原子鐘房建設設計要點分析與探討

張海濤 李銘

基于原子鐘的工作原理，原子鐘對環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確度和穩定度，原子鐘能夠達到的技術指標，不僅與其設計制造指標有關，還與其工作的環境條件密切相關，如果環境條件達不到要求，原子鐘的性能實際上也很難達標。因此原子鐘對振動干擾、環境溫濕度、電磁特性的敏感性，要求其應該在穩定性非常高的環境條件下運行，原子鐘房就是為了滿足這一需求而設計的。由于需要實現對環境指標的高精度控制，原子鐘房建設是一個技術要求高、實現難度大、技術綜合型強、成熟可借鑒案例少的特種精密設備機房項目，因目前為止我國還未見有關原子鐘房建設的標準和設計規范，故根據原子鐘對環境條件的要求，對原子鐘房建設設計要點進行分析和探討，是非常有必要和有意義的。

為了保證原子鐘能在安全、穩定、精確、可靠的環境下維持最佳性能運行，原子鐘房建設須進行抗震減振、溫濕度控制、電磁屏蔽等設計，并綜合考慮供電、接地、消防等系統的設計部署，下面就各設計要點進行詳細分析和探討。

一、抗震減振設計

原子鐘對振動較為敏感，一般要求其運行環境的振動波動控制在0.001g以內，為了隔離各種來自于周邊環境的振動干擾和抗地區地震沖擊的破壞，需要對原子鐘房進行抗震減振設計，由于普通振源和地震產生的沖擊振動不同，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，一級抗震減振系統無法平衡兩者對隔振裝置設計的矛盾，因此，本文通過三級抗震減振系統設計來實現，其原理如圖1所示。

圖1 三級抗震減震系統示意圖

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

2級為抗震減振鐘座設計，采用建筑非結構主體抗振設計的規范和原理，在鐘房內預留鐘座基坑，水平面為1.1m×1.1m，深度為1.4m，基坑底部鋪設0.4m厚細沙層，預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。從而保證當在地震、爆破等發生的情況下，完成沖擊能量的衰減或最大限度地降低對原子鐘設備的損毀程度。

圖2 原子鐘座結構示意圖

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

一般將原子鐘房設置在地下，離地面2m以下，中間設置大于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、溫濕度控制設計

溫濕度變化對原子鐘（特別是氫鐘）的穩定度產生極大的影響，±1℃的溫度變化一般可以使原子鐘的穩定度降低一個數量級。為了不影響原子鐘的穩定度，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計，主要可通過以下三種方法實現：

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，原子鐘房一般建設在地下。采用雙層房間設計，如圖3所示。外層為普通房間，要求門窗密閉，面積大于鐘房，里面設置普通空調，其功率適合相應面積，考慮室內可能有其他發熱設備，應適當增加空調功率；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設置多個鐘座以充分利用空間并節省建設成本，原子鐘房門盡可能小，不設窗，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、精密空調機房及鐘房恒溫恒濕系統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生的時頻信號，精密空調機房及鐘房恒溫恒濕系統控制室用于維持和監控原子鐘房的高精度恒溫恒濕環境。為了減少信號衰減及便于溫濕度控制，配套房間應緊鄰原子鐘房并進行合理布局。

圖3 原子鐘房及其配套房間布局圖

2.墻面及地面鋪設隔熱材料

鐘房墻面加裝雙層保溫隔熱材料，提高鐘房內部的溫度低傳導特性，盡可能隔絕鐘房外環境溫度變化對屏蔽室內部溫度穩定性的影響。地面鋪設加熱板，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

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，實現±2℃，±15%RH的外環境溫濕度控制，溫度設置比鐘房溫度略低，其作用是保證原子鐘房周圍的空間環境溫度的波動率低，減少季節性環境溫度波動對鐘房內溫度穩定性的影響。2級溫濕度控制采用高精密恒溫恒濕系統，在鐘房電磁屏蔽室內完成，一般由精密空調、靜壓空氣流循環風道、高精度溫濕度控制與運行監控系統組成，以實現不大于±0.2℃，±5%RH的高精密溫濕度控制，保證滿足鐘房內原子鐘的使用環境條件要求。

三、電磁屏蔽設計

原子鐘是一種進行高精度時間頻率保持的裝置，原子鐘的內部核心器件工作在一定的工作磁場中，且經過良好的電磁屏蔽。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確度和穩定度造成影響，磁場的不均勻還會引起原子鐘出現二次漂移。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級電磁屏蔽室結構，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計的工藝技術，除屏蔽殼體的設計外，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，環境監測設備的電磁兼容設計，屏蔽室供電、接地系統的設計等，均需要采取特殊的技術處理手段。

四、其他要點設計

1.供電系統

原子鐘需要24小時不間斷供電，對供電系統的可靠性和穩定性要求較高，故需采用具有故障備份的冗余供電系統和應急狀態下的自發電設備，保證鐘房的穩定工作。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壓設備，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，供電電壓指標要求為220V±5%，50Hz±2%，供電系統需配備發電機設備，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

原子鐘房需采用獨立接地系統，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留接地口，鐘房內部布設接地銅帶，原子鐘就近通過銅帶接地，采用聯合接地方式，接地電阻小于0.8Ω。

3.消防系統

為了保證原子鐘房的安全，應設置完善的消防系統，確保原子鐘房及其內部設備安全可靠的運行。考慮到鐘房的設備及電源線路，應采用由火災自動報警系統和滅火裝置（S型氣溶膠）等組成的氣體滅火系統。火災自動報警系統由火災探測器、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布線組成，氣體滅火裝置由氣溶膠發生劑、發生器、冷卻裝置、反饋元件、殼體等組成。

五、結語

通過三級抗震減振、溫濕度控制、電磁屏蔽等設計，可有效保持原子鐘房的良好環境，將環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、穩定、精確、可靠的環境下維持最佳性能運行。本文全面而詳細的設計要點分析可以為原子鐘房建設提供重要參考和依據。