时钟原理及同步网基础

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1、第一章时钟原理1.1原子频率标准1.1.1基木原理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足度的振荡器。在通信领域的数字同步网中作为第一级基准吋钟，是同步网中向数字设备提供同步标准信号的最高基准源。1.1.1.1原了的能态和能级跃迁物质由原子组成。原子中含有原子核和外层电子。山于粒子的运动，一个原子可能处于多种状态，并与其所具有的能量相対应。具有最低能量的状态叫基态，受外界影响（如磁场、电磁波辐射等）能量随Z而变化的状态叫受激态。根据原了处于基态及受激态所具冇的能量不同有不同的能量等级。原子能量等级的改变称为能级跃迁。能级跃迁有以下三种方式。一

2、、电子能级跃迁由于质子和电子的相互作用，电子运行轨道半径的变好，通常看作是在电子能级之间的电子跃迁。二、精细结构跃迁通常包括电了自旋的偶极矩和由于电了对原了核的轨道运动的磁场之间的相互作用的能级跃迁。其能量变化约为第一种能级跃迁的l/5（）o三、超精细结构跃迁由于电子的两个磁极对原子核的交互作用，当电子的磁极受到感应而反转时发生超精细结构跃迁，这种很弱的交互作用称为超精细结构跃迁。约为精细结构跃迁的千分0—。1.1.1.2能级跃迁与原子谐振特性当原子由受激状态变到低能量状态时，释放的电磁能称为光子，反之如杲原子吸收了电磁辐射能或光了，也将从低能态跃到高能态。量了力学研究证明，不同

3、能态的能量差与其谐振频率的关系是：F=（E2-El）/h（普郎克定律）式中E2-E1为高低能态的能量差；f为谐振频率（电磁辐射能的谐振频率）；h为普郎克常数（6.6252E-34*J*s）从上式可以看出，如果两个固有的能级在不受外界感应时是不变的，h为常数，则两能级之间跃迁产生的频率是固定的。由于这种特性，可以得到准确而固定的频率。用上述原理制成的原子钟有儿种不同的类型：o原子（使用的元索）类型选择，有氢钟、锥钟及钏钟筹。o有源（或自激）型原子钟，其输出信号是rti原子发牛的辐射电磁波导出，类似于振荡器。。无源（或受激）型原子钟，原子谐振腔当作鉴频器，用以监测和控制压控晶体振荡器

4、，使振荡器的输出频率锁定于原子谐振频率。0原了束经过谐振腔后，冇的不再使用，如锥钟，冇的则包含在容器内，可反复使用，如钏钟。1.1.1.3磁场对能级的影响原子的能级一般按其原子核和外层电子的相互动态关系划分，例如主能级与电子绕原子核的轨道半径有关，更细一些的划分耍按照电子的口旋和原子核的口旋。原子的主能级状态变化通常是在电磁波频谱的红外线或高能区域，频率太高，不能用在实际的电子回路中，原子频率标准Z所以能够实现，是因为原子的基态可以分离，再细分则是电子和原子核的自旋，称为超精细结构，如果再加外部磁场还可以再分出多个了能级，叫塞曼子能，所有的商用原子钟都是在超精细能级的基础上实现的

5、。1.1.1.4能态的选择按普朗克定律，要产生谐振频率必须有原子在两个能级之间的跃迁。一个原子吸收或释放的能量很小，无法检测出并加以利用，必须冇足够数量的原了而R应该使原了在两个能态上的分布数量不同，具有高能态的原子数应该大大多于低能态的原子数。或者相反，既是使两个能态上的原子数有很人的差别。因为两个能态的原子数在温度不高时接近相等，当这种状态下的原了束受到电磁场辐射时，低能态电了吸收能量，高能量的电了放出能量，高、低能态的电了都发牛跃迁，但原子数接近相等，总的能量没有什么变化，无法检测到谐振的信号。所以应当使占绝対多数的电子集中到一个能态上，以便在电磁波的作用下发生跃迁，用以检

6、测谐振信号。磁场选态：原子通过强的可变磁场，原子受到的力正比于磁场对距离的变化率，原子的能量随磁场的增强而增加，低能态的原子向磁场强的区域偏转，而那些随磁场增强而降低了能量的髙能态电子则向相反方向偏转。通过磁场后已将高、低能态的原子分成两束，每束中具有一种能态的原子占绝人多数，完成了选态过程。光抽运选态，使用光学的办法选态，也要用光学的办法检测原了谐振情况。钏原了钟内就采用此种办法，1.1.1.5原子谐振的检测经过选态的原子己具有一足的能级，在微波谐振腔中接收电磁波的辐射，当电磁波信号的频率与能级跃迁的频率相等时则产牛原子谐振。对谐振的检测方法分述如下：1.经过能级跃迁的原子，已

7、由高能态变到低能态，再经过不均匀的磁场，将跃迁后的低能态原子引导到检测装置，当激励信号的频率等于原子谐振频率时，则跃迁的原了最多检测装置收到原子数量多，说明已达到了谐振状态，完成了原子选态检测。2.产牛原子谐振的谐振腔有其口身的谐振频率，英频率山腔体的材料和尺寸决立。如果原子市高能态跃迁到低能态,则释放能量；当进谐振腔的电磁级信号的频率与原了谐振频率相等时，如腔中原了为鬲能态，跃迁后将禅放能量，如产生的能量大于谐振腔的损耗，则将产生自激振荡,或增加外加信号的能量。如腔中原子为低能