LPRO-101(铷原子钟)
Datum — Proprietary
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Warranty Datum provides a 2 year warranty on this product.
3.2 Thermal Considerations ................................................................................. 11 3.2.1 Use of Thermal Tape ...................................................................... 11 3.2.2 Test Heat Sink ................................................................................ 12 3.2.3 Impact of Ext. Ambient Air Temp. on Unit Operation .................. 12 3.2.4 Unit Operating Temperature Range ................................................ 13 3.2.5 Frequency Offset from Water Condensation ................................. 14
SECTION THREE - Design Integration Considerations
3.1 Mechanical Issues ......................................................................................... 11 3.1.1 Recommended Mating Connectors ................................................ 11 3.1.2 Circuit Card Mating Recommendations ........................................ 11 3.1.3 Mounting Guidelines ..................................................................... 11
2.2.2 Cabling ........................................................................................... 7
2.3 Turn-on Procedure ........................................................................................... 7
i
LPRO Rubidum Oscillator
Table of Contents
REFERENCES
Additional Documentation .......................................................................................... iv
Applicable Patents This product is protected under the following U.S. patent numbers: 4,661,782; 5,457,430; 5,489,821; 5,656,189; 5,721,514 and patents pending.
1.1 Typical Applications ........................................................................................ 1
1.2 LPRO Specifications ....................................................................................... 3
SECTION TWO - Installation and Operation
2.1 Theory of Operation ........................................................................................ 6
2.4 Frequency Adjustment Procedure .................................................................... 8
2.5 Maintenance ......................................................................................... 10
2.2 Installation
........................................................................................... 7
2.2.1 Site Selection ................................................................................... 7
Section Three (continued)
3.4.3 Isolation of Chassis ..................................................................................... 21 3.4.4 Shorted Output, Open Output Cases .......................................................... 21 3.5 Built-in Test Equipment (BITE) Signal ..................................................................... 21 3.5.1 Recommended Customer Interface to BITE .............................................. 21 3.6 C-Field Frequency Control ........................................................................................ 22 3.6.1 >±1E-9 Internal or External Control .......................................................... 22 3.6.2 Time Response of External C-field Control ............................................... 22 3.6.3 Temperature Compensation of Frequency Using Ext. C-field Control ...... 22 3.7 EMI Considerations .......................................................................................... 23 3.7.1 Outer Mu-Metal Cover ............................................................................... 23 3.8 LPRO Susceptibility to Input Noise .......................................................................... 23 3.9 LPRO Maintenance .......................................................................................... 24 3.9.1 LPRO Design Goal ..................................................................................... 24
铷原子钟的工作原理
铷原子钟的工作原理一、引言铷原子钟是一种高精度的时间测量工具，其精度可以达到每天误差不到1秒。
它是利用铷原子的超精细结构来实现时间测量的。
本文将详细介绍铷原子钟的工作原理。
二、铷原子的超精细结构超精细结构是指由于电子自旋和核自旋相互作用而导致的能级分裂。
在铷原子中，一个电子围绕着一个核自旋为I=3/2的核心运动。
这个电子具有自旋量子数S=1/2，因此它有两个可能的取向：向上或向下。
当这个电子处于基态时，它会填充最低能级（n=5）。
这个能级在没有外界干扰时会被分裂成两个亚能级，分别对应着电子自旋向上和向下两种取向。
这两个亚能级之间的距离非常小，只有约6.8 GHz。
三、铷原子钟的基本组成部分铷原子钟由以下几部分组成：激光器、腔体、微波源、控制电路和计数器。
四、激光器激光器是产生激光束的装置。
铷原子钟中使用的激光器通常是半导体激光器。
这种激光器可以产生高度单色性的激光，其波长为780 nm左右，与铷原子的D2线非常接近。
五、腔体腔体是一个封闭的空间，其中包含铷原子蒸汽和反射镜。
当激光束进入腔体时，它会被反射镜反射回来，并与铷原子发生作用。
这个过程称为吸收。
吸收后，铷原子会从基态跃迁到第一激发态（n=6），并释放出一个光子。
这个光子会沿着与入射激光束相反的方向逃逸出腔体。
六、微波源微波源是产生微波信号的装置。
它可以产生频率为6.8 GHz左右的微波信号，用于刺激铷原子中两个亚能级之间的跃迁。
七、控制电路控制电路用于控制整个系统的运行。
它可以调节激光器和微波源的输出频率，并计算出当前时间。
八、计数器计数器用于记录铷原子钟的输出信号。
它可以精确地测量微波信号的频率，并将其转换为时间单位。
九、铷原子钟的工作原理当激光束进入腔体时，它会与铷原子发生作用，使得铷原子从基态跃迁到第一激发态。
这个过程中释放出的光子具有特定的频率，称为共振频率。
当微波信号的频率与共振频率相等时，就会刺激铷原子中两个亚能级之间的跃迁。
原子钟的几种常见类型
原子钟的几种常见类型摘要 本文按出现的时间顺序介绍几种常用原子钟(光谱灯抽运铷原子钟、光谱灯抽运铯原子钟、磁选态铯原子束钟、激光抽运铯原子束钟、激光冷却冷原子喷泉钟、积分球冷却原子钟)的基本原理。
原子钟是利用原子或分子的能级跃迁的辐射频率来锁定外接振荡器频率的频率测量标准装置的俗称，通称为量子频率标准或原子频标。
其工作原理可用图1来描述：图1一个受控的标准频率发生器产生的信号经过倍频和频率合成转换成为频率接近于原子跃迁频率的信号，激励原子产生吸收或受激发射的频率响应信号，呈共振曲线形状，称为原子谱线，其中心频率即原子跃迁频率为ν0，线宽为Δν。
若经过转换的受控振荡器频率与原子跃迁频率不符，原子做出的响应信号通过伺服反馈系统来矫正振荡频率，直到使其与原子频率符合为止。
这样就使受控振荡器频率始终稳定在原子跃迁频率上，从而实现使其振荡频率锁定于原子跃迁频率的目的。
光谱灯抽运铷原子钟 光抽运汽室频标用碱金属原子基态两个超精细结构能级之间跃迁的辐射频率作为标准频率，它处在微波波段。
在磁场中，这两个能级都有塞曼分裂，作为标准频率的跃迁是其中两个磁子能级m F =0之间的跃迁，它受磁场影响最小。
若用合适频率单色光照射原子系统，使基态一个超精细能级上的原子被共振激发，而自发辐射回到基态时可能落到所有能级，原子就会集中到一个基态能级，极大地偏离玻尔兹曼分布，这就是光抽运效应。
这里选择抽运光起着关键作用。
在20世纪60年代初，激光器刚发明尚无法利用，唯一可用的共振光源是光谱灯。
一般光谱灯是由同类原子发光，它的光谱成分能使基态两个超精细能级上的原子都被激发，因而不能有效地实现选择吸收，起到光抽运作用。
幸好对铷原子，可以有一个巧妙的办法。
铷原子有两种稳定同位素：Rb 85和Rb 87，其丰度分别为72. 2%和27. 8%。
它们各有能级间距为3036MHz 和6835MHz 的两个超精细能级，其共振光的频率分布如图2所示。
铷原子时钟源
铷原子时钟源
是一种基于铷原子振荡器的高精度、高稳定度时钟源。
铷原子振荡器利用铷原子的固有频率进行振荡，具有较高的精确性和稳定性，广泛应用于各种计时和频率控制系统中。
铷原子时钟源的工作原理如下：
1. 铷原子在特定的光学激发条件下，会跃迁到高能态。
2. 当铷原子从高能态跃迁回低能态时，会辐射出特定波长的光子。
3. 利用光电倍增管等光传感器检测到光子辐射，并将其转换为电信号。
4. 对电信号进行放大、滤波和整形处理，得到稳定的矩形波信号。
5. 将矩形波信号输入到分频器或倍频器，得到所需频率的时钟信号。
铷原子时钟源具有以下优点：
1. 高的精度：铷原子振荡器的频率稳定性较高，可以实现毫秒级别的精度。
2. 高的稳定性：铷原子振荡器不受外界环境因素（如温度、磁场、振动等）的影响，具有很高的稳定性。
3. 抗干扰能力强：相较于其他类型的时钟源，铷原子时钟源对电磁干扰和射频干扰具有较高的抗干扰能力。
4. 小型化、低功耗：随着技术的发展，铷原子时钟源逐渐实现
小型化和低功耗，便于集成和应用。
铷原子时钟源在通信、导航、科学研究、精密测量等领域具有广泛的应用前景。
例如，在通信系统中，它可以作为基准时钟用于频率同步和时间戳记录；在导航系统中，它可以为卫星导航信号提供高精度的时间参考；在科学研究中，它可以用于精密测量实验中的时间基准等。
原子钟的几种常见类型
光谱灯发出的共振光经透镜聚焦后，通过置于谐振腔内的汽室被吸收，并在光电检测器上得到一定电平的光电信号。这相当于光抽运下原子在两个基态超精细能级上建立稳态分布时的信号，当谐振腔内电磁场频率与超精细跃迁相符时，原子在两个超精细能级之间发生跃迁，打破了原有的原子在能级上的平衡分布，又会发生新的光吸收，产生跃迁的光检测信号，即原子钟信号。
冷原子喷泉钟的基本想法如图7所示，搭建一个竖立的真空装置，真空中充
有工作介质(铷或铯)的饱和蒸汽，利用激光俘获原子并将其冷却，将原子上抛。原子在上抛和下落的过程中只受到重力作用，它两次穿过微波腔，与时间上的分离振荡场作用，产生钟跃迁，然后探测不同能级的原子。最后获得与Ramsey钟跃迁相应的荧光信号。这样极大减小了传统结构中两个振荡场不同所造成的相位频飘而且两次与微波振荡场作用时的速度等值反向，消除了一阶多普勒频移。[2]图7
积分球冷却原子钟积分球冷却原子钟的基本思想是把原子钟的所有相互作用(原子冷却、原子制备、微波探测和检测)都在同一地方发生，应用时序将各个阶段的作用分开。从而该钟可以减小到几升的体积。
积分球冷却原子钟的物理部分是由激光焊接的钛材做成，真空室由2L/s的离子泵维持在9* mPa。外面罩两层磁屏蔽。
为了满足冷却过程的需要，球形紫铜腔须光学抛光到λ/14的精度以便储存激光和产生各向同性的光场以供捕获和冷却原子用。同时，这个微波腔调谐在9。192GHz 模式，用于激励“钟”跃迁。微波腔内有一Cs原子储存泡，保持真空度在 乇。含泡腔的Q=3000。
图1
一个受控的标准频率发生器产生的信号经过倍频和频率合成转换成为频率接近于原子跃迁频率的信号，激励原子产生吸收或受激发射的频率响应信号，呈共振曲线形状，称为原子谱线，其中心频率即原子跃迁频率为 ，线宽为Δν。若经过转换的受控振荡器频率与原子跃迁频率不符，原子做出的响应信号通过伺服反馈系统来矫正振荡频率，直到使其与原子频率符合为止。这样就使受控振荡器频率始终稳定在原子跃迁频率上，从而实现使其振荡频率锁定于原子跃迁频率的目的。
北斗卫星铷原子钟原理
北斗卫星铷原子钟原理
北斗卫星铷原子钟的原理是基于“光-微波双共振”原理设计的。
这种原子
钟的核心在于对原子能级进行精确控制和测量，以确定时间。
在铷原子钟中，原子信号的强弱与物理系统的两个主要部件相关，一个是激励光共振信号的光谱灯，另一个是激励微波共振信号的微波腔。
光谱灯的作用是将原子从低能级抽运到高能级，类似于抽水机的工作原理。
铷原子中的高能级原子不会自动回到低能级，因此需要用微波场去激励，使它们能够回到低能级。
通过控制和测量这些能级的转换，可以确定非常精确的时间。
因为这种转换是高度稳定的，所以铷原子钟的精度和稳定性都非常高，可以达到纳秒级别。
在北斗卫星中，这种铷原子钟被用来提供精确的时间服务。
地面用户可以通过接收北斗卫星的信号，获取由卫星时钟提供的精确时间信息。
然而，信号在传输过程中会受到各种因素的影响，如空间大气层、地球自转和卫星运动等，因此需要对信号进行修正和校正，以确保时间服务的精确度和稳定性。
总的来说，北斗卫星铷原子钟通过控制和测量原子的能级转换来确定时间，其高精度和稳定性为各行业提供了准确的时间服务，如海洋渔业、航空航天、交通运输和电力能源等。
航天科工集团“卡片铷钟”实现量产
航天科工集团“卡片铷钟”实现量产北京无线电计量测试研究所研制的超薄铷原子钟（以下简称“卡片铷钟”）实现货架产品。
自2018年卡片铷钟首款产品研制成功以来，北京无线电计量测试研究所加快工程化步伐，实现批量化生产。
该款产品由于具有指标高、可靠性好、体积小等特点受到广泛的好评，截至目前已接受十几家单位的订单任务。
该卡片铷钟最大的特点就是体积小（76mm ×76mm ×17mm ），可以直接嵌入插卡式的电路板上，在机箱中插拔更加方便，并且可以进行普通型、抗振型、驯服型3种型号选择。
其采用抗振性设计，在运输振动过程中，可以保证正常的锁定；同时具有耐高温的特点，在70℃的高温下也能够正常工作。
此外，该产品还具有驯服功能选件，用户仅提供1PPS 秒信号，卡片铷钟即可自动识别并进行驯服，能够提高本地频率的准确度，具备一定的守时能力，可广泛应用于航空、航天、电信等各个领域。
北京无线电计量测试研究所严把卡片铷钟产品质量关，产品生产过程设置关键过程控制点，提高了批次产品的一致性和合格率。
例如，在铷泡生产、电路板装配，以及环境试验与测试等过程中，作业文件规定了详细的参数记录，做到质量控制可量化、可追溯；同时，严控外协工序，对外协单位进行实地考察，对其工作环境、生产管理流程等各项内容进行评估，对关键部件的外协验收则进行现场抽样测试。
此外，为确保产品交付后能够可靠运行，每一台卡片铷钟在出厂前都要经过为期一个月的严格“考核”，通过一系列严格的质量把关，卡片铷钟练就了一身“强健的体魄”。
北京无线电计量测试研究所是目前国内唯一一所同时具备铷钟、铯钟、氢钟三种原子钟研制能力的单位，已为北斗全球导航系统提供了大量高性能星载铷原子钟和氢原子钟。
卡片钟将进一步拓展原子钟的产品线，以满足产品设计日趋标准化、通用化、模块化的市场需求。
▲机箱中的超薄铷原子钟48军民两用技术与产品Dual Use Technologies & Products2019年09月 总第431期。
铷钟
主要技术指标
频率稳定度 月频率漂移率
频率重现性 频率准确度
频率稳定度是频率偏差的起伏程度，实际上是一种可以用随机过程（平稳的或不平稳的）来研究和处理的问 题。频率稳定度在时域上的数学表征是阿伦标准偏差。
原子频标连续工作时，频率随时间单方向慢变化程度，用最小二乘法估计。通过GPS锁定，可改变铷原子钟 的漂移。铷原子钟的月漂移为：1×10-11～4×10-11。
铷频率标准不需要真空系统、致偏磁铁和原子束，因而体积小、质量小、预热时间短、价格便宜，但准确度 差、频率漂移比较大，仅能用作二级标准。铷频率标准可通过GPS进行快速驯服和外秒同步，克服铷振荡器本身 的漂移，可被看作是一个基本的同步时钟单元。通过设计和工艺的改进，产品的可靠性和批量生产也得到保证， 现已具备产业化的条件。可以预计，这种带外秒驯服的高性能小型化铷钟将应用于无人值守等苛刻环境，将大大 拓展铷钟的应用领域。
●漂移率
频率漂移率是铷原子频标的重要指标之一，通常认为光频移是导致整机频率漂移的主要因素，一般在零光强 频移泡温点，光强频移贡献约为1×10-12/1%，灯光强日漂移一般可达千分之一至万分之几，铷原子频率标准的 月漂移率应在4×10-11-5×10-12范围内。
●价格
选购铷原子钟需要考虑产品的价格范围，铷原子钟的价格取决于许多因素，包括稳定度、漂移率、准确度等。 一般情况下，相同指标的铷原子钟，国产比进口产品价格便宜。
特点
钟具有短期稳定性高，体积小巧，便于携带，价格合适的特点，非常适合于在各个领域使用，但由于铷原子 的原子特性的原因，铷钟并不具有铯钟和氢钟那样优秀的长期稳定度，因而需要校准。为了提高铷钟的长期稳定 度，可以通过使用GPS系统来对铷钟进行控制和校准。
GPS系统通过测量时间差来实现定位测量，为了达到较高的定位精度，GPS系统内部时间测量精度极高。通过 使用GPS系统来对铷钟进行校正，可以很好的提高铷钟的长期稳定度，降低铷钟输出信号的飘移。
铷原子钟
铷原子钟铷原子钟概述铷原子钟是中科院武汉物理与数学研究所研制的一款高精度、高可靠性同步时钟产品。
该时钟将高稳定性铷振荡器与GPS高精度授时、测频及时间同步技术有机的结合在一起，使铷振荡器输出频率驯服同步于GPS卫星铯原子钟信号上，提高了频率信号的长期稳定性和准确度，能够提供铯钟量级的高精度时间频率标准，是通信广电等部门替代铯钟的高性价比产品。
铷原子钟输出的1pps信号，是由铷振荡器频率信号分频得到的，并且同步于GPS输出的UTC时间，同时能够克服GPS接收机秒脉冲信号跳变带来的影响，是真正复现的“UTC时间基准”。
当GPS失锁或出现异常不可用时，系统能够智能判别，切换到铷钟进行守时，继续提供高可靠性的时间频率信号。
铷原子钟溯源同步到GPS卫星铯原子钟上，输出频率几乎没有漂移，所以不需送上级计量部门进行周期校准，性能接近铯钟，但却远远低于铯钟的价格，而且不存在铯钟那样铯束管寿命短需要高成本更换的问题。
铷原子钟非常适合应用于SDH数字同步网的1，2级节点时钟，为电力、电信、广电、时统、计量校准、雷达设备等提供高精度的时间和频率基准。
主要特点l 内置铷振荡器（由中科院武汉物理与数学研究所中科时润频标技术公司自主研发）l 日平均频率准确度<2×10P-12Pl 时间实时显示l 驯服、保持自动切换l GPS失锁后依靠铷钟高精度守时l 低相噪频率信号输出l 测频精度<2×10P-12P/天l 具备TRAIM算法的GPS接收机输出信息l 10MHz1路，BNC接口，50Ω正弦波，输出幅度：12dBm±1dB准确度：≤2E-12（开机48小时以后，GPS锁定状态，24小时平均准确度）开机特性：加电5分钟：≤5E-10加电4小时：≤1E-11加电12小时后：≤5E-12稳定度：＜6 E -10/1ms＜1 E -10/10ms＜6 E -11/100ms＜1 E-11/1s＜5 E-12/10s＜3 E-12/100s＜1 E-12/日（GPS锁定）相位噪声：≤ -90dBc/Hz @10Hz≤-130dBc/Hz @100Hz≤-140dBc/Hz @1kHz≤-160dBc/Hz ≥10kHz失真：谐波：≤-50dBc非谐波：≤-100dBcl 5MHz、1MHz各1路，指标同10MHzl GPS秒脉冲1路，BNC，TTL电平，输出阻抗50Ω授时精度：<50ns脉冲宽度：20ms上升沿： <10nsl 分频秒脉冲1路，BNC，TTL电平，输出阻抗50Ω同步精度：<100ns脉冲宽度：500ms上升沿： <10ns抖动： <1ns当GPS锁定时，秒脉冲与GPS同步当GPS失锁时，由内置铷原子频标保持l RS232接口MOTOROLA二进制GPS信息 @@Ha波特率：9600，数据位：8，奇偶校验：NULL，停止位：1。
一种气泡型热铷原子钟光钟的制作方法
一种气泡型热铷原子钟光钟的制作方法随着科技的不断发展，精密测量技术的需求不断增加，原子钟的研究也得到了广泛的应用。
然而，传统的原子钟在体积、功耗等方面存在着一定的缺陷，研制一种高性能、轻量化的原子钟成为了科研工作者的目标之一。
本文将介绍一种气泡型热铷原子钟光钟的制作方法。
一、研究背景当前，气泡型热铷原子钟光钟以其高灵敏度、低功耗、小体积等优势在物理学、地球物理学、航空航天等领域表现出了广阔的应用前景。
由于气泡型热铷原子钟光钟具有高分辨率、高灵敏度、快速响应和较稳定的性能，不仅在科学研究中具有良好的应用前景，对于高精度测量也将会有重大的影响。
因此，对于这种新型原子钟的研究具有非常重要的意义。
二、气泡型热铷原子钟光钟的原理气泡型热铷原子钟光钟主要利用一个气泡中的铷原子状态来测量时间。
具体来说，该钟利用铷原子中两个能级之间的跃迁在一个微小的气泡中进行精密测量。
气泡型热铷原子钟光钟的结构由两部分组成：粒子器和时钟。
其中，粒子器中包含气泡样品室，排气模组和粘度传感器，时钟部分则包括激光器、热控制模块和漂移传感器。
两部分之间通过磁感线连接，组成了一个闭合系统。
在气泡样品室中，通过引入高压氚，使铷原子和氚分子在光束的作用下形成一个气泡，随着时间的推移，铷原子的激发状态会发生改变，这种改变将会被粘度传感器检测到并反馈到漂移传感器中，最终实现了时钟的精准测量。
三、气泡型热铷原子钟光钟的制作方法1. 粒子器制作(1)气泡样品室的制作气泡样品室的制作需要采用微机电系统（MEMS）工艺。
首先，在硅膜上进行光刻，并在硅膜上高温扩散出铁、银片，形成夹杂夹在硅膜上的Mn合金膜。
随后，在Mn膜和银片之间利用再生熟铚(Er-Tm)进行高温扩散，形成含铷银合金膜，从而实现气泡样品室制作。
(2)粘度传感器的制作粘度传感器的制作需要采用薄膜转移技术，首先将铁磁薄膜在高温下生长在硅衬底上，然后在其表面掺杂原子，使其成为非铁磁薄膜。
之后，在非铁磁薄膜上生长两层铁磁薄膜，并在两层铁磁薄膜之间的非铁磁薄膜上形成铷原子膜，最终形成粘度传感器。
原子钟的精确值
原子钟的精确值
一、引言
原子钟是目前最精确的时间测量工具，其精确度高达每秒钟误差不到一秒。
本文将深入探讨原子钟的精确值。
二、什么是原子钟？
1. 原理：利用原子的振荡频率作为时间标准。
2. 原子钟分类：
（1）氢原子钟：利用氢原子的超精细结构线作为频率标准。
（2）铷原子钟：利用铷原子的基态与第二激发态之间跃迁所产生的微波辐射作为频率标准。
（3）铯原子钟：利用铯133同位素基态与第一激发态之间跃迁所产生的微波辐射作为频率标准。
三、如何保证原子钟的精确度？
1. 稳定性：保持温度稳定，避免外界干扰。
2. 精度：使用高质量的晶体管、电容器等元器件，以及高品质的电源和时钟信号。
3. 参考信号源：使用GPS等全球卫星导航系统提供参考信号源，以保证时间同步。
四、与其他时间测量工具相比，原子钟有何优势？
1. 精确度高：误差不到一秒。
2. 稳定性好：不受温度、压力等外界因素的影响。
3. 可追溯性强：时间标准由国家授权机构统一制定，可追溯到国际原子时。
五、原子钟在哪些领域应用广泛？
1. 通信领域：保证通信设备之间的时间同步。
2. 导航领域：提供精确的时间参考，以确定位置和速度。
3. 科学研究领域：提供高精度的时间标准，以研究宇宙演化、地球物理学等领域。
六、结论
原子钟是目前最精确的时间测量工具，其精确度高达每秒钟误差不到一秒。
为保证其精确度，需要保持稳定性、使用高品质元器件和参考信号源。
原子钟在通信、导航和科学研究等领域应用广泛。