I. Основные принципы: переходы атомных энергетических уровней и синхронизация частот
- Механизм перехода энергетического уровня
Рубидиевые атомные часы основаны на переходах между сверхтонкими энергетическими уровнями основного состояния атомов рубидия (Rb). Их собственная частота составляет 6834,682614 МГц. Когда электроны переходят между различными энергетическими уровнями, они поглощают или испускают электромагнитные волны определенных частот. Эта частота имеет чрезвычайно высокую стабильность и становится естественным эталоном для измерения времени. - Оптическая накачка и микроволновый резонанс
- Оптическая накачка: Группа атомов рубидия возбуждается лазерным полем, заставляя электроны перескакивать с низких энергетических уровней на высокие энергетические уровни для достижения выбора атомного состояния. Когда все атомы завершают переход, энергия лазерного поля имеет тенденцию стабилизироваться.
- Микроволновая модуляция: применяется микроволновое поле и его частота регулируется. Когда оно совпадает с частотой перехода атомов рубидия, электроны возвращаются на исходный уровень энергии и повторно поглощают фотоны, что приводит к ослаблению интенсивности лазерного света. Частоту перехода можно точно заблокировать, обнаружив изменение интенсивности света.
II. Состав системы и рабочий процесс
- Ключевые модули
- Рубидиевая квантовая часть: содержит газовую ячейку с атомами рубидия и фотодетектор, которые используются для генерации и обнаружения сигналов перехода.
- Управляемый напряжением кварцевый генератор (VCXO): его выходная частота регулируется сигналом ошибки и в конечном итоге синхронизируется с частотой атомного перехода.
- Сервопривод и фазовая автоподстройка частоты: они преобразуют сигнал атомного перехода в сигнал ошибки, передают его обратно для регулировки частоты кварцевого генератора и формируют замкнутый контур управления.
- Поток обработки сигнала
Сигнал атомного перехода → Умножение частоты СВЧ → Частотная модуляция → Фазовая автоподстройка частоты → Коррекция частоты кварцевого генератора.
III. Эксплуатационные характеристики и сравнение
- Преимущества
- Краткосрочная стабильность: достигает порядка 10⁻¹², что подходит для сценариев, требующих быстрого реагирования.
- Объем и стоимость: Они меньше и экономичнее цезиевых часов, а также имеют короткое время разогрева.
- Ограничения
- Долгосрочная стабильность: скорость старения составляет приблизительно 2 × 10⁻¹⁰ в год, и ее необходимо регулярно калибровать.
- По сравнению с цезиевыми атомными часами долговременная точность рубидиевых часов немного ниже, но их производительность может приблизиться к производительности цезиевых часов за счет увеличения их объема.
IV. Технологическая эволюция и новые разработки
- Рубидиевые часы CPT на базе чипа: они используют технологию когерентного захвата популяции (CPT) и интегрируют микропроцессорное управление для достижения более высокой интеграции и калибровки в реальном времени.
- Оптические часы: в будущем они могут заменить традиционные атомные часы. Их теоретическая погрешность составляет всего 1 секунду за 30 миллиардов лет, но в настоящее время они не нашли широкого применения в спутниковой навигации.
