Водородные атомные часы — это разновидность атомных часов. Благодаря своему уникальному принципу и превосходным характеристикам они занимают важное место в области высокоточного измерения времени и частоты.

1.Основной принцип

Основной принцип работы водородных атомных часов основан на переходе определенного энергетического уровня атомов водорода. Ядро (протон) атомов водорода обладает спиновыми свойствами, а электроны также обладают спином. Когда направления спина электронов и протонов параллельны и антипараллельны, в энергетическом состоянии атомов водорода наблюдается небольшая разница. Переход между этими двумя состояниями соответствует определенной частоте. В водородных атомных часах сначала выбирается состояние атома водорода и вводится в накопительный пузырек, изготовленный из специальных материалов, который помещается в микроволновую резонансную полость. Когда частота перехода атома водорода совпадает с частотой резонансной полости, происходит резонанс, тем самым генерируя очень стабильный частотный сигнал, который служит эталоном времени водородных атомных часов.

2.Структурный состав:

Атомная система:

Включая источник пучка атомов водорода, селектор состояний, накопительный пузырь и резонансную полость. Источник пучка атомов водорода генерирует пучок атомов водорода, селектор состояний выбирает атомы водорода в определенном состоянии, накопительный пузырь используется для хранения атомов водорода, а резонансная полость обеспечивает среду, которая соответствует частоте перехода атомов водорода.

Микроволновая система:

Генерирует и управляет микроволновыми сигналами для стимуляции перехода энергетического уровня атомов водорода и обнаруживает резонансные сигналы.

Электронная система:

Обрабатывает и усиливает сигналы, генерируемые микроволновой системой, и регулирует частоту микроволн посредством мониторинга и обратной связи резонансного сигнала, чтобы поддерживать ее соответствие частоте перехода атомов водорода, тем самым поддерживая стабильную частотно-временную выходную мощность.

Эксплуатационные характеристики:

Сверхвысокая краткосрочная стабильность:

Стабильность частоты водородных атомных часов чрезвычайно высока в течение короткого периода времени (например, от секунд до часов), что позволяет им хорошо работать в некоторых приложениях, требующих краткосрочной точности времени, таких как интерферометрия в радиоастрономии, эксперименты по квантовой физике и т. д.

Небольшой долговременный дрейф частоты:

Хотя различные типы атомных часов имеют свои собственные характеристики в долговременной стабильности, долговременный дрейф частоты водородных атомных часов относительно невелик. После надлежащей калибровки и обслуживания они могут сохранять высокую точность в течение длительного времени, обеспечивая надежную поддержку для систем, которым требуется долговременная стабильная временная привязка.

Размер и энергопотребление:

По сравнению с некоторыми другими типами атомных часов (например, цезиевыми атомными часами) водородные атомные часы больше по размеру и имеют относительно более высокое энергопотребление. Это в определенной степени ограничивает их применение в некоторых портативных устройствах со строгими требованиями к размеру и энергопотреблению, но в стационарных установках или случаях с чрезвычайно высокими требованиями к точности их эксплуатационные преимущества достаточны, чтобы компенсировать этот недостаток.

Области применения:

Научные исследования:

В радиоастрономии требуется точная синхронизация времени между несколькими радиотелескопами для интерферометрических измерений с целью получения изображений небесных тел с высоким разрешением. Высокоточный стандарт времени водородных атомных часов может удовлетворить эту потребность и помочь астрономам более точно наблюдать и изучать небесные тела во Вселенной. В экспериментах по квантовой физике, таких как квантовая запутанность и квантовая коммуникация, точное измерение времени имеет решающее значение для успеха эксперимента, и водородные атомные часы обеспечивают надежную гарантию времени для этих экспериментов.

Спутниковая связь и навигация:

В системах спутниковой связи водородные атомные часы используются для обеспечения точных стандартов времени, чтобы гарантировать точную связь между спутниками и между спутниками и наземными станциями. В спутниковых навигационных системах, хотя рубидиевые и цезиевые атомные часы в настоящее время широко используются, высокая точность водородных атомных часов может дополнительно повысить точность навигационного позиционирования, особенно в некоторых прикладных сценариях с чрезвычайно высокими требованиями к точности, таких как аэрокосмическая промышленность, картографирование океана и т. д.

Метрология и калибровка:

Водородные атомные часы, как высокоточный стандарт времени и частоты, широко используются в области метрологии и калибровки, применяются для калибровки других атомных часов, стандартов частоты, а также различных приборов и оборудования, требующих точного измерения времени и частоты, для обеспечения точности и последовательности измерения времени и частоты.