氫原子鐘頻率合成器設計

李錫瑞，蔡勇

（中國科學院 上海天文臺，上海 200030）

0 引言

氫原子鐘是一種利用氫原子能級躍遷產生的電磁波來進行計時的高精度儀器，在大型工程建設和基礎科學實驗中有著廣泛而重要的應用。例如，在守時授時、載人航天、探月工程、空間科學、北斗衛星導航系統中，氫原子鐘是支撐項目工程的關鍵設施；在美國的GP-A（gravity probe-A，重力紅移）實驗中，氫原子鐘直接用于愛因斯坦相對論紅移效應的測量；在歐洲的ACES （atomic clock ensemble in space，空間原子鐘組）計劃中，氫鐘也用于進行一些基礎物理理論的驗證。由于氫原子鐘應用領域廣泛，工作環境多變，因此，如何提高氫原子鐘在不同環境下的“生存能力”，保障氫原子鐘穩定性，是氫原子鐘發展必須面對的問題[1-5]。

近期在印度巨米波射電望遠鏡（giant metrewave radio telescope，GMRT）天文臺安裝自激型氫原子鐘。自激型氫原子鐘的超低相位噪聲和穩定性特征將有助于甚長基線干涉測量技術（very long baseline interferometry，VLBI）觀測。并且隨著甚高頻段信號的觀測，對原子鐘穩定度提出更高要求。俄羅斯正在開發用于空間天文臺“Millimetron”（項目“Spectrum-M”）的更高穩定度的自激型氫原子鐘（其目前自激型氫原子鐘的長期穩定度指標已經達到2×10-16）。這項任務將使天文學家能夠以前所未有的靈敏度和角分辨率觀測宇宙[6-9]。

氫原子鐘的接收、鎖相系統用于接收氫脈澤信號，并把10 MHz晶體振蕩器輸出信號的相位鎖定到氫脈澤輸出信號相位上，從而得到所需的輸出電平和頻率。該系統由晶振、前置放大器、混頻器、中頻放大器、鎖相倍頻器、頻率綜合器、分頻器、鎖相環路、隔離放大器組成?！?br>