第8章 各种物理量的测试计量

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1、第8章 各种物理量的测试计量 第8章 各种物理量的测试计量 8.1 时间频率计量测试8.2 电磁学计量测试 8.3 电子计量测试 习 题 第8章 各种物理量的测试计量 8.1 时间频率计量测试 8.1.1 基本概念时间是一个基本的物理量，它的单位是秒（s）。 在单位时间内周期运动重复的次数称为频率，它的单位 是赫兹（Hz）。在SI中，秒是基本单位，赫兹是导出单位。时间的量纲和频率的量纲是倒数关系。 历史上都是通过天文观测和计算的方法获得准确秒的。随着科技的进步，时间单位秒的确定也经过了世界 时、历书时和原子时的过程。 第8章 各种物理量的测试计量 根据地球自转所形成的昼夜变化，通过天文观测可以

2、定出的太阳日被称为视太阳日。 将每太阳日均分为86 400等份，可以得到时间单位秒。 但从全年来看，这个时间单位值仍然是变化的。 因为随着季节的变化，每个视太阳日的长短也有所变 化， 其中最长和最短的视太阳日之差会达到51 s。 为了得到全年一致的时间单位值，把全年长短不等的视 太阳日加以平均，得到一个平太阳日，再将平太阳日 分为86 400等份， 每一份便是时间单位秒。 世界时UT秒定义为：1 s等于平太阳日的86 400分之一。 第8章 各种物理量的测试计量 只有时间单位和计时系统（如钟）还不能完全决定时间， 即只能得到时间间隔， 而不能得到时刻， 也就是说 ，还需要一个起点。为了统一全世

3、界的时间， 经1884年国际子午线会议决定，以通过英国格林威治天文台的经线 作为计算全球经度的起点（0）， 每隔15定一条标准经线， 在其两侧各730的地区（时区）内均采用标准经线处的地方时，称为该时区的标准时（或区时）。这样，全 球一共分成24个时区, 相邻时区的标准时相差1小时。世界各地的标准时， 都归算到零时区的标准时（格林威治平 太阳时），称为世界时。 时刻的起点为1858年11月17日0时。 第8章 各种物理量的测试计量 由于科学技术的发展，尤其是石英晶体振荡器和石英钟的出现并用于守时，人们发现地球的自转是不均匀的， 在不同的年度得到的世界时秒长并不一致， 其精度 只达到10-8左右

4、。 1960年第十一届国际计量大会决定采纳基于地球公转周期的历书时ET秒定义： “秒为1900年1月0日历书时12时起算的回归年的1/31 556 925.9747。 ”历书时虽然在理论上是一种均匀时标， 但是观测比较困难， 而且需要长年累月地进行。利用对太阳和月亮 的综合观测三年的资料才能得到10-9的精度。 第8章 各种物理量的测试计量 随着量子理论和电子学的发展，人们认识到，原子或分子只处于一定的量子能级，当它从一个能级跃迁到另一 个能级时， 将辐射或吸收一定频率的电磁波。这种电磁波 的频率稳定性相当高， 远远超过世界时和历书时所依据的 天文标准， 若用其来定义秒， 可以使秒的精度大大提

5、高。1967年第十三届国际计量大会通过新的原子秒的定义 ： “秒是与铯-133原子基态的两个超精细能级间跃迁相对应 的辐射的9 192 631 770个周期的持续时间。” 原子时AT的 时刻起点为1958年1月1日0时。 目前， 铯原子钟的精度已经达到10-15量级，也就是数 百万年不差一秒。 第8章 各种物理量的测试计量 国际原子时TAI的稳定性是由分布于世界各地的、 隶属于十多个国家的数十家实验室的原子钟定期比对 来保证的。 这些原子钟的比对是通过罗兰-C系统、 电 视与GPS系统进行的。 比对的不确定度根据比对方法 的不同而不同， 但都小于0.2 s。 国际原子时从1975年开始发布，

6、作为统一全世界时标的基础。 原子频标的建立使人们摆脱了以地球自转为基础的世界时， 获得了高度准确的时间频率。 但是这对于 那些与地球自转角位置密切相关的、 适应于不均匀的 世界时的工作， 比如船舶定位、 大地测量等来说， 则 有些不便。 第8章 各种物理量的测试计量 为了解决这个问题， 提出了以“闰秒”作为协调的办法。 当世界时由于地球自转速度的变化而与国际原子时不一致时， 则在适当的时刻增加一秒（闰秒）或减少一秒（负闰秒）， 使两者的时刻基本一致， 这就是协调世界时。 协调世界时的秒长与原子时一致， 而时刻则是利用闰秒协调来与世界时一致（两者的时差 控制在0.95 s以内)， 这就可以满足各

7、方面的需要了。 协调世界时的起点是1960年1月1日世界时0时。 从1972年起， 世界各国的标准频率和时号发播台都正式播发 协调世界时。 1974年国际上确定把协调世界时作为国际的法定时间。 第8章 各种物理量的测试计量 截至1983年6月底， 协调世界时已比国际原子时落后了21 s。 实施闰秒的具体时间， 一般是在当年的6月30日或12月31日的最后一分钟，由国际时间局综合世界各国天文台的观测结果来确定，并提前两个月发出 公告， 全球统一行动， 要求时间同步到1 ms以内， 频率同步到110-10以内。 第8章 各种物理量的测试计量 8.1.2 时间频率标准时间频率标准包括精密钟、 音叉、

8、 高稳定度石英晶体振荡器和各种原子频率标准。 原子频率标准(简称频标)可以分为主动型（有源）和被动型（无源）两种。 主动型的有氢激射器、 铷激射器等， 由量子振荡器直接输出标准频 率信号； 被动型的有铯束原子频率标准(简称铯原子标准)、 气泡型铷原子频率标准和吸收型氢原子频率标准等， 它们的量子系统不能直接输出标准频率信号， 而是通过量子系统的受激跃迁吸收程度（谐振与否）得到误差信号， 来修正压控晶体振荡器的频率， 由晶体振荡器输出标准频率信号。第8章 各种物理量的测试计量 目前的各类原子频率标准，无论是主动型的，还是被动型的，全都采用了锁定晶体振荡器输出标准频 率信号的途径，所输出频率信号的

9、频率值都是10 MHz或者5 MHz。所以，也可以说原子频率标准也是一种特殊的压控晶体振荡器VCXO，在其压控电压的形成过程中， 有不同的量子部分参与。在时间频率计量中应用最多的是晶体振荡器。 同时它也是各类原子频标构成的基础之一。 第8章 各种物理量的测试计量 1. 原子频标的基本原理根据量子理论，原子和分子只能处于一定的能级， 其能量不能连续变化，而只能跃迁。 当它们由一个能级向另一个能级跃迁时，就会以电磁波的形式辐射或吸收能量， 其频 率f严格地决定于二能级间的能量差， 即式中，h为普朗克常数， E是跃迁能级间的能量差。 若从高能级向低能级跃迁， 便辐射能量； 反之， 则吸收能量。 由于

10、该现象是微观原子或分子所固有的， 所以非常稳定。 若能设法使原子或分子受到激励， 便可得到相应的稳定而又准确的频率。 这就是原子频标的基本原理。 第8章 各种物理量的测试计量 2. 铯原子频标铯原子频标是国际上规定的复现秒定义的标准装置， 有大铯钟和小铯钟两种。 两者原理相同，前者的铯束管大、精度高；后者的铯束管小、精度低， 但是体积小重量轻， 且能长期连续工作。 第8章 各种物理量的测试计量 图8.1.1是铯原子频标的原理图， 它主要由铯束管部分， 产生激励的晶体振荡器、 倍频及频率综合部分， 以及伺服环路部分等组成。 铯原子频标的激励源是石英晶体振荡器，它自身的输出频率并不一定很准确、稳定

11、， 但是它可以用变容二极管进行精细调节。 晶体振荡器的频率信号经过倍频、 综合，达到铯原子特定能级的跃迁频率。在这个频率的电磁波激励下，铯原子便产生相应的能级跃迁，在探测器上也就能够出现跃迁信号。第8章 各种物理量的测试计量 图8.1.1 铯原子频标原理图第8章 各种物理量的测试计量 显然，该跃迁在两频率完全相等时有最大信号。否则，在探测器收到的跃迁信号偏离最大值时，会有一个误差电压输给晶体振荡器， 调节其振荡频率至出现跃迁信号的最大值， 就会使晶体振荡器输出一个稳定的标准频率。 铯原子束管由铯炉、吸铯剂、选态磁铁、均匀磁场（C场）、 磁屏蔽、莱姆塞微波腔、离化器、电子倍增器等组成。当铯炉加热

12、到100左右时， 铯原子便从炉内成束状喷出，飞向探测器。为避免铯原子在飞行中与气体分子碰撞， 强度减弱，整个束管由真空机组抽成高度真空， 约 10-6 Pa。在飞行过程中， 铯原子受到外场激励将有一部分发生能级跃迁。第8章 各种物理量的测试计量 为了从大量原子中识别出这些能级跃迁的原子， 人们设计了一套“束光学”系统， 让原子束两次穿过非均匀磁场。 由于原子具有磁偶极矩， 因此在非均匀磁场中受到横向力的作用， 便发生偏转， 改变运动轨迹。 由于两种能态的铯原子磁矩的符号相反， 所以它们的偏转方向也相反。 这样， 原子在飞经第一个偏转磁铁（也称选态磁铁）间隙时， 便被分成能态不同的两束， 其中只

13、有一束能顺利通过狭缝进入第二个磁铁间隙。 如果这束原子保持原能态不变的话， 则将仍按原来的偏转方向继续偏转， 以致不能被置于中轴线上的探测器收到； 而只有那些发生了能级跃迁的原子， 由于改变了偏转方向， 才能刚好被探测器拾获。 第8章 各种物理量的测试计量 从铯原子频标的原理可以看到， 原子频标就是以稳定时频特征的物理部分为核心，并通过其特定的状态来控制线路 部分达到将晶体振荡器准确锁定在原子标准的准确和稳定性 上， 从而获得高精度的输出。 3. 气泡型铷原子频标气泡型铷原子频标(又称铷原子频标)是使用数量最多的原子频标， 由于线路及工艺发展， 其造价越来越低， 体积 也越来越小， 可望在许多

14、场合下代替高稳定度的晶体振荡器 并获得更高的精度。由于铷原子频标使用的普遍性， 对它的 深入了解可以全面认识原子频标的构成原理， 以及如何通过 特定原子相应能级跃迁这一稳定的自然现象而获得我们需要 的高准确度、 高稳定度的可用频率信号。 因此， 我们把铷 气泡型原子频标作为重点进行介绍。 第8章 各种物理量的测试计量 该频标由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。 误差信号送回压控晶体振荡器， 对其频率进行调节，使其锁定在铷原子特定的能级跃迁所对应的频率上。从总体上看， 铷原子频标含有量子部分（物理部分）和线路部分两大块，

15、因此掌握这两部分的功能和相互间的联系是掌握铷原子频标的关键。 第8章 各种物理量的测试计量 铷原子频标量子部分（物理部分）的功能是： (1） 创造原子超精细能级跃迁的条件； (2） 在外部输入信号的激发下， 产生能级跃迁； (3） 随着能级跃迁， 产生变化的光或电信号作为参考 ，构成对外部压控晶体振荡器的锁定条件。铷原子频标线路部分的功能是： (1） 以压控晶体振荡器为核心，经过频率合成，产生一 个稳定的6834.6875 MHz的频率信号并送入量子部分； (2） 接收由量子部分输出的，含有原子超精细能级跃迁的光、 电信息，通过放大、相检等处理，锁定压控晶体振 荡器的频率。 第8章 各种物理量

16、的测试计量 铷气泡型频标的频率为f=f0+574H0 (8.1.2)式中， f0=6 834 682 614Hz，它是铷原子不受外场影响时的跃迁频率； H0是静磁场强度。 在气泡型铷原子频标中，利用的是基态超精细能级（F=2， mF=0）和（F=1， mF=0）之间的跃迁， 相应的跃迁频率为6834.682 614 MHz。铷气泡型原子频标的工作原理如图8.1.2 所示， 其中，铷原子谐振器由87Rb放电光源、85Rb+滤光泡、87Rb+谐振泡、 微波谐振腔以及光敏管检测器组成。 第8章 各种物理量的测试计量 图8.1.2 铷气泡型原子频标的原理方框图第8章 各种物理量的测试计量 铷原子谐振器的工作原理如下： 利用高频放电把铷原子（87Rb）激发到5P1/2或5P3/2态， 随后， 受激原子自发辐射放出波长为794.7 nm或780 nm的光。 经透镜