下一代星載原子鐘的新發展

翟造成,李玉瑩

(中國科學院上海天文臺,上海200030)

0 引 言

傳統銣原子鐘和銫原子鐘在衛星導航定位系統中作為星載原子鐘已經獲得重要應用。目前GPS和GLONASS系統都在實施衛星“現代化”計劃和第三代衛星計劃。這些升級和新建的系統對星載鐘的要求更高,如“Galileo”系統的星載鐘要求滿足3×10-12τ-1/2的頻率穩定度,其最好的穩定度“平底”為1×10-14。這樣的穩定度指標,以上所述兩種傳統的星載原子鐘(Rb和Cs)難以達到。近年來,隨著激光冷卻與囚禁原子技術發展,以及新物理原理的應用,新型原子鐘技術的發展十分迅速,一方面人們在探索性能更高的標準;另一方面努力尋求小型化的新途徑。因此,為了滿足高性能衛星導航定位系統的發展,與這些導航系統有關的國家都紛紛實施研制開發新型星載原子鐘計劃。我們將介紹最有希望成為下一代星載原子鐘的新產品和它的最新進展。

1 星載原子鐘的使用現狀

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

這兩種傳統星載原子鐘現已實現3×10-12τ-1/2的穩定度,這差不多已是這種標準的極限,很難提高。盡管如此,但這兩種標準為衛星導航定位系統的建立和發展立下了汗馬功勞,至今仍是衛星導航定位系統星載鐘的頂梁柱。

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

2 星載原子鐘的新發展

在傳統星載Rb和Cs原子鐘改進的同時,為適應衛星導航定位系統的“現代化”和第三代衛星系統的建立,利用新物理原理和新技術的新型星載原子鐘的發展十分迅速,并取得了很好的進展。

2.1 星載氫原子鐘

人們欣賞氫鐘的穩定度指標,但對氫鐘的體積大,重量重也留有深刻的印象。人們對氫鐘能不能上天,始終有疑問。隨著被動型氫鐘的研制成功以及瑞士Spectratime公司為歐洲GALILEO衛星導航計劃,成功研制18 kg的被動型小氫鐘,并于2008年中期隨Galileo第二顆實驗星上天后,人們才逐漸消除疑慮。圖1為GALILEO星載氫鐘的實物照片。它的穩定度指標為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衛星導航系統。俄羅斯Kvarz公司開發GLONOSS系統的原子鐘,日本的NICT和Anristsu公司合作開發用于Quasizenith GPS衛星增強系統的星載被動型小氫鐘。

圖1 Galileo星載氫鐘

在國家項目的支持下,上海天文臺與航天203所于2007年開始進行星載被動型氫鐘預研任務,目前已實現樣機的組裝及性能測試。圖2為它們的實物照片[1-2]。測試表明它們的穩定度為1～2×10-12/s,10-15/d。

另外,為滿足國家戰略需求,根據國家有關部署,航天510所目前也在著手進行被動型小氫鐘的研制工作。

目前上海天文臺與航天203所的小型被動氫鐘樣機正在進行模擬環境的例行試驗,進行熱真空試驗、震動試驗以及整機電磁兼容試驗,以檢驗模樣機的環境適應能力。

2.2 小型微波汞(Hg+)離子鐘[3]

隨著人類深空探測活動的日益頻繁,深空探測器的跟蹤與導航變得越來越重要。對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已制成一個工程樣機,體積僅為3升,如圖3所示。其長期穩定度為1×10-15/104s量級,短期穩定度1～2×10-13/s,可與地面主動型氫鐘相媲美,而長期穩定度比目前空間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

中科院武漢物理數學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+鐘已實現閉環鎖定,有了很好的進展。

2.3 激光抽運Cs原子鐘[4-6]

激光抽運銫鐘中,光抽運、態選擇和檢測將由固態二極管激光器實現,消除物理部分傳統的“A”、“B”磁鐵,減輕束管的重量,改善效率和鐘性能。

法國Thales電子設備公司、巴黎天文臺以及瑞士Neuchatel天文臺在歐洲空間中心ESA的支持下,正在聯合為“Galileo”衛星導航定位系統實施一項星載原子鐘計劃OSCC(A Space Cs beam Optically Pumped atomic clock for Galileo)。

激光抽運銫原子共振器的結構如圖4所示。

圖4 激光抽運 Cs共振器結構

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

作為OSCC計劃的伙伴之一的瑞士天文臺,建造的另一個空間光抽運Cs束共振器樣機OSCAR,已實現頻率穩定度1.14×10-12τ-1/2的高水平,能滿足“GALILEO”系統的要求。

OSCC星載鐘研制小組認為,激光抽運Cs鐘,由于采用光抽運技術,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,并且其長穩與被動型氫鐘相當,而且由于它內在設計簡單,它的制造和可靠性比被動氫鐘將有強勢改善。成為GPS和GLONASS星載鐘的潛在替代品。

美國原Datum公司同時也為GPSⅢ開展光抽運銫原子鐘4430OPCBT計劃。在取樣時間大于20000 s皆實現10-15的穩定度。

北京大學和航天203所合作也研制出激光抽運Cs鐘樣機,正在長期考機測試,有著很好的進展。

2.4 小型積分球原子鐘[7-10]

法國天文臺正在開展一個星載和空間用小型冷原子鐘計劃HORACE。它采用激光冷卻技術。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,微波探測和檢測)都在同一地方發生,應用時序將各個階段的作用分開。從而該鐘可以減小到幾升的體積。

HORACE鐘的結構原理如圖5所示。

研制的HORACE鐘,其短期穩定度為5.5×10-13τ-1/2,3000 s穩定度為10-14量級。他們正在改進中期穩定度和估價準確度。

在光學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,首先是由我國學者王育竹于1979年提出的[10],他們稱其為積分球冷卻技術。在國內,中國科學院上海光機所正在用他們提出的這種技術開展星載冷原子鐘的研究,已實現閉環鎖定并取得很好的進展[11]。圖6為他們的ISCA原理樣機。

2.5 脈沖激光抽運Rb原子鐘[12-14]

影響傳統銣鐘穩定度的主要問題是光頻移、微波腔牽引頻移和光檢噪聲。被認為是目前限制該標準穩定度的主要因素。如果采用脈沖光抽運、脈沖微波Ramsey探測和鐘躍遷檢測并且這三個功能在時間上分時序控制進行,則可很好地解決傳統銣鐘存在的限制。脈沖光抽運(Pulsed Optically Pumped,POP)就是實現這種意圖的很好技術。原子與微波場相互作用時,沒有抽運光場存在,原子處于一個純二能級系統,于是可以消除原子鐘的光頻移,提高原子鐘的中、長期穩定度。

目前,意大利國家計量科學院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系統的星載原子鐘將來能更新換代。

INRIM的POP Rb原子鐘已實現短穩1.2×10-12τ-1/2,長穩 7×10-15/d。由于其體積和重量的優勢,作為星載鐘有很好的潛在應用前景。

中科院上海光機所和國家授時中心也正積極開展這方面的研究,實現1×10-12/s的短期穩定度,取得了很好的進展。

2.6 CPT-maser[15-16]

利用相干布居囚禁(CPT)原理,相干囚禁在基態兩個能級上的原子系統會產生宏觀磁偶極矩,發生微波輻射,即相干微波輻射。若外面加一微波諧振腔儲存此相干微波,則可實現maser機理,做成主動型CPT原子鐘。

主動型CPT-maser原子鐘,實現微波相干輻射不需要粒子數反轉,因此微波輻射信號沒有閾值限制。也無需象其它原子鐘那樣必須有原子選態和抽運裝置,也不需真空系統,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”系統銣鐘和氫鐘的替代鐘。

依托于歐洲“GALILEO”計劃,意大利國家電子研究所(IEN)研制的樣機已獲得3×10-12τ-1/2的穩定度,中期穩定度達到10-14量級。近期,在軍方的資助下,美國Kernco公司(GPS系統星載鐘供應商之一)和美國海軍導航研究所也正在進行CPT-maser鐘的研制。

中科院武漢物理數學所和國家授時中心等單位也正積極開展這方面的研究,并取得了很好的進展。

3 結 論

為了滿足衛星導航定位系統更新換代的需要,應用新物理原理和先進的激光技術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展。

衛星導航定位系統的建設和空間原子鐘的研究,已經成為衡量一個國家科技實力和經濟實力的重要標志。國外先進國家在積極推進現有衛星導航定位系統升級和新建系統的同時,大力支持和積極開發更先進、更實用的空間原子鐘的努力值得我們借鑒。

[1]林傳富.被動型小氫鐘研制進展匯報[R].2008.

[2]高連山.航天203所原子鐘研制工作新進展[C]//2009衛星導航系統先進原子鐘技術及應用專題研討會,2009.

[3]Prestage J D,Chung S K,Thompson R J,MacNeal P.Progress on small mercury ion clock for space applications[C]//Frequency Control Symposium,2009 Joint with the 22nd European Frequency and Time forum.IEEE International,Geneva,2009:54-57.

[4]Lecomte S,Haldimann M,Ruffieux R,et al.Performance demonstration of a compact,single optical frequency Cesium beam clock for space applications[C]//FrequencyControl Symposium,2007 Joint with the 21st European Frequency and Time Forum.IEEE International,Geneva,2007:1127-1131.

[5]Hermann V,Berthoud P,Audoin C,et al.OSCC project:A space Cs beam optically pumped atomic clock for Galileo[C]//Frequency Control Symposium,2007 Joint with the 21st European Frequency and Time Forum.IEEE International,Geneva,2007:77-80.

[6]Lecomte S,Haldimann M,Thomann P,et al.Performance demonstration of a compact,single optical frequency Cesium beam clock for space applications[C]//FrequencyControl Symposium,2007 Joint with the 21st European Frequency and Time Forum.IEEE International,Geneva 2007:1127-1131.

[7]Tremine S,Guerandel S,Holleville D,et al,Limitations to the Short Term Frequency Stability in a Compact Cold Atom Clock[C]∥Frequency Control Sysposium,2005 Joint with the 19st European Frequency and Time Forum.IEEE International,Besanc on,France,2006:591-598.

[8]Esnault F X,Perrin S,Holleville D,et al.New designof the compact cold atoms clock HORACE[C]//Frequency Control Symposium,2006 Joint with the 20st European Frequency and Time Forum.IEEE International,Braunschweig,Germany,2006:237-240.

[9]Esnault F X,Perrin S,Tremine S,et al.Stability of the compact cold atom clock HORACE[C]//Frequency Control Symposium,2007 Joint with the 21st European Frequency and Time Forum.IEEE International,Geneva,2007:1342-1345.

[10]王育竹.激光冷卻原子數方案[C]//光頻標方案論證會,成都,1979.

[11]劉 亮,王育竹.星載積分球原子鐘的原理與性能[C]//2009衛星導航系統先進原子技術及應用專題研討會,2009.

[12]張首鋼.時間頻率研究現狀與發展建議[R].天文學學科進展報告,北京:中國科學技術出版社,2008:172-176.

[13]Alley′C O.Coherent pulse techniques in the optical detection of the 0-0 ground state hyperfine resonance in 87Rb Quantum Electronics[M].New York:Columbia University press,1960:146-155.

[14]Arditi M,Carver T R.Atomic Clock Using Microwave Pulse-Coherent Techniques[J].IEEE T rans Instrum Meas,Braunschweig,Germany.1964,13(2):146-152.

[15]Levif,Godone A,Micalizio S et al.CPT maser clock evaluation for galileo[C]//34th annual Precise Time Interval(PTTI)Meeting.Reston,USA,2002(9):139-149.

[16]Godone A,Levi F,Micalizio S,et al.Coherentpopulation-trapping maser:Noise spectrum and frequency stability[J].Phys.Rev.A,2004,70(1):2508-2519.