铷钟铯钟氢钟等原子钟的详细对比介绍

铷钟、铯钟和氢钟都属于原子频率标准，原子频率标准简称原子钟，是根据原子物理学及量子力学的原理制造的高准确度和高稳定度的振荡器。在通信领域的数字同步网中作为第一级基准时钟，是同步网中向数字设备提供同步标准信号的最高基准源。

关键词:铷钟,铯钟,氢钟,原子钟

铯钟即铯束原子频率标准，是一种高准确度的频率发生器，在各种频率系统中作为标准频率源，是一种被动型（即受激型）原子束频率标准。

铷钟又被称为铷原子钟， 铷频标是一种被动型原子频率，利用的是基态超精细能级之间的跃迁，铷原子钟由铷量子部分和压控晶体振荡器组成。铷原子频标短期稳定度最高可达到10-12量级，准确度为±5×10-11，具有体积小、精度高的特点。

氢钟又称氢-微波激射器（MASER，Microwave amplification by stimulated emission of radiation)用铯钟、铷钟产生原子谐振的原理，将经提纯的氢气即分子状态的氢气导入装在谐振腔内的球形容器内，与腔内的微波电磁场相互作用产生原子能级跃迁。氢原子的超精细能级的跃迁频率为1.420...GHz。内壁有涂层的球形容器能允许原子特长时间的相互作用，用微波电磁场包住容器，以减少由于原子碰撞容器壁而引起的扰动。微波的作用使高能态的原子跃迁到低能态，释放出能量，当容器内有足够的原子密度，释放出的能量比谐振腔的损失大时，则可产生自激振荡，称为有源（自激）氢-微波激射器，实际上成为振荡器。当容器的原子跃迁不足以维持振荡时，则需外加激励能量使原子产生跃迁，称为无源（或受激）氢-微波激射器，不能成为自举振荡器，其工作原理与铯钟或铷钟方式相同。

       自激型微波激射器相当于振荡器，对晶体压控振荡器信号用相位锁定，所以能有较好的短期频率稳定度，而被氢-微波激射器对压控晶体振荡器则为频率锁定，故其短期频率稳定度不如自激型的。

铷钟详解：

铷钟又被称为铷原子钟， 铷原子钟由铷量子部分和压控晶体振荡器组成。压控晶体振荡器的频率经过倍频和频率合成，送到量子系统与铷原子跃迁频率进行比较。误差信号送回到压控晶体振荡器，对其频率进行调节使其锁定在铷原子特有的能级跃迁所对应的频率上。铷原子频标短期稳定度最高可达10-12量级，准确度为±5×10-11。

铷频率标准不需要真空系统、致偏磁铁和原子束，因而体积小、质量小、预热时间短、价格便宜，但准确度差、频率漂移比较大，仅能用作二级标准。铷频率标准可通过GPS进行快速驯服和外秒同步，克服铷振荡器本身的漂移，可被看作是一个基本的同步时钟单元。通过设计和工艺的改进，产品的可靠性和批量生产也得到保证，现已具备产业化的条件。可以预计，这种带外秒驯服的高性能小型化铷钟将应用于无人值守等苛刻环境，将大大拓展铷钟的应用领域。

铷原子钟主要由单片机电路、伺服电路、微波倍频电路、频率调制、倍频综合电路几个模块组成。铷频标是一种被动型原子频率，利用的是基态超精细能级之间的跃迁，相应的跃迁频率为6834.682614MHz。原子迁跃对微波信号起鉴频作用而产生误差信号，通过锁相环路伺服晶振的频率，使激励信号频率锁定到原子跃迁频率，实现晶振输出频率的高度稳定和准确。

铷钟的基本工作原理与铯钟相似，均利用能级跃迁的谐振频率作为基准。原子是按照围绕在原子核周围不同电子层的能量差，来吸收或释放电磁能量的。这里电磁能量是不连续的。当原子从一个高“能量态”跃迁至低的“能量态”时，它便会释放电磁波。这种电磁波特征频率是固定的，这也就是人们所说的共振频率。通过以这种共振频率为节拍器，原子钟可以来测定时间。铷钟利用光抽运的办法进行原子选态，谐振的检测则是利用光检测器（光电池）去测量经谐振腔的抽运光（激励原子跃迁）的传递衰减来完成。当微波频率在跃迁概率的峰值时，传递的光波大概降低1%～10%。铷钟的体积小，预热时间短，长期的老化率为2×10-10/年，如果为改进性能参数而加大体积，则与铯钟同样大小的铷钟也会具有几乎与铯钟一样的性能。

高性能铷钟主要用于国防军工产业，主要突出性能指标及产品可靠性方面的要求，同时还应具备易于操作、功能完善、通用性强等特点。其主要功能与性能的参数如下：

频率稳定度

频率稳定度是频率偏差的起伏程度，实际上是一种可以用随机过程（平稳的或不平稳的）来研究和处理的问题。频率稳定度在时域上的数学表征是阿伦标准偏差。

月频率漂移率

原子频标连续工作时，频率随时间单方向慢变化程度，用最小二乘法估计。通过GPS锁定，可改变铷原子钟的漂移。铷原子钟的月漂移为：1×10-11～4×10-11 。

频率重现性

频率重现性指铷频标开机一段时间后关机，关机一段时间后，再开机一段时间后的相对平均频率偏差和关机时的相对平均频率偏差的一致程度。一般为：1×10-11～5×10-11 。

频率准确度

频率准确度指频率偏差的最大范围，表明频率实际值靠近标称值的程度。用数值定量表示，不带正负号，一般为：5×10-11～5×10-12 。

选购注意事项

铷原子频率标准的选择要求权衡不同需要折中考虑。首先确定的是稳定度、准确度、漂移率等主要性能指标，其次需要考虑铷钟的应用环境，最后考虑可靠性、体积、质量、价格以及功耗等因素。

●稳定度

稳定度包括短期稳定度和长期稳定度，指标一般为5×10-11~1×10-12（取样时间为1s）、1×10-11~1×10-12 （取样时间为1d）。根据对稳定度的要求选择长稳好还是短稳好的铷原子频率标准。

● 漂移率

频率漂移率是铷原子频标的重要指标之一，通常认为光频移是导致整机频率漂移的主要因素，一般在零光强频移泡温点，光强频移贡献约为1×10-12/1%，灯光强日漂移一般可达千分之一至万分之几，铷原子频率标准的月漂移率应在4×10-11-5×10-12 范围内。

●价格

选购铷原子钟需要考虑产品的价格范围，铷原子钟的价格取决于许多因素，包括稳定度、漂移率、准确度等。一般情况下，相同指标的铷原子钟，国产比进口产品价格便宜。

铷原子钟钟具有短期稳定性高，体积小巧，便于携带，价格合适的特点，非常适合于在各个领域使用，但由于铷原子的原子特性的原因，铷钟并不具有铯钟和氢钟那样优秀的长期稳定度，因而需要校准。为了提高铷钟的长期稳定度，可以通过使用GPS系统来对铷钟进行控制和校准。

GPS系统通过测量时间差来实现定位测量，为了达到较高的定位精度，GPS系统内部时间测量精度**。通过使用GPS系统来对铷钟进行校正，可以很好的提高铷钟的长期稳定度，降低铷钟输出信号的飘移。

应用领域

铷钟的应用领域主要有三个方面：科研测量，生产制造，广电电力。

在科研测量研究单位，铷钟既可以为测量提供高精度的基准源，也可以作为测量校准仪器的高精度外部时基。

在生产制造领域，铷钟可为需要高精度频率基准输出的生产线提供频率基准输出，这些基准信号被用来对电子产品进行校准。铷钟还可以作为产线测量仪器的外部高精度时基，大大提高产线测试的精度，确保产品质量。

在广电电力系统中，铷钟可以被作为系统的主钟来使用，从而有效地实现系统内部各个部分的同步

星载铷原子钟

高精度星载铷钟是203所专为北斗二代二期工程设计的新一代星载铷原子钟，采用无混频直接频率技术合成方案，保证了微波电路的频谱对称稳定、噪声低、功率稳定性高的特点；其次，对铷钟关键伺服电路，尤其是对低噪声高频谱纯度微波电路和低噪声锁频环路进行了设计改进与优化提高，保证了铷钟的稳定性，取得了良好的测试结果，使产品性能达到了设计预期。

不同类型原子钟的比较

       铷钟与铯钟和氢钟相比，体积较小，重量较轻，耗电较少。有比较好的短期频率稳定度，在时间常数小于1000S时优于铯钟。老化率优于晶体钟，预热时间也较短。价格比铯钟低。

       铯钟长期频率稳定度性能非常好，没有老化现象，但能耗高、体积较大，价格贵而且铯束管的寿命为3~5年，届时需更换。

       氢钟具有**的频率稳定度，但体积大，能耗高，价格也高，7年左右需更换氢元素。

SYN3204型GPS北斗驯服铷原子频率标准是一款自主研发生产的的高精度GNSS频率标准，符合JJG 292-2009铷原子频率标准检定规程，接收GPS北斗卫星信号，使铷振荡器输出频率同步于GPS北斗卫星铯原子钟信号上，提供铯原子钟量级的高精度时间频率信号，是计量通信广电等部门替代铯钟的高性价比时频产品。

该铷频标输出多路10MHz/5MHz/1MHz/1PPS等，并配有上位机校时软件，用于同步电脑时间，前面板显示收星颗数，工作模式，时间信息，经纬度高度等位置信。并具有初始守时时间任意设置功能，单GPS、单北斗和GPS北斗混合三种卫星模式选择功能，自动熄屏功能和守时模式手动开启功能。该铷频标广泛应用于无线电导航与定位、数字通讯工程、时间频率测量等领域。

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