改善铷原子钟物理部分温度系数的研究

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1、2011年12月第31卷第6期宇航计测技术JournalofAstronauticIⅥetrologyandIⅥeasurementDec．。2011V01．．31。No．6文章编号：1000一7202(2011)06—0008一04中图分类号：TH714．1改善铷原子钟物理部分温度系数的研究张俊翟浩杨炜王世伟陆防卫立勋崔敬忠(兰州空间技术物理研究所，兰州730000)文献标识码：A摘要铷原子钟的温度系数是决定其长期频率稳定度的关键因素，物理部分的温度系数又是铷原子钟温度系数的重要组成部分。为了改善物理部分的温度系数，在理论分析的基础上开展了试验研究，结果表明：提出的改

2、善物理部分温度系数的措施是有效的。这对于进一步提高星载铷原子钟频率稳定度具有积极作用。关键词铷原子钟物理部分温度系数频率稳定性StudyonImproVingTemperatureCoefficientforPhysicalPackageofRubidiumAtomicClockZHANGJunZHAIHaoYANGWeiWANGShi—weiIUFangWEIL0xunC叽Jing-zhong(LanzhouspacetechnologyInstitute。fPhysics，Lanzhou730000)AbstractRmperaturecoefficientofru

3、bidiumatomicclockiskeyfactorththasimportalltiⅢlu—enceonitslongtermfrequencystability．RmperaturecoefficientofphysicspackageisimportantpartofRmpemturecoeffici朗tofrubidiumatomicclockForimprovingtemperatwecoemcient，analyzessomereasonSa11dtakessomeexperimentExperiHlemresultsverifytheseⅥ阻ystha

4、tcanreallyimprOvetem—peraturecoemcientofph”icspackage．Thework谢llbeusefultoimprovingfrequencystabilityofspacebornerubidiumatomicclock’KeywordsRubidiumatomicclockPhysicspackageTemperaturecoefficientFrequencystabilitv1引言气泡型铷原子频标以其体积小、质量低、功耗低、稳定性优良，成为目前应用最广泛的原子频标。它利用87Rb原子基态52S。／。两超精细塞曼子能级F一

5、1，mr—o和F一2，mF—o之间的跃迁频率进行鉴频，经过锁频环路将晶振频率锁定于此跃迁频率‘1

6、。收稿日期：2011一07—18作者简介：张俊(1976一)。男，工程师，主要研究方向：铷原子频标技术研究。铷原子钟由物理部分和电路构成，其中物理部分起原子鉴频器的作用。由铷原子频标理论可知，影响物理部分长期频率稳定度的因素主要有三项：光频移、碰撞频移和微波功率频移[2]。这三种频移量理论上很难精确计算，各因素单独试验测量又比较繁琐，易引入比较大的测试误差。因此，工程上常采用的方法是将铷原子钟底板温度对三种频移的影响进行叠加考虑，即第6期改善铷原子钟物理部分温度系数的研究测

7、试铷原子钟的频率温度系数(简称温度系数)。通过改变铷原子钟底板温度来测试铷原子钟频率准确度的变化量，用频率准确度的相对变化量除以铷原子钟底板温度变化量就得到了温度系数，这种方法在实际研制中简便可行，得到了广泛应用。铷原子钟温度系数的简化模型是：物理部分温度系数与电路部分温度系数的和再除以铷原子钟热增益。铷原子钟的温度系数是决定其长期频率稳定度的关键因素，其中物理部分的温度系数又是铷原子钟温度系数的重要方面。因此，物理部分温度系数的优劣对于改善铷原子钟温度系数具有重要意义。本文主要分析物理部分的温度系数，这对于探索物理部分的性能改进具有积极的意义。2物理部分方案设计物理部

8、分采用两泡(集成滤光系统)、单控温(铷灯泡、吸收泡一体控温)设计方案。物理部分组成框图如图1所示，包括光谱灯，集成泡，微波腔、光电检测电路和控温电路等。图1铷原子钟物理部分组成框图3温度系数与三种频移的关系前面已经介绍了温度系数是三种频移的叠加效应，现在需要对这种关系进行进一步的数学表征。3．1碰撞频移与控温温度的关系碰撞频移经验公式如下[3]vp—P。(p+艿(T—T0))+)，(T一瓦)2(1)式中：v。——碰撞频移，dB旷1；卜：吸收泡温度，近似为物理部分控温温度，℃；To——参考温度点，℃；Po——温度为To时缓冲气体压力，Pa；