为什么星载铷钟比地面铷钟有更好的稳定度（北大刘淑琴）.doc

为什么星载铷钟比地面铷钟有更好的稳定度？ 刘淑琴 董太乾 北京大学信息科学技术学院 长期以来，人们对地面铷钟的频率稳定性能一般用取样时间为1s，10s，100s的阿仑方差来描述其短稳，再用月漂移率来描述其长期漂移的性能。由于取样时间为1000s以上的稳定度较差，所以人们习惯上都不标出其数值。 但自从美国人首先将铷钟用于GPS导航系统作星载钟后，由于对导航星相邻二次地面测控的时间间隔为12小时左右，这样星载钟取样时间为12小时至1日的频率稳定度就特别重要，这个指标的好坏直接决定了导航星的导航精度，因此人们做了大量的研究工作来提高星载铷钟取样时间为1日的频率稳定度[1][2]。最近几年，对美国GPS Block ⅡR星载铷钟的长期测试表明，星载铷钟的日稳定度指标已经比星载铯钟的日稳定度指标还要好[3][4][5]，图1是测试结果。 图1 GPS星载钟的日稳定度 这些测试结果显示：取样时间从1s到100000s的频率稳定度，星载铷钟均超过了星载铯钟，其中最好的一台星载铷钟日稳定度已达6×10-15/日，相当于被动氢钟的水平。这个结果有力地支持了GPS导航系统继续采用铷钟作为星载钟。 星载铷钟能达到如此优越的性能是出乎人们意料之外的，究其原因当然应该归结为星载钟的使用环境。星上的环境与地面的环境有很多不同处，但是使星载铷种稳定度变好的主要是星上的真空环境。文献[3]中测量了在地面真空罐中铷钟的性能，得到了与星上铷钟一样的优越性能，这就充分证明了真空环境是使铷钟性能变好的主要因素。 在一台设计完善的铷钟中，其日稳定度主要决定于物理部份钟跃迁谱线中心频率的稳定性。真空环境比起常压环境来有以下三方面的优越性： 1．铷钟物理部份的吸收泡一般都是用玻璃制成的，而且为了减少玻璃对微波电磁场的损耗，吸收泡的玻璃壁都是比较薄的，一般小于1mm。在常压条件下，吸收泡内部体积将随着外部大气压的大小而改变，大气压高了，体积会小一些，因而吸收泡内缓冲气体的压强就会大一些，而一般缓冲气体引起的总压力频移是正的，所以缓冲气体压强变大，将使铷原子钟跃迁谱线中心频率升高；反之，当大气压变低，铷原子钟跃迁谱线中心频率就会降低，这个效应称为铷钟的气压效应（barometric effect）。在常压环境下，由于大气压的值是不稳定的，随着每天天气情况不同而变化，其变化的范围约在1/100-1/10之间。根据W. Riley等人[1][6]测量的结果，铷钟频率的这种气压灵敏度（barometric sensitivity）约为1×10-10/atm（或1×10-13/mbar）。所以常压下，大气压的10-2量级的变化将引起频率在10-12量级的变化。而在真空环境下，不存在这个不稳定因素。 要减小气压灵敏度，可以让吸收泡的玻璃壁厚一些，但是这会增加玻璃壁对微波电磁场的损耗，对铷原子钟跃迁谱线的信号强度产生不利影响，所以这个办法看来不可取。另外，如果减小缓冲气体引起的压力频移总量也将会减小气压灵敏度，比如现在常用的缓冲气体压力频移总量是： 6834687.5KHz-6834682.6KHz=4.9KHz 若调节不同缓冲气体的比例，把此压力频移总量降到几个Hz的水平，则大气压10-2量级的变化将只引起铷钟频率10-15量级的变化，这样常压下铷钟的频率稳定度也将大大提高。 2．在常压环境下，传热有三种方式：传导、对流、辐射，而在真空环境下不存在对流这种传热方式，只剩下传导和辐射二种方式，所以估计真空环境对铷钟物理部份内部的温度及温度场分布的稳定性有好处[1]。因为铷钟的物理部份对温度是极其敏感的，所以温度及温度场分布的稳定对频率稳定度必然会产生好的影响。但对这个因素很难作定量的分析，只能作定性的估计。 3．He原子是可以穿透玻璃壁的，He原子进入铷吸收泡后将产生正频移，其压力频移系数约为+1×10-7/Torr。常压下，大气中约有5×10-6的He气含量，相当于He气压为3.8×10-3Torr，长期处在常压下的铷吸收泡，最后达到平衡时，其内部的He气压必然与大气中的He气压相等，产生约+3.8×10-10的频移。如果大气中He的含量发生变化，则将使铷钟频率发生变化而产生不稳定。但目前尚缺少常压下大气中He含量变化幅度的数据，所以还不能定量估计这种不稳定的数量级。在真空环境下，这个不稳定因素就不存在。 总之，大约在10多年前铷原子钟仅仅以其体积小，功耗小在星载原子钟中占有一席之地，其性能还远不如铯原子钟，经过最近10多年的努力，星载铷钟取样时间在1s-100000s的稳定度均已超过了星载铯钟，这大大加强了它在星载原子钟中的地位。 参 考 文 献 [1] W.J.Riley, IEEE Transaction on Uitrasonics, Ferroelectric