原子钟频率标准

行滤除后照射进入谐振泡。
利用光抽运技术使得谐振泡
中的铷87发生能级跃迁。调
整微波腔的频率，当光电转 换电路的输出电流达到最大
超精细滤光 谐振泡 灯泡
的时候可得到铷的共振频率。
信号 光电检测
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。
6688和6689的主要特点
以铷钟和高稳晶振作为参考标准 具有良好的性能与价格比，经济实惠 标准配置为5×10MHz和1×5MHz的频率标准输出 可选择的10×10MHz的频率输出 在十年之内的老化率为0.001ppm（铷时基频率标准） 便于携带，适用于通信测试和校准实验室
Cavity frequency switching
1.090.460.76
Ion pump
200
瑞士 T4science
1.5×10-13 2×10-14 5×10-15 2×10-15 2×10-15 2×10-15
5×10-15 1×10-14/高斯
？
0.950.60.8
？
100
中国 上海天文台
客户端
节点时间同步链路 客户端时间同步链路
中国移动时钟网
• 北京，武汉，广州和沈阳4地各建一套以铯钟为基础的 基准钟PRC；
• 在其余的12个城市及北京皂君庙各建一套以卫星接收 机（GPS和GLONASS）为基础的区域性基准钟LPR； 带GPS的铷钟
• 在这16个城市建多个二级节点时钟BITS，BITS跟踪于 同城的PRC/LPR。 晶体振荡器
1×10-15 1×10-14/高斯
Cavity frequency switching
0.70.480.6
Getter pump
95
美国Symmetricom MHM- 2010
1.5×10-13 5×10-14 1.3×10-14 3.2×10-15 3×10-15 3×10-15
1×10-14 3×10-14/高斯
带铷钟的6689 高稳恒温晶振的6688
高稳定度频率标准6688和6689
特点 振荡器类型
标准的频率输出
6688 高稳恒温晶振 OCXO
5x 10 MHz 1x 5MHz
6689 铷钟
5x 10 MHz 1x 5MHz
可选择的频率输 10x 10 MHz
出
1x 5MHz
10x 10 MHz 1x 5MHz
氢钟指标对比表
性能
Allan 偏差 1s 10 s 102 s 103 s 104 s
1 day
温度灵敏度 1/°С 磁灵敏度
谐振腔技术
尺寸 米 (H x W x D) 原子泵技术
质量 千克
俄罗斯KVARZ CH1-75A
1.5×10-13 2.5×10-14 7×10-15 2×10-15 1×10-15 7×10-16
3. 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。
4. 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
铷钟的工作原理：
光源灯泡中的铷87在无 光源灯泡
微波腔
极放电的工作状态下产生特
定波长的电磁波，通过超精
细滤光泡对某些波长的光进
i 1
2m
频率标准的准确度
频率标准的选择
Frequency Stability
(number of digits)Cesium Oscillator
13
12
GPS-controlled Rubidium Oscillator
11 10
Rubidium Oscillator
9
GPS-controlled Oven Oscillator
• 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
1. 钟的工作原理
2. 仪器常用指标及实现
3. 公司相关产品介绍 4. 其它竞争产品比较 5. 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。
波尔能量关系公式: E2 E1 h 0
铯钟的工作原理（铯束管）
1. 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），
铯炉
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பைடு நூலகம்。输出的铯束与高温金
属丝相作用形成铯离子电流，
yes yes/no yes
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
– 电信部门 – 航空电子设备，导航设备制造企业 – 其他电子生产企业
• 服务行业
– 广播与电信网络运营商/安装商 – 军方 – 独立的校准/维护承包商
移动时钟网结构图
移动时间 同步网分
级
一级节点 二级节点
• 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。
GPS控制的频率标准GPS-12R
Pendulum公司生产 的GPS-12R是一款便携 式、受GPS控制的超高 稳定度的铷钟基准源；
其高稳定度和低噪声输
出使之成为通信和测试
设备的理想基准源。当 GPS-12R锁定到GPS时， 更是具有接近铯钟的稳 定度。
GPS-12R
GPS-12R的主要特点
• GPS控制的铷钟，接近铯钟稳定性的。 • 适用于通信行业的2.048 (or 1.544 MHz) & 1-pps 标准输出。 • 适用于普通实验室的1, 5 & 10 MHz可选择低噪声输出。 • 高稳定性1-pps 输出（ 24小时后的飘移量<1us）。 • 适用于运输和本地频率标准的内置式电池 和 +12V 直流选件。 • 适用于电信交换机房固定测量的-48 VDC 选件。 • 适用于紧急或者非紧急警报状况的可配置的警报输出。 • 易使用性(UI图, 面向菜单的设置) 。 • 作为GPS控制的铷钟具有极高的性价比。
4×10-13 5×10-14 8×10-15 6×10-15 5×10-15
3×10-14 1.4×10-14/高斯
External signal
1.08×0.52×0.68
Ion pump
150
主要时间频率标准产品
• 铯钟： – Symmetricom
• 5071A • Cs4000 • CsIII • 4400 • 4500
– OSA
• 5585B PRS • 3230 Cesium Clock
主要时间频率标准产品
• 铷钟： – Pendulum 6689 GPS-12R – SRS FS725 – OSA 5581C – Symmetricom 8040C，TSC4400
Pendulum主要时间频率标准产品
GPS控制的铷钟 GPS-12R
原子束
光束
铯束管
激光器
第二光学作 用区
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）
1. 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。
2. 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。
0 0
-1E-11 -2E-11 -3E-11 -4E-11 -5E-11 -6E-11 -7E-11 -8E-11 -9E-11 -1E-10
当铯离子电流输出达到最大 选态磁铁
的时候，谐振腔的可控震荡 器频率与铯的共振频率相同。
外部受控振 荡器
原子束 铯束管
铯钟的工作原理（铯束管）
2. 光抽运铯钟(法国
LPTF）：
第一光学
在光抽运铯束频标中，
作用区
利用激光（第一光学区）对 铯炉
外部受控振 荡器
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
高性能的时间频率标准
Ideal for telecommunications, metrology and electronics industry.
安
排
1.钟的工作原理
2. 仪器常用指标及实现 3. 相关产品介绍 4. 其它竞争产品比较 5. 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。
N
ti
i 1
为N次测量的测量时序平均值
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：
y ( )
1 f0
m ( fi1 fi )2
• 氢原子钟 – 短期稳定度高：1E-14~1E-15，但准确度较低（1E12）。
对于不同频率标准的一般性比较
铯
长期稳定性 ***
短期稳定性 ***
便携性
*
价格
*
是否需要校 no 准
铷
** *** *** ** yes
晶振 *
GPS ***
其它 Off-air
***
***
**
*
**
*
*
***
**
***
GPS-12R的便携特点
可用于汽车运输的 12V DC 电源
可随处使用的电池 电源
频率稳定性和预热时间
高稳晶振 （OCXO）的环境稳定性
Well-known GPS-receiver vs house reference
rel freq offset
6E-11 5E-11 4E-11 3E-11 2E-11 1E-11
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）
8
7
Oven Oscillator
6
5
TCXO
4
Standard Crystal
3
Meas uring tim e = 10 s , 1-year calibration interval
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。
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：
N
( fi f )(ti t )
k i1 N
f0 (ti t )2
i 1
f

1 N
N i 1
fi 为N次测量的平均频率
t
1 N
安
排
1. 钟的工作原理 2. 仪器常用指标及实现
3. 相关产品介绍
4. 其它竞争产品比较 5. 总结
主要时间频率标准产品
• 氢钟： – Kvarz CH1-90A CH1-75A Ch1-76A – VCH 1003M 1006 – Symmetricom MHM 2010 – T4 Science iMaser 3000 – OSA 3700 PHM – 上海天文台 SOHM-4