王文明

(北京無線電計量測試研究所，北京100854)

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國內(nèi)外氫鐘最新發(fā)展及我國氫鐘未來發(fā)展趨勢

王文明

(北京無線電計量測試研究所，北京100854)

首先介紹了當(dāng)前氫鐘領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀，給出了各種工程化實用型氫鐘最新主要性能指標(biāo)。之后對當(dāng)前的研究熱門空間用氫鐘的發(fā)展水平及應(yīng)用方向也做出簡要介紹。最后，著重對氫鐘的未來技術(shù)發(fā)展方向進行分析與展望。

氫原子鐘；空間氫鐘；最新發(fā)展

0 引言

作為實用型原子鐘之一的氫頻標(biāo)以其優(yōu)異的中短期穩(wěn)定度成為目前世界上應(yīng)用最廣的地面原子頻標(biāo)之一。在氫頻標(biāo)家族中的主動型氫原子鐘迄今為止仍然保持著穩(wěn)定度的最高記錄。伴隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，某些測量所要求的時頻穩(wěn)定性只有氫原子鐘才能滿足。氫原子鐘的應(yīng)用已經(jīng)深入到社會的許多領(lǐng)域，例如守時授時、導(dǎo)航定位、深空探測、時間同步、時頻計量、基礎(chǔ)科學(xué)研究、作戰(zhàn)平臺應(yīng)用等。其發(fā)展和應(yīng)用涉及科技、經(jīng)濟、軍事等諸多方面?；跉湓隅姷木_計時是現(xiàn)代社會正常運轉(zhuǎn)和發(fā)展的基礎(chǔ)。在這種大背景下，各相關(guān)研制單位紛紛抓住機遇，不斷推陳出新以占領(lǐng)更大的市場。

1 地面工程化實用型氫原子鐘發(fā)展現(xiàn)狀

當(dāng)前，國內(nèi)外致力于發(fā)展氫原子鐘技術(shù)并實現(xiàn)商品化生產(chǎn)的研究所和公司主要有：美國的Symmetricom公司、俄羅斯的Vremya-CH公司、瑞士的Spectratime公司和T4Science公司、中國的航天科工集團二○三所及中科院上海天文臺。

美國的Symmetricom公司主要生產(chǎn)主動型氫原子鐘(MHM-2010)，產(chǎn)品主要用于參與國際連測的各VLBI站點和其國內(nèi)各大天文臺、守時中心、美國國家標(biāo)準(zhǔn)局及國家物理實驗室等。產(chǎn)品在國際上同類產(chǎn)品中性能水平較高，技術(shù)相對成熟，可靠性高，但體積大、笨重，不宜搬運。

俄羅斯原有兩家長期從事各類氫鐘研制和生產(chǎn)的公司，分別是Kvarz公司和Vremya-CH公司。Kvarz公司生產(chǎn)的CH1-75型主動型氫鐘和CH1-76A型被動型氫鐘曾在同類產(chǎn)品中性能最優(yōu)，產(chǎn)品遍布世界多個國家。

俄羅斯的Vremya-CH公司也是一家長期從事各類氫原子鐘研制和生產(chǎn)的單位，公司此前在售的VCH1003A型主動型氫鐘和VCH1006型被動型氫鐘占據(jù)了很大的市場比例。該公司新近推出的VCH1003M主動型氫原子鐘和VCH1008被動型氫原子鐘引領(lǐng)國際氫鐘最高發(fā)展水平。

研發(fā)中心設(shè)在瑞士的T4Science公司，主要從事主動型氫原子鐘的研制、生產(chǎn)和銷售。它的發(fā)展過程是：從跟俄羅斯人合作使用其物理部分配合瑞士人自己研制的電器部分到后來將俄羅斯人的物理部分技術(shù)引進實現(xiàn)整鐘研制。因此它的產(chǎn)品(iMaser3000)與Vremya-CH公司的氫原子鐘頗為相似，性能指標(biāo)也跟VCH1003M相當(dāng)，但體積稍顯龐大。

國內(nèi)從事氫原子鐘研制的單位有兩家，分別是中國航天科工集團二○三所和中國上海天文臺。兩家單位均涵蓋了主動型和被動型氫原子鐘的研制，且都在售工程化主動型氫原子鐘。所不同的是，二○三所主動氫鐘采用一種高Q值的藍(lán)寶石介質(zhì)填充腔，產(chǎn)品體積較小，重量相對最輕。產(chǎn)品基本滿足國內(nèi)用戶需求，目前為止已有十余臺分別在長河導(dǎo)航臺、航空計量所、陸態(tài)網(wǎng)、五院總體部、國家授時中心及定位總站等地服役，運行狀態(tài)良好。日前正在開展高精度氫原子鐘的研究工作并于2014年底完成項目驗收，測試指標(biāo)不遜于國內(nèi)傳統(tǒng)大氫鐘水平，滿足國家導(dǎo)航二代地面守時鐘指標(biāo)要求。上海天文臺于20世紀(jì)70年代后期開始?xì)溏姷难兄?，在國?nèi)率先研制成功三代氫原子鐘：實驗室型、實用工程型和小型氫原子鐘。迄今為止，實用工程型氫原子鐘已批量生產(chǎn)近百臺，廣泛用于國內(nèi)“VLBI網(wǎng)”、衛(wèi)星定位系統(tǒng)地面站和長波導(dǎo)航等國家重要科學(xué)工程項目。其指標(biāo)在國內(nèi)領(lǐng)先，但體積、質(zhì)量及可靠性仍需改進。目前，正在開展氫鐘小型化、輕量化研究。此外，上海天文臺也于同期完成高可靠性氫原子鐘驗收，指標(biāo)達到二代導(dǎo)航所需指標(biāo)要求。

表1和表2列出了各國地面用主動型和被動型氫原子鐘的主要技術(shù)指標(biāo)。

表2 各國被動氫鐘的主要性能指標(biāo)Tab.2 The main indexes of positive hydrogen maser

2 空間氫鐘最新研制進展

對導(dǎo)航定位精度要求的不斷提高及各種現(xiàn)代空間科學(xué)實驗計劃的不斷出臺推動了空間氫鐘的發(fā)展?？臻g氫鐘主要是指應(yīng)用于導(dǎo)航衛(wèi)星的星載被動氫鐘和應(yīng)用于空間站或空間基礎(chǔ)測試系統(tǒng)的高精度主動氫鐘。氫原子鐘雖然相比較其他實用型原子鐘指標(biāo)最優(yōu)，但由于商品化研究起步較晚，且實現(xiàn)空間應(yīng)用的技術(shù)相對復(fù)雜，即便20世紀(jì)七八十年代在美國和蘇聯(lián)曾掀起過空間氫鐘的研究熱潮，如表3[1]，可遺憾的是這些氫鐘也都未曾在軌運行。直到進入21世紀(jì)，才由歐洲伽利略導(dǎo)航衛(wèi)星和俄羅斯射電天文望遠(yuǎn)鏡分別攜帶星載被動氫鐘和高精度主動氫鐘，首次實現(xiàn)了主動和被動氫鐘的空間在軌應(yīng)用。可令人驚奇的是，人類歷史上最早上天并且一次就發(fā)射成功的原子鐘竟然是氫原子鐘，它是1976年為驗證愛因斯坦相對論紅移效應(yīng)而作為有效載荷被發(fā)射升空的。

表3 國外研制的用于飛天計劃的氫原子鐘Tab.3 Foreign hydrogen maser designed for space program

* 僅物理部分

最近幾年，國際上氫原子鐘的研究熱潮已轉(zhuǎn)向空間鐘的研制并已實現(xiàn)空間應(yīng)用。Vremya-CH公司為其國家大科學(xué)工程空間射電天文望遠(yuǎn)鏡和GLONASS導(dǎo)航系統(tǒng)分別研制了空間主動型氫原子鐘(圖1左)和星載被動型氫原子鐘(圖1右)[2]。前者創(chuàng)造了主動氫鐘首次實現(xiàn)在軌空間應(yīng)用的歷史，目前已在軌運行三年多，后者即將服役于GLONASS三代導(dǎo)航衛(wèi)星。

圖1 Vremya-CH公司研制的空間用氫原子鐘Fig.1 Space hydrogen maser designed by Vremya-CH

瑞士Spectratime公司不僅成功研制地面移動被動型氫鐘，而且為滿足歐空局Galileo衛(wèi)星定位系統(tǒng)的需要，又成功研制小型化星載被動型氫鐘，并于2008年隨Galileo第二顆試驗衛(wèi)星上天，圖2為它的實物照片。

圖2 Galileo星載被動型氫鐘Fig.2 Space passive hydrogen maser in Galileo

歐空局的空間站原子鐘計劃(ACES)[3-4]由兩臺原子鐘互鎖在一起形成一個原子鐘系統(tǒng)，其中一臺為激光冷卻銫頻標(biāo)，另外一臺是標(biāo)準(zhǔn)主動型氫鐘，整個鐘體預(yù)計在2016年由無人飛船送入空間站歐洲“哥倫布”實驗室的外部載荷平臺上，在國際空間站建立當(dāng)今最高精度的軌道時頻基準(zhǔn)，并進行基礎(chǔ)物理測試。

該主動氫鐘由瑞士Spectratime公司負(fù)責(zé)研制，項目最開始采用藍(lán)寶石介質(zhì)填充腔方案，后來由于其腔泡結(jié)構(gòu)溫度系數(shù)過高且工藝實現(xiàn)難度大便放棄，轉(zhuǎn)而采用傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)腔泡，日前已完成地面工程樣機研制(圖3)，目前正處于飛行正樣研制測試階段。

圖3 ACES中氫原子鐘工程樣機結(jié)構(gòu)圖Fig.3 The space active hydrogenmaser design overview for ACES

為滿足國家導(dǎo)航系統(tǒng)對星載氫鐘的需求，中國航天科工集團二○三所和中科院上海天文臺兩家單位均開展星載被動小型氫鐘的研制工作，并于2015年5月交付導(dǎo)航總體部參與系統(tǒng)環(huán)試。表4給出國外空間氫鐘的最新研制水平。

表4 國外空間氫鐘的主要性能指標(biāo)Tab.4 The main indexes of foreign space hydrogen maser

3 氫鐘未來技術(shù)開發(fā)

回顧氫鐘發(fā)展歷程，分析其當(dāng)前技術(shù)發(fā)展水平及未來應(yīng)用需求，氫鐘技術(shù)開發(fā)預(yù)期仍有進步空間，作為時間頻率標(biāo)準(zhǔn)依然起到并將繼續(xù)發(fā)揮著主力軍作用，短期內(nèi)不可能被取代。分析總結(jié)后可以明確未來氫鐘的主要技術(shù)開發(fā)方向為：空間應(yīng)用所需的小型化、輕量化設(shè)計和技術(shù)不斷創(chuàng)新發(fā)展驅(qū)動下的高性能指標(biāo)研究。

3.1 氫鐘小型化、輕量化設(shè)計

傳統(tǒng)氫鐘整體較為龐大、笨重，一定程度上限制了它的應(yīng)用領(lǐng)域。尤其近幾年掀起的空間探索與應(yīng)用熱潮，推動了氫鐘小型化、輕量化設(shè)計發(fā)展。

腔泡組件尺寸、磁屏蔽組件、束光學(xué)組件、真空及溫控結(jié)構(gòu)組件等都是決定氫鐘小型化、輕量化的關(guān)鍵因素。腔泡作為氫鐘的核心量子組件，其小型化設(shè)計決定著整鐘的大小和重量，腔泡組件的減小使氫鐘磁屏蔽、真空結(jié)構(gòu)件等大質(zhì)量組件的小型化、輕量化設(shè)計成為可能。

歐空局組織研制的質(zhì)量僅為12kg的mini被動氫鐘[5]就得益于其磁控管微波腔設(shè)計尺寸較之前的18kg減少30%，在各組件優(yōu)化設(shè)計后，整機質(zhì)量減少30%以上(圖4)。

圖4 瑞士星載氫鐘12kg與18kg對比Fig.4 Space passive hydrogen maser of 12kg vs 18kg

瑞士研制的空間主動氫鐘是目前世界上體積和質(zhì)量(35kg)[6]均最小的氫鐘，同時其測試指標(biāo)不遜于國內(nèi)傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)腔主動氫鐘。其輕便的小型化設(shè)計采用一種高Q的藍(lán)寶石介質(zhì)腔填充，體積僅為傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)腔的1/3。中國航天科工集團二○三所地面藍(lán)寶石主動氫鐘質(zhì)量僅為60kg，性能指標(biāo)與國內(nèi)傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)腔主動氫鐘指標(biāo)相當(dāng)。

3.2 氫鐘高性能關(guān)鍵技術(shù)

高頻率穩(wěn)定度、低漂移率及良好的相位噪聲是氫鐘的優(yōu)質(zhì)特性。諸如國家守時系統(tǒng)、基礎(chǔ)科學(xué)研究等領(lǐng)域，對高性能氫鐘需求迫切。

俄羅斯Vremya-CH公司為該國太空觀測臺“Millimetron”(項目“Spectrum-M”)研制的新一代高穩(wěn)定度主動氫鐘設(shè)計指標(biāo)分別為：7×10-13/1s；2×10-15/102s；8×10-16/103s[7]。這一極具挑戰(zhàn)性的中短期穩(wěn)定度指標(biāo)已打破傳統(tǒng)氫鐘的理論極限，是基于新理論下通過開展有效限制氫原子鐘自旋交換對原子輻射功率及線Q的影響來實現(xiàn)這一目標(biāo)。工程上采用的方案是研制一種雙選態(tài)量子組件取代傳統(tǒng)氫鐘單選態(tài)器，以有效提高氫原子輻射功率及線Q，實現(xiàn)氫鐘頻率穩(wěn)定度的再提高。另據(jù)文獻[11]介紹，歐空局屬下研究機構(gòu)也在開展上述關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。

氫鐘長期穩(wěn)定度與漂移率是密切相關(guān)的兩個指標(biāo)。氫穩(wěn)流技術(shù)、儲存泡膜老化特性、溫度敏感度、磁敏感度及量子組件老化機制等是限制氫鐘上述指標(biāo)的關(guān)鍵因素。

為了削弱氫流量波動對氫鐘長期穩(wěn)定度及漂移率帶來的影響，瑞士氫鐘設(shè)計了如圖5所示的氫流量控制組件。經(jīng)鎳管提純后的氫氣壓力數(shù)值可以通過熱真空計測得，該數(shù)值轉(zhuǎn)化成電學(xué)信號反饋到氫瓶溫控電路中，當(dāng)鎳管輸出氫氣壓力偏離設(shè)定值時，控制系統(tǒng)就會通過改變氫瓶加熱功率來彌補壓力變化，從而實現(xiàn)對氫氣流量的平穩(wěn)控制。

圖5 瑞士空間主動氫鐘的氫穩(wěn)流設(shè)計Fig.5 Hydrogen flux system for space hydrogen maser

俄羅斯氫鐘儲存泡采用一種“F10”的涂覆液[8]有效降低氫鐘壁移效應(yīng),且具有良好的老化特性，這對氫鐘準(zhǔn)確度評估、長期穩(wěn)定度的改善及低漂移率有顯著貢獻。

俄羅斯采用新型低膨脹系數(shù)復(fù)合材料研制的微波腔溫度系數(shù)小于100Hz/℃，配合低噪聲、高對稱性數(shù)字伺服環(huán)路實現(xiàn)優(yōu)于國內(nèi)一個數(shù)量級的溫度敏感度。采用特殊熱處理工藝制備的磁屏蔽組件所能達到的磁屏蔽效能(3層10萬)超出國內(nèi)2倍之多。這都是關(guān)系氫鐘中長期穩(wěn)定度及漂移率的關(guān)鍵性能指標(biāo)。

氫鐘的低相位噪聲在VLBI系統(tǒng)應(yīng)用中尤為重要，采用性能優(yōu)異的本振可有效改善氫鐘相位噪聲水平。如俄羅斯及瑞士氫鐘采用BVA8607本振獲得良好的低相位噪聲，國內(nèi)氫鐘采用BVA8607本振配合二次鎖相技術(shù)也有效降低了相位噪聲，同時短期穩(wěn)定度也有顯著改善。

國外有的實驗室為打破傳統(tǒng)氫鐘指標(biāo)的理論極限，曾開展過冷凍氫鐘的實驗，即讓脈澤工作在冷凍條件下(認(rèn)為工作溫度10K最佳)?！暗蜏亍睘楦哳l譜純度和高穩(wěn)定度的新型頻率標(biāo)準(zhǔn)提供了光明的前景。工作于溫度低于幾K的冷凍氫脈澤與室溫下的氫脈澤相比，由于熱噪聲低，氫原子自旋交換弛豫率降低，以及工作信號功率增高，其頻率穩(wěn)定度可提高2～3個數(shù)量級。

4 結(jié)論

當(dāng)前，俄羅斯氫鐘技術(shù)發(fā)展水平引領(lǐng)國際潮流，歐美氫鐘發(fā)展戰(zhàn)略各有側(cè)重。同國外氫鐘發(fā)展水平相比，我國氫鐘技術(shù)總體落后，需要追趕。國內(nèi)氫鐘頻率穩(wěn)定度及漂移率較國外有近一個量級的差距，雖然能滿足部分領(lǐng)域的需求，但對于諸如國家二代導(dǎo)航系統(tǒng)地面站、國家守時中心和基礎(chǔ)科學(xué)研究等領(lǐng)域，更高精度的國產(chǎn)氫鐘仍有不足。此外，長期可靠性也與國外水平存在差距。從當(dāng)前國情及國際形勢來看，氫鐘在我國未來的發(fā)展定位應(yīng)著眼于滿足國家戰(zhàn)略需求、著眼于服務(wù)國內(nèi)甚至國外市場需求、著眼于追趕國外氫鐘最高發(fā)展水平。

[1] 劉鐵新，翟造成.空間導(dǎo)航定位與空間原子鐘[J].全球定位系統(tǒng)，2002，2：7-17.

[2] A Utkin，A Belyaev，Y Pavlenko.On-board active hydrogen maser for Radioastron mission[C].6th International Symposium“Metrology of Time and Space"，Russia，Aug 21-23，2012.

[3] S Felthaml，G Gianfigliol，F(xiàn) Reinal.ACES：A time and frequency mission for the international space station[C].18th European Frequency and Time Forum，Guildford，England，April 5-7，2004.

[4] D Goujon，P Rochat，P Mosset，et al.Development of the sp-ace active hydrogen maser for the ACES misson[C].IEEE Europe Frequency Control Symposium，America，April 13-16，2010.

[5] Pascal Rochat，Qinghua Wang，F(xiàn)abien Droz.GNSS on-board atomic clocks ensemble & space active maser[C].4th China Satellite Navigation Conference，Wuhan，May 15-17，2013.

[6] Zivanov S，Schweda H，GoujonD，et al.Physics package of the 35kg space active hydrogenmaser for the ACES space mission of ESA[C].IEEE International Frequency Control Symposium，Joint with the 21st European Frequency and Time Forum，Geneva，June 4-7，2007.

[7] A Belyaev，N Demidov，S Medvedev，et al.The activities of “Vremya-CH” JS company(Russia)in developing of active and passive hydrogen masers for ground and space applications[C].4th China Satellite Navigation Conference，Wuhan，May 15-17，2013.

[8] A Belyaev，N Demidov，S Medvedev，et al.Russia hydrog-en masers for ground and space applications[C].6th China Satellite Navigation Conference，Xi’an，May 13-15，2015.

The Current Development of Atomic Hydrogen Clockand the Future Technology Development Trends in China

WANG Wen-ming

(Beijing Institute of Radio Metrology and Measurement，Beijing 100854，China)

The present status of hydrogen maser in the world was described，including the latest performance of commercial hydrogen maser.The Latest research level and development of space hydrogen maser was also introduced，which is being studied extensively by researchers.Finally，the future technology developments of hydrogen maser have been reviewed in this paper.

Hydrogen maser；Space hydrogen maser；Current development

2015 - 04 - 12；

2015 - 06 - 12。

王文明(1985 - )，男，博士，高工，主要從事地面守時主動氫鐘、空間主動氫鐘及星載被動氫鐘方面的研究。

E-mail：wwm_kingdom@163.com

TB939

A

2095-8110(2015)06-0048-07