[科普中国]-铷钟

简介

铷钟又被称为铷原子钟， 铷原子钟由铷量子部分和压控晶体振荡器组成。压控晶体振荡器的频率经过倍频和频率合成，送到量子系统与铷原子跃迁频率进行比较。误差信号送回到压控晶体振荡器，对其频率进行调节使其锁定在铷原子特有的能级跃迁所对应的频率上。铷原子频标短期稳定度最高可达10-12量级，准确度为±5×10-11。

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。

基本原理铷原子钟主要由单片机电路、伺服电路、微波倍频电路、频率调制、倍频综合电路几个模块组成。铷频标是一种被动型原子频率，利用的是基态超精细能级之间的跃迁，相应的跃迁频率为6834.682614MHz。原子迁跃对微波信号起鉴频作用而产生误差信号，通过锁相环路伺服晶振的频率，使激励信号频率锁定到原子跃迁频率，实现晶振输出频率的高度稳定和准确。1

铷钟的基本工作原理与铯钟相似，均利用能级跃迁的谐振频率作为基准。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。通过以这种共振频率为节拍器，原子钟可以来测定时间。铷钟利用光抽运的办法进行原子选态，谐振的检测则是利用光检测器（光电池）去测量经谐振腔的抽运光（激励原子跃迁）的传递衰减来完成。当微波频率在跃迁概率的峰值时，传递的光波大概降低1%～10%。铷钟的体积小，预热时间短，长期的老化率为2×10-10/年，如果为改进性能参数而加大体积，则与铯钟同样大小的铷钟也会具有几乎与铯钟一样的性能。23

主要技术指标高性能铷钟主要用于国防军工产业，主要突出性能指标及产品可靠性方面的要求，同时还应具备易于操作、功能完善、通用性强等特点。其主要功能与性能的参数1如下：

频率稳定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。

月频率漂移率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 。

频率重现性频率重现性指铷频标开机一段时间后关机，关机一段时间后，再开机一段时间后的相对平均频率偏差和关机时的相对平均频率偏差的一致程度。一般为：1×10-11～5×10-11 。

频率准确度频率准确度指频率偏差的最大范围，表明频率实际值靠近标称值的程度。用数值定量表示，不带正负号，一般为：5×10-11～5×10-12 。

选购注意事项铷原子频率标准的选择要求权衡不同需要折中考虑。首先确定的是稳定度、准确度、漂移率等主要性能指标，其次需要考虑铷钟的应用环境，最后考虑可靠性、体积、质量、价格以及功耗等因素。

●稳定度

稳定度包括短期稳定度和长期稳定度，指标一般为5×10-11~1×10-12（取样时间为1s）、1×10-11~1×10-12 （取样时间为1d）。根据对稳定度的要求选择长稳好还是短稳好的铷原子频率标准。

● 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。1

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。

应用领域铷钟的应用领域主要有三个方面：科研测量，生产制造，广电电力。

在科研测量研究单位，铷钟既可以为测量提供高精度的基准源，也可以作为测量校准仪器的高精度外部时基。

在生产制造领域，铷钟可为需要高精度频率基准输出的生产线提供频率基准输出，这些基准信号被用来对电子产品进行校准。铷钟还可以作为产线测量仪器的外部高精度时基，大大提高产线测试的精度，确保产品质量。

在广电电力系统中，铷钟可以被作为系统的主钟来使用，从而有效地实现系统内部各个部分的同步