控和电磁屏蔽设计，铯钟可以获得非常好的性能。将TA1000提交某卫星导航地面站，采用原子钟组产生的频率标准作为参考进行测试，进行长时间测试期待测出TA1000的量子噪声本底导致的频率稳定度，得到的测试结果如图6所示，频率稳定度达到： 2.06×10-12/10s，7.05×10-12/100s，2.45×10-13/1000s，7.87×10-14/10000s，2.11×10-14/100000s， 4.92×10-15/1000000s。该指标可以满足卫星导航地面守时原子钟的技术要求。

3.2 长波导航系统应用

长波导航是基于地波的局域导航系统，因采用长波传递导航信息而抗干扰能力强，在海上的舰船导航应用较多。这类系统属于早期的导航技术，导航精度比卫星导航低，但其陆地中心站采用铯原子钟作为基准并与卫星导航进行融合，可以实现与卫星导航相当的导航精度，因此近年来重新受到重视。图7所示为美国罗兰C长波导航及采用铯原子钟情况[14]，对我国长波导航建设具有参考价值。

3.3 网络授时同步系统应用

电信及电力网络系统主要是时间同步，故需要原子钟作为网络的主时钟(Primary Reference Clock，PRC)，为整个网络提供高精度的时间参考[15-16]。应用铯钟的同步系统如图8所示，TA1000铯原子钟作为PRC进行测试网络同步需要的指标。

在测试时，则参考G.810国际电信联盟标准，以GNSS卫星提供的时间信号作为参考，长时间地采集测量网络的时间间隔误差TIE，该指标可较直观反应原子钟相对应GNSS时间的误差小于30ns，如图8所示。以采集获得的TIE数据为基础，还可以分析计算出MTIE TDEV、TVAR MADEV 等参数。电力同步网的应用方案与数字通信网类似，因此测试的重要技术指标最终也是测量本地原子钟与参考标准GNSS的时差。

另外，光抽运小铯钟TA1000还可以作为车载移动PNT系统的时钟参考，为野外训练或临时组网提供高精度的时间频率标准。

4 结论

在国家重大专项等支持下，较好地解决了铯原子钟国产化问题，实现了我国第一款商品铯原子钟TA1000，可广泛应用于PNT系统，提供高精度的时间频率信号。