1 引言
原子鐘是標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間產(chǎn)生與保持中的關(guān)鍵設(shè)備，中科院國家授時(shí)中心的守時(shí)原子鐘多年來一直依賴進(jìn)口,，美國作為當(dāng)今世界上高精密守時(shí)鐘的主要生產(chǎn)國家對我國實(shí)行嚴(yán)格的出口限制,。上海天文臺1970年開始?xì)溏娧兄?，其真正?shí)用型氫鐘的研制成功是在1987年。這種氫鐘從1989年開始,，已先后生產(chǎn)了四十多臺,，用于中國VLBI網(wǎng)、衛(wèi)星測控,、計(jì)量以及導(dǎo)航定位系統(tǒng)等國家重要科學(xué)試驗(yàn)項(xiàng)目及軍工任務(wù)中,。然而，由于大多數(shù)該類型氫鐘的長期穩(wěn)定度性能較低（未進(jìn)入10-15）,，更重要的是其可靠性,，尤其是長期運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性指標(biāo)較低，不能滿足高精密守時(shí)的需要,，因此一直以來主要作為頻率標(biāo)準(zhǔn)使用,。
上海天文臺前期研制生產(chǎn)的40臺左右的氫鐘實(shí)際使用表明：(1)大多數(shù)氫鐘的長期穩(wěn)定度性能較低，未進(jìn)入10-15 ,；(2)其可靠性,，尤其是長期運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性指標(biāo)也低。實(shí)際使用中所暴露出的不可靠性問題,，主要集中在真空鈦離子泵高壓打火和真空系統(tǒng)微漏氣,。鈦泵打火使真空背景瞬間變壞，影響脈澤振蕩,，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致鎖相系統(tǒng)瞬間失鎖,，使輸出頻率發(fā)生變化；而真空系統(tǒng)漏氣,，使真空本底壓力升高,，氫工作流量增大，加重鈦泵負(fù)擔(dān),，縮短鈦泵壽命,。
守時(shí)型原子鐘要求具有很高的長期運(yùn)轉(zhuǎn)可靠性和穩(wěn)定性，在中國科學(xué)院知識創(chuàng)新工程經(jīng)費(fèi)的支持下,，經(jīng)過技術(shù)準(zhǔn)備,，上海天文臺開始了為國家授時(shí)中心時(shí)頻基準(zhǔn)系統(tǒng)研制守時(shí)型氫鐘" title="守時(shí)型氫鐘">守時(shí)型氫鐘的工作。兩臺主動型氫鐘H45和H46于2005年初運(yùn)抵國家授時(shí)中心,。國家授時(shí)中心時(shí)頻基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室隨即展開測試驗(yàn)收工作,，通過一年多嚴(yán)格和全面的測試，基本掌握了該種鐘的運(yùn)行特性,，目前這兩臺鐘已經(jīng)加入NTSC的守時(shí)系統(tǒng),，其時(shí)差數(shù)據(jù)也定期報(bào)送BIPM。通過對測試數(shù)據(jù)和問題的分析反饋,，也為守時(shí)型氫原子鐘的生產(chǎn),、設(shè)計(jì),、改進(jìn)提供了依據(jù)。
2 針對國產(chǎn)氫鐘性能的改進(jìn)
改進(jìn)主要針對改善長期運(yùn)轉(zhuǎn)可靠性,、改善溫度效應(yīng)從而提高穩(wěn)定性能指標(biāo)方面來進(jìn)行：
?。?）真空泵用美國Varian公司的鈦離子泵代替。近一年多的考機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn),，未發(fā)現(xiàn)明顯的高壓打火現(xiàn)象,。克服了國產(chǎn)鈦離子泵經(jīng)常高壓打火這一弊端,；
?。?）原子儲存泡由圓形改為橢球泡，避免圓形泡內(nèi)微波電磁場有可能存在的相位相反方向問題,，有效地增加了填充因子10%以上,。
（3）磁屏蔽筒壁厚由0.9mm增加到1.2mm,，改善了屏蔽系數(shù),，有效地增加了磁屏蔽效果。（引自王義遒老師的《量子頻標(biāo)原理》第433頁公式7.4.12）
?。?）諧振腔端面及蓋板處理工藝的改進(jìn),，將諧振腔端面與蓋板之接觸面拋光到光學(xué)平，是這兩臺氫鐘與上海天文臺以往氫鐘另一個(gè)顯著不同之處,。這種措施對氫鐘的長期穩(wěn)定度和頻率漂移率將有明顯改善,，這由下面分析可以看出。腔頻變化引起氫脈澤輸出頻率的變化由下式表示：
對于典型的氫脈澤腔,，它的共振頻率對腔長的變化率近似為10MHz/cm,，對于Q腔/Q線～10-5,則腔長變化一個(gè)原子的線度（10-8cm）將引起鐘輸出的相對頻率變化10-15。
（5）電子學(xué)系統(tǒng)的改進(jìn)：
A．溫度控制
改變恒溫控制電路,，原控制電路為固定增益式,，現(xiàn)改為反饋放大式，使溫度控制精度從5％到2%,。鐘的溫度系數(shù)從1E-13改善到<5E-14,。
B．鐵氧體隔離器改進(jìn)
隔離器隔離度從30dB升高到60dB。高頻放大器噪聲系數(shù)從1.5dB降低0.7 dB,。
C．自動調(diào)諧器
原自動調(diào)諧器溫漂較大,，改進(jìn)其中的電路：
（1）移相器原為模擬電路,，其中用到了較大的電阻和電容,，存在溫度效應(yīng)，現(xiàn)改成數(shù)字移相,，去掉了電阻電容,。
?。?）積分器原采用的是運(yùn)放LF356，零漂為5uV/ ℃ ,，現(xiàn)改用AD8610，零漂為0.5uV/ ℃ ,。
經(jīng)以上改進(jìn)后,，有望改善氫鐘的溫度效應(yīng)。
圖1 NTSC不同類型守時(shí)鐘的日差曲線
3 國產(chǎn)氫鐘性能初步測試
噪聲和波動情況反映的是鐘的短期頻率穩(wěn)定性情況,。圖1是NTSC守時(shí)系統(tǒng)中不同類型原子鐘的日差曲線,。從圖中可以看到，H45和H46的短期頻率波動要明顯大于Sigma-tau氫鐘,，與5071A銫鐘相當(dāng),；曲線中速率突變的地方是因?yàn)殓姺繙囟葎∽円鸬模洵h(huán)境溫度帶來的時(shí)差變化約為10ns/±1oC,。然而,，同時(shí)可以看到，兩臺Sigma-tau氫鐘具有明顯的速率漂移,，其后果是盡管其短期波動小,，但在TAI歸算中的權(quán)重依然很低（H45和H46與其相當(dāng)），這是由于國際原子時(shí)TAI歸算方法（ALGOS算法）主要考察的是守時(shí)鐘的長期穩(wěn)定性能,。
兩臺國產(chǎn)守時(shí)型氫鐘經(jīng)過一年多時(shí)間的運(yùn)行,，從守時(shí)工作的連續(xù)、可靠運(yùn)行要求來看,，其中一臺鐘（H45）出現(xiàn)多次技術(shù)故障,，可靠性差，難以做為守時(shí)鐘使用,；另外一臺H46基本上連續(xù)運(yùn)行,，表現(xiàn)良好。
從兩臺氫鐘開始運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)差數(shù)據(jù)來分析其性能,，可以得到如下結(jié)論：兩臺鐘短期頻率起伏均較大,，比5071A高性能管略差。后來通過給兩臺鐘更換綜合器FPGA芯片以后,，使其溫度效應(yīng)明顯改善,，鐘穩(wěn)定性提高，目前,，H45和H46的短期頻率波動比Sigma-tau氫鐘略大,，與5071A銫鐘相當(dāng)。從而可以看到,，國產(chǎn)氫鐘仍然有提高其穩(wěn)定性的潛力,，這需要研制單位根據(jù)測試結(jié)果,，特別是長期運(yùn)行性能來不斷加以改進(jìn)。
鐘的穩(wěn)定度測試采用比對數(shù)據(jù)分析計(jì)算來得到,。表1和圖2為選擇某段時(shí)期氫鐘房環(huán)境溫度恒定時(shí)三類守時(shí)鐘（美國Sigma-tau,上海氫鐘H46,，銫5071A）相對于12臺5071A銫原子鐘平均時(shí)間尺度TA’(12Cs)的穩(wěn)定度（日期：2006年4月15日- 5月15日）,穩(wěn)定度的計(jì)算采用Allan方差（公式略）。從初步計(jì)算結(jié)果看,，在環(huán)境溫度保持穩(wěn)定（溫度變化小于±0.5oC）時(shí),，H46短穩(wěn)略差于美國氫鐘，中,、長穩(wěn)后與Sigma-tau相當(dāng),，當(dāng)然由于采樣時(shí)間短，因此其性能還需要更多數(shù)據(jù)來論證,。
表1 三種守時(shí)鐘相對于TA’(12Cs)的穩(wěn)定度
圖2 NTSC三類守時(shí)鐘相對于TA’(12Cs)的穩(wěn)定度
4 結(jié)論
從技術(shù)層面來說,，國產(chǎn)氫鐘經(jīng)過許多年的努力，通過不斷的技術(shù)革新如真空,、儲存泡,、磁屏蔽等,比較起以前產(chǎn)品來說,穩(wěn)定度和可靠性有了顯著的提高。其不足是：連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的能力尚需進(jìn)一步改進(jìn),，這是做為守時(shí)鐘的基礎(chǔ),。同時(shí)，要進(jìn)一步改進(jìn)短穩(wěn)及相躁,，以得到良好的穩(wěn)定性能,。
總之，國產(chǎn)氫鐘在高精密守時(shí)應(yīng)用中取得了可喜的成績,，但是要真正替代進(jìn)口,，滿足守時(shí)鐘關(guān)于穩(wěn)定性、可靠性的要求還需要作進(jìn)一步改進(jìn),。同時(shí),，在改進(jìn)加工工藝、增加輔助系統(tǒng)如直流供電和內(nèi)部干電池等方面還需進(jìn)一步努力,。