下一代星載原子鐘的新發(fā)展

翟造成,李玉瑩

(中國科學(xué)院上海天文臺(tái),上海200030)

0 引 言

傳統(tǒng)銣原子鐘和銫原子鐘在衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)中作為星載原子鐘已經(jīng)獲得重要應(yīng)用。目前GPS和GLONASS系統(tǒng)都在實(shí)施衛(wèi)星“現(xiàn)代化”計(jì)劃和第三代衛(wèi)星計(jì)劃。這些升級(jí)和新建的系統(tǒng)對(duì)星載鐘的要求更高,如“Galileo”系統(tǒng)的星載鐘要求滿足3×10-12τ-1/2的頻率穩(wěn)定度,其最好的穩(wěn)定度“平底”為1×10-14。這樣的穩(wěn)定度指標(biāo),以上所述兩種傳統(tǒng)的星載原子鐘(Rb和Cs)難以達(dá)到。近年來,隨著激光冷卻與囚禁原子技術(shù)發(fā)展,以及新物理原理的應(yīng)用,新型原子鐘技術(shù)的發(fā)展十分迅速,一方面人們?cè)谔剿餍阅芨叩臉?biāo)準(zhǔn);另一方面努力尋求小型化的新途徑。因此,為了滿足高性能衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的發(fā)展,與這些導(dǎo)航系統(tǒng)有關(guān)的國家都紛紛實(shí)施研制開發(fā)新型星載原子鐘計(jì)劃。我們將介紹最有希望成為下一代星載原子鐘的新產(chǎn)品和它的最新進(jìn)展。

1 星載原子鐘的使用現(xiàn)狀

目前美國GPS和俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)的星載原子鐘,全部采用兩種傳統(tǒng)原子鐘——譜燈光抽運(yùn)Rb原子鐘和磁選態(tài)Cs原子鐘,在新建衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)中,如我國的“北斗”,歐盟的“GALILEO”,也都首選傳統(tǒng)的Rb原子鐘作為星載鐘。

這兩種傳統(tǒng)星載原子鐘現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)3×10-12τ-1/2的穩(wěn)定度,這差不多已是這種標(biāo)準(zhǔn)的極限,很難提高。盡管如此,但這兩種標(biāo)準(zhǔn)為衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的建立和發(fā)展立下了汗馬功勞,至今仍是衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)星載鐘的頂梁柱。

自從1974年第一個(gè)原子鐘上天后,至今在空間的原子鐘約500多個(gè)。其中100多個(gè)原子鐘是最近10年發(fā)射上天的。初步估計(jì),從1989年末到1990年初,平均每年有26個(gè)原子鐘上天——主要是GPS和GLONOSS系統(tǒng)建設(shè)階段。最近十年,平均每年10多個(gè)原子鐘上天——系統(tǒng)更替階段。估計(jì)今后發(fā)射率會(huì)增加到每年20多個(gè)原子鐘,主要原因是GALILEO新建系統(tǒng)、GLONOSS的星座建設(shè)以及我國北斗系統(tǒng)和印度、日本的導(dǎo)航系統(tǒng)的需求。

2 星載原子鐘的新發(fā)展

在傳統(tǒng)星載Rb和Cs原子鐘改進(jìn)的同時(shí),為適應(yīng)衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的“現(xiàn)代化”和第三代衛(wèi)星系統(tǒng)的建立,利用新物理原理和新技術(shù)的新型星載原子鐘的發(fā)展十分迅速,并取得了很好的進(jìn)展。

2.1 星載氫原子鐘

人們欣賞氫鐘的穩(wěn)定度指標(biāo),但對(duì)氫鐘的體積大,重量重也留有深刻的印象。人們對(duì)氫鐘能不能上天,始終有疑問。隨著被動(dòng)型氫鐘的研制成功以及瑞士Spectratime公司為歐洲GALILEO衛(wèi)星導(dǎo)航計(jì)劃,成功研制18 kg的被動(dòng)型小氫鐘,并于2008年中期隨Galileo第二顆實(shí)驗(yàn)星上天后,人們才逐漸消除疑慮。圖1為GALILEO星載氫鐘的實(shí)物照片。它的穩(wěn)定度指標(biāo)為1×10-12/s,10-15/d。目前,Spectratime正在研制15 kg更小的星載氫鐘用于 GALILEO衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。俄羅斯Kvarz公司開發(fā)GLONOSS系統(tǒng)的原子鐘,日本的NICT和Anristsu公司合作開發(fā)用于Quasizenith GPS衛(wèi)星增強(qiáng)系統(tǒng)的星載被動(dòng)型小氫鐘。

圖1 Galileo星載氫鐘

在國家項(xiàng)目的支持下,上海天文臺(tái)與航天203所于2007年開始進(jìn)行星載被動(dòng)型氫鐘預(yù)研任務(wù),目前已實(shí)現(xiàn)樣機(jī)的組裝及性能測(cè)試。圖2為它們的實(shí)物照片[1-2]。測(cè)試表明它們的穩(wěn)定度為1～2×10-12/s,10-15/d。

另外,為滿足國家戰(zhàn)略需求,根據(jù)國家有關(guān)部署,航天510所目前也在著手進(jìn)行被動(dòng)型小氫鐘的研制工作。

目前上海天文臺(tái)與航天203所的小型被動(dòng)氫鐘樣機(jī)正在進(jìn)行模擬環(huán)境的例行試驗(yàn),進(jìn)行熱真空試驗(yàn)、震動(dòng)試驗(yàn)以及整機(jī)電磁兼容試驗(yàn),以檢驗(yàn)?zāi)訖C(jī)的環(huán)境適應(yīng)能力。

2.2 小型微波汞(Hg+)離子鐘[3]

隨著人類深空探測(cè)活動(dòng)的日益頻繁,深空探測(cè)器的跟蹤與導(dǎo)航變得越來越重要。對(duì)空間原子鐘提出了更高的要求,不僅精度高,而且功耗和體積小。而微波Hg離子鐘有望能滿足這一要求。

目前,美國JPL已制成一個(gè)工程樣機(jī),體積僅為3升,如圖3所示。其長期穩(wěn)定度為1×10-15/104s量級(jí),短期穩(wěn)定度1～2×10-13/s,可與地面主動(dòng)型氫鐘相媲美,而長期穩(wěn)定度比目前空間Rb鐘好100倍。這種小型汞離子鐘采用真空密封管形式,從而大大減小外型尺寸,增加了可靠性。

圖3 體積僅為3升的 Hg離子鐘

中科院武漢物理數(shù)學(xué)研究所也正在積極開展離子(Hg+,Cd+)囚禁微波鐘的研制,其中Hg+鐘已實(shí)現(xiàn)閉環(huán)鎖定,有了很好的進(jìn)展。

2.3 激光抽運(yùn)Cs原子鐘[4-6]

激光抽運(yùn)銫鐘中,光抽運(yùn)、態(tài)選擇和檢測(cè)將由固態(tài)二極管激光器實(shí)現(xiàn),消除物理部分傳統(tǒng)的“A”、“B”磁鐵,減輕束管的重量,改善效率和鐘性能。

法國Thales電子設(shè)備公司、巴黎天文臺(tái)以及瑞士Neuchatel天文臺(tái)在歐洲空間中心ESA的支持下,正在聯(lián)合為“Galileo”衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)實(shí)施一項(xiàng)星載原子鐘計(jì)劃OSCC(A Space Cs beam Optically Pumped atomic clock for Galileo)。

激光抽運(yùn)銫原子共振器的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 激光抽運(yùn) Cs共振器結(jié)構(gòu)

歐空局的這一計(jì)劃,要求OSCC星載銫原子鐘滿足“GALILEO”系統(tǒng)的要求:頻率穩(wěn)定度好于3×10-12τ-1/2,最好穩(wěn)定度“平底”好于 1×10-14。重量要求小于10 kg,壽命大于12年。他們已制造了幾個(gè)樣機(jī),最好的結(jié)果是1.5×10-12τ-1/2。

作為OSCC計(jì)劃的伙伴之一的瑞士天文臺(tái),建造的另一個(gè)空間光抽運(yùn)Cs束共振器樣機(jī)OSCAR,已實(shí)現(xiàn)頻率穩(wěn)定度1.14×10-12τ-1/2的高水平,能滿足“GALILEO”系統(tǒng)的要求。

OSCC星載鐘研制小組認(rèn)為,激光抽運(yùn)Cs鐘,由于采用光抽運(yùn)技術(shù),利用了全速度分布的原子以及有用原子增加一倍而有好的短穩(wěn),并且其長穩(wěn)與被動(dòng)型氫鐘相當(dāng),而且由于它內(nèi)在設(shè)計(jì)簡單,它的制造和可靠性比被動(dòng)氫鐘將有強(qiáng)勢(shì)改善。成為GPS和GLONASS星載鐘的潛在替代品。

美國原Datum公司同時(shí)也為GPSⅢ開展光抽運(yùn)銫原子鐘4430OPCBT計(jì)劃。在取樣時(shí)間大于20000 s皆實(shí)現(xiàn)10-15的穩(wěn)定度。

北京大學(xué)和航天203所合作也研制出激光抽運(yùn)Cs鐘樣機(jī),正在長期考機(jī)測(cè)試,有著很好的進(jìn)展。

2.4 小型積分球原子鐘[7-10]

法國天文臺(tái)正在開展一個(gè)星載和空間用小型冷原子鐘計(jì)劃HORACE。它采用激光冷卻技術(shù)。它的基本思想是把原子鐘的所有相互作用(原子冷卻,原子制備,微波探測(cè)和檢測(cè))都在同一地方發(fā)生,應(yīng)用時(shí)序?qū)⒏鱾€(gè)階段的作用分開。從而該鐘可以減小到幾升的體積。

HORACE鐘的結(jié)構(gòu)原理如圖5所示。

研制的HORACE鐘,其短期穩(wěn)定度為5.5×10-13τ-1/2,3000 s穩(wěn)定度為10-14量級(jí)。他們正在改進(jìn)中期穩(wěn)定度和估價(jià)準(zhǔn)確度。

在光學(xué)拋光的球形諧振腔中利用激光的各向同性的漫散射冷卻原子的方法,首先是由我國學(xué)者王育竹于1979年提出的[10],他們稱其為積分球冷卻技術(shù)。在國內(nèi),中國科學(xué)院上海光機(jī)所正在用他們提出的這種技術(shù)開展星載冷原子鐘的研究,已實(shí)現(xiàn)閉環(huán)鎖定并取得很好的進(jìn)展[11]。圖6為他們的ISCA原理樣機(jī)。

2.5 脈沖激光抽運(yùn)Rb原子鐘[12-14]

影響傳統(tǒng)銣鐘穩(wěn)定度的主要問題是光頻移、微波腔牽引頻移和光檢噪聲。被認(rèn)為是目前限制該標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)定度的主要因素。如果采用脈沖光抽運(yùn)、脈沖微波Ramsey探測(cè)和鐘躍遷檢測(cè)并且這三個(gè)功能在時(shí)間上分時(shí)序控制進(jìn)行,則可很好地解決傳統(tǒng)銣鐘存在的限制。脈沖光抽運(yùn)(Pulsed Optically Pumped,POP)就是實(shí)現(xiàn)這種意圖的很好技術(shù)。原子與微波場(chǎng)相互作用時(shí),沒有抽運(yùn)光場(chǎng)存在,原子處于一個(gè)純二能級(jí)系統(tǒng),于是可以消除原子鐘的光頻移,提高原子鐘的中、長期穩(wěn)定度。

目前,意大利國家計(jì)量科學(xué)院INRIM,在歐空局ESA的資助下,正在開展POP Rb原子鐘的研究,目的是使GALILEO系統(tǒng)的星載原子鐘將來能更新?lián)Q代。

INRIM的POP Rb原子鐘已實(shí)現(xiàn)短穩(wěn)1.2×10-12τ-1/2,長穩(wěn) 7×10-15/d。由于其體積和重量的優(yōu)勢(shì),作為星載鐘有很好的潛在應(yīng)用前景。

中科院上海光機(jī)所和國家授時(shí)中心也正積極開展這方面的研究,實(shí)現(xiàn)1×10-12/s的短期穩(wěn)定度,取得了很好的進(jìn)展。

2.6 CPT-maser[15-16]

利用相干布居囚禁(CPT)原理,相干囚禁在基態(tài)兩個(gè)能級(jí)上的原子系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生宏觀磁偶極矩,發(fā)生微波輻射,即相干微波輻射。若外面加一微波諧振腔儲(chǔ)存此相干微波,則可實(shí)現(xiàn)maser機(jī)理,做成主動(dòng)型CPT原子鐘。

主動(dòng)型CPT-maser原子鐘,實(shí)現(xiàn)微波相干輻射不需要粒子數(shù)反轉(zhuǎn),因此微波輻射信號(hào)沒有閾值限制。也無需象其它原子鐘那樣必須有原子選態(tài)和抽運(yùn)裝置,也不需真空系統(tǒng),因此,可大大降低體積和重量。在歐洲,CPT-maser原子鐘已被指定為“GALILEO”系統(tǒng)銣鐘和氫鐘的替代鐘。

依托于歐洲“GALILEO”計(jì)劃,意大利國家電子研究所(IEN)研制的樣機(jī)已獲得3×10-12τ-1/2的穩(wěn)定度,中期穩(wěn)定度達(dá)到10-14量級(jí)。近期,在軍方的資助下,美國Kernco公司(GPS系統(tǒng)星載鐘供應(yīng)商之一)和美國海軍導(dǎo)航研究所也正在進(jìn)行CPT-maser鐘的研制。

中科院武漢物理數(shù)學(xué)所和國家授時(shí)中心等單位也正積極開展這方面的研究,并取得了很好的進(jìn)展。

3 結(jié) 論

為了滿足衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)更新?lián)Q代的需要,應(yīng)用新物理原理和先進(jìn)的激光技術(shù)的各種新穎原子鐘作為空間(星載)鐘的研究,正在許多國家中蓬勃地開展并取得了很好的進(jìn)展。

衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的建設(shè)和空間原子鐘的研究,已經(jīng)成為衡量一個(gè)國家科技實(shí)力和經(jīng)濟(jì)實(shí)力的重要標(biāo)志。國外先進(jìn)國家在積極推進(jìn)現(xiàn)有衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)升級(jí)和新建系統(tǒng)的同時(shí),大力支持和積極開發(fā)更先進(jìn)、更實(shí)用的空間原子鐘的努力值得我們借鑒。

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