張海濤 李銘

基于原子鐘的工作原理，原子鐘對環(huán)境條件的變化是非常敏感的，振動、溫濕度和磁場的任何變化都會影響原子鐘輸出頻率的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度，原子鐘能夠達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)，不僅與其設(shè)計制造指標(biāo)有關(guān)，還與其工作的環(huán)境條件密切相關(guān)，如果環(huán)境條件達(dá)不到要求，原子鐘的性能實際上也很難達(dá)標(biāo)。因此原子鐘對振動干擾、環(huán)境溫濕度、電磁特性的敏感性，要求其應(yīng)該在穩(wěn)定性非常高的環(huán)境條件下運行，原子鐘房就是為了滿足這一需求而設(shè)計的。由于需要實現(xiàn)對環(huán)境指標(biāo)的高精度控制，原子鐘房建設(shè)是一個技術(shù)要求高、實現(xiàn)難度大、技術(shù)綜合型強、成熟可借鑒案例少的特種精密設(shè)備機房項目，因目前為止我國還未見有關(guān)原子鐘房建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計規(guī)范，故根據(jù)原子鐘對環(huán)境條件的要求，對原子鐘房建設(shè)設(shè)計要點進(jìn)行分析和探討，是非常有必要和有意義的。

為了保證原子鐘能在安全、穩(wěn)定、精確、可靠的環(huán)境下維持最佳性能運行，原子鐘房建設(shè)須進(jìn)行抗震減振、溫濕度控制、電磁屏蔽等設(shè)計，并綜合考慮供電、接地、消防等系統(tǒng)的設(shè)計部署，下面就各設(shè)計要點進(jìn)行詳細(xì)分析和探討。

一、抗震減振設(shè)計

原子鐘對振動較為敏感，一般要求其運行環(huán)境的振動波動控制在0.001g以內(nèi)，為了隔離各種來自于周邊環(huán)境的振動干擾和抗地區(qū)地震沖擊的破壞，需要對原子鐘房進(jìn)行抗震減振設(shè)計，由于普通振源和地震產(chǎn)生的沖擊振動不同，兩者在振動沖擊能量、振動頻率和振動幅度方面均存在很大的差別，一級抗震減振系統(tǒng)無法平衡兩者對隔振裝置設(shè)計的矛盾，因此，本文通過三級抗震減振系統(tǒng)設(shè)計來實現(xiàn)，其原理如圖1所示。

圖1 三級抗震減震系統(tǒng)示意圖

1級為抗震減振地基設(shè)計，通過鐘房建筑地基的建設(shè)來實現(xiàn)，鐘房地基采用筏板基礎(chǔ)設(shè)計，并在鐘房的周邊設(shè)立隔振帶，其作用是減小周邊低頻振動干擾源通過大地和建筑結(jié)構(gòu)的傳導(dǎo)作用引起的振動效應(yīng)，同時對大能量（如地震等）的沖擊能力進(jìn)行衰減。

2級為抗震減振鐘座設(shè)計，采用建筑非結(jié)構(gòu)主體抗振設(shè)計的規(guī)范和原理，在鐘房內(nèi)預(yù)留鐘座基坑，水平面為1.1m×1.1m，深度為1.4m，基坑底部鋪設(shè)0.4m厚細(xì)沙層，預(yù)制鋼筋混凝土鐘座置于其上，鐘座水平面為1m×1m，頂面與地板面持平，隔震槽寬0.05m，如圖2所示。從而保證當(dāng)在地震、爆破等發(fā)生的情況下，完成沖擊能量的衰減或最大限度地降低對原子鐘設(shè)備的損毀程度。

圖2 原子鐘座結(jié)構(gòu)示意圖

3級為在鐘座基礎(chǔ)上安裝的設(shè)備隔振減振平臺，其作用是對1級和2級抗震減振后剩余能量再次進(jìn)行衰減，使最終傳遞到設(shè)備上的能量最小化，起到隔離影響、降低毀損的作用。

一般將原子鐘房設(shè)置在地下，離地面2m以下，中間設(shè)置大于2m的隔空層，減小地面振動的影響，這也是非常有效的抗震減振方法。

二、溫濕度控制設(shè)計

溫濕度變化對原子鐘（特別是氫鐘）的穩(wěn)定度產(chǎn)生極大的影響，±1℃的溫度變化一般可以使原子鐘的穩(wěn)定度降低一個數(shù)量級。為了不影響原子鐘的穩(wěn)定度，原子鐘房的溫度范圍控制在20℃-30℃，溫度要保持相對恒定，1天的最大變化控制在±0.2℃，相對濕度保持在30%-80%，一天的最大變化控制在±5%，并且使用溫度靈敏度小于3ps/℃的傳輸電纜。

因此，原子鐘房需做精密的溫濕度控制設(shè)計，主要可通過以下三種方法實現(xiàn)：

1.合理布局鐘房及配套房間

因地下具有一定的自然恒溫恒濕能力，原子鐘房一般建設(shè)在地下。采用雙層房間設(shè)計，如圖3所示。外層為普通房間，要求門窗密閉，面積大于鐘房，里面設(shè)置普通空調(diào)，其功率適合相應(yīng)面積，考慮室內(nèi)可能有其他發(fā)熱設(shè)備，應(yīng)適當(dāng)增加空調(diào)功率；里面為電磁屏蔽原子鐘房，若有多個原子鐘可在一個鐘房內(nèi)設(shè)置多個鐘座以充分利用空間并節(jié)省建設(shè)成本，原子鐘房門盡可能小，不設(shè)窗，其五個面（除地面外）不能和外層房間墻面接觸，離墻0.6m以上，以對外保持一定的氣溫交流循環(huán)空間，減少室外氣溫的直接影響。時頻信號測量機房、精密空調(diào)機房及鐘房恒溫恒濕系統(tǒng)控制室為原子鐘房的配套房間，時頻信號測量機房用于接收和處理原子鐘產(chǎn)生的時頻信號，精密空調(diào)機房及鐘房恒溫恒濕系統(tǒng)控制室用于維持和監(jiān)控原子鐘房的高精度恒溫恒濕環(huán)境。為了減少信號衰減及便于溫濕度控制，配套房間應(yīng)緊鄰原子鐘房并進(jìn)行合理布局。

圖3 原子鐘房及其配套房間布局圖

2.墻面及地面鋪設(shè)隔熱材料

鐘房墻面加裝雙層保溫隔熱材料，提高鐘房內(nèi)部的溫度低傳導(dǎo)特性，盡可能隔絕鐘房外環(huán)境溫度變化對屏蔽室內(nèi)部溫度穩(wěn)定性的影響。地面鋪設(shè)加熱板，其面積等同鐘房面積，形成全方位、無死角的均衡對流，從而有效降低溫度梯度。

3.采用二級溫濕度控制系統(tǒng)

1級溫濕度控制布置在原子鐘房的外層房間，利用普通空調(diào)，實現(xiàn)±2℃，±15%RH的外環(huán)境溫濕度控制，溫度設(shè)置比鐘房溫度略低，其作用是保證原子鐘房周圍的空間環(huán)境溫度的波動率低，減少季節(jié)性環(huán)境溫度波動對鐘房內(nèi)溫度穩(wěn)定性的影響。2級溫濕度控制采用高精密恒溫恒濕系統(tǒng)，在鐘房電磁屏蔽室內(nèi)完成，一般由精密空調(diào)、靜壓空氣流循環(huán)風(fēng)道、高精度溫濕度控制與運行監(jiān)控系統(tǒng)組成，以實現(xiàn)不大于±0.2℃，±5%RH的高精密溫濕度控制，保證滿足鐘房內(nèi)原子鐘的使用環(huán)境條件要求。

三、電磁屏蔽設(shè)計

原子鐘是一種進(jìn)行高精度時間頻率保持的裝置，原子鐘的內(nèi)部核心器件工作在一定的工作磁場中，且經(jīng)過良好的電磁屏蔽。雖然原子鐘大多采用了磁屏蔽裝置，但外界電磁場仍會對原子鐘的頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度造成影響，磁場的不均勻還會引起原子鐘出現(xiàn)二次漂移。因此，原子鐘房必須采取良好的電磁屏蔽措施，減少和消除外界電磁場的影響。

為了滿足電磁屏蔽條件，原子鐘房需采用鋼板焊接式C級電磁屏蔽室結(jié)構(gòu)，做整體屏蔽，全頻段屏蔽效能大于50dB，主要頻段（150kHz～10GHz）屏蔽效能大于100dB，原子鐘安放位置附近的磁場必須小于0.4高斯，磁場波動控制在±0.02高斯，鐘房的電磁屏蔽采用不同于普通屏蔽室設(shè)計的工藝技術(shù)，除屏蔽殼體的設(shè)計外，更多的是要完成對時鐘信號（貫穿信號不可以加裝屏蔽濾波器）傳輸回路的屏蔽處理，環(huán)境監(jiān)測設(shè)備的電磁兼容設(shè)計，屏蔽室供電、接地系統(tǒng)的設(shè)計等，均需要采取特殊的技術(shù)處理手段。

四、其他要點設(shè)計

1.供電系統(tǒng)

原子鐘需要24小時不間斷供電，對供電系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性要求較高，故需采用具有故障備份的冗余供電系統(tǒng)和應(yīng)急狀態(tài)下的自發(fā)電設(shè)備，保證鐘房的穩(wěn)定工作。原子鐘一般采用1主1備2路獨立的UPS供電回路，并配備高性能電源濾波器和穩(wěn)壓設(shè)備，UPS由220V交流市電供電，市電停電情況下UPS后備時間不小于30分鐘，供電電壓指標(biāo)要求為220V±5%，50Hz±2%，供電系統(tǒng)需配備發(fā)電機設(shè)備，確保在市電長時間停電或緊急情況下仍然能維持原子鐘房供電。

2.接地系統(tǒng)

原子鐘房需采用獨立接地系統(tǒng)，確保零線和接地線之間的電壓差（零地壓差）為零。可在鐘房四周的承重柱上預(yù)留接地口，鐘房內(nèi)部布設(shè)接地銅帶，原子鐘就近通過銅帶接地，采用聯(lián)合接地方式，接地電阻小于0.8Ω。

3.消防系統(tǒng)

為了保證原子鐘房的安全，應(yīng)設(shè)置完善的消防系統(tǒng)，確保原子鐘房及其內(nèi)部設(shè)備安全可靠的運行?？紤]到鐘房的設(shè)備及電源線路，應(yīng)采用由火災(zāi)自動報警系統(tǒng)和滅火裝置（S型氣溶膠）等組成的氣體滅火系統(tǒng)。火災(zāi)自動報警系統(tǒng)由火災(zāi)探測器、氣體滅火控制器、聲光報警器、放氣指示燈、緊急啟停按鈕及系統(tǒng)布線組成，氣體滅火裝置由氣溶膠發(fā)生劑、發(fā)生器、冷卻裝置、反饋元件、殼體等組成。

五、結(jié)語

通過三級抗震減振、溫濕度控制、電磁屏蔽等設(shè)計，可有效保持原子鐘房的良好環(huán)境，將環(huán)境因素對原子鐘的影響降低到最小，從而保證原子鐘能在安全、穩(wěn)定、精確、可靠的環(huán)境下維持最佳性能運行。本文全面而詳細(xì)的設(shè)計要點分析可以為原子鐘房建設(shè)提供重要參考和依據(jù)。