第二代超稳定激光钟

空军为着满足其各种先进战斗机的需要已提出建立精密惯性导航及高准确度定时频率源系统。作者曾提出,采用改进的多频环形激光陀螺仪(RLG)同时作为陀螺仪和钟的方法。这种部件采用附加了检波器的多频环形激光陀螺仪(RLG)。检波器用以检出两拍频信号(各为约582MHz),再经必要的电子线路以产生5MHz的钟信号。激光钟具有体积小,价格低和具有冗余的特点。对于已配备了RLG导航仪的飞机,只需另加检波及输出的电子部件,就可实现钟的功能。RLG导航仪在附加上数据采集和设备维修这些设备后所增加的费用是很少的。由于在三轴导航仪中配备了三个钟,因而具有冗余的特性。本文是去年频率控制年会上所介绍文章的继续。所采用的环形激光器是Raythton RB-25型非平面He-Ne激光器,其光程为25.69cm。去年报道的最佳数据是从作为工作样机的RLG的68号激光器获得的。估计两个主要误差源为(1)由海森伯格不确定性原理所决定的量子极限;(2)法拉第转子引起的频移中由温度引起的漂移。现在的工作并不是设法通过增加激光功率或提高腔Q来减小量子极限,因为改善量子极限,需要研制新的激光器。由于经费有限,目前尚未开展这方面的工作。现在主要是致力于改进法拉第转子的频移随温度而变化的特性。在新的电子系统中采用一个检波器测量顺时针拍频,另一个检波器测量反时针拍频,将两拍频相加后再分频至5MHz。环形激光陀螺钟是一种传递型频标,因而在使用前必须调节到参考频率源的频率上。现在可作为参考的方法有:全球定位系统(GPS)、联合作战信息发布系统(JTIDS)、雷达技术及直接与一时间标准相连接等方法。     

导航星全球定位系统(GPS)在计量测试中的应用

导航星全球定位系统(GPS)因其具有高精度及全球复盖的特点,同时其用户为无源的工作方式,使其成为一种新型的导航系统,但它是建立在精密测时基础上定位的,因而又很适于作高精密时间发布系统,使其将在计量测试特别是时间频率方面获得广泛的应用。本文主要介绍GPS系统在时间频率计量方面应用的基本原理及性能,同时将介绍美国主要的三个研究机构有关GPS应用研究的情况,文末将简介民用的前景。     

汞-199离子储存频率标准近期的理论进展和实验结果

储存在射频四极陷阱(Trap)中的199Hg离子在4O.5GHz频率时的超精细谐振,证明具有极窄的相对线宽,因而被选作为高精密的频率标准。引起该类频标频率变化的主要因素是因储存离子运动产生的二阶多普勒频移,采用少量低压气体作为背景,使运动的离子被致冷至300K所形成的离子云的密度几乎完全决定于伪电势与空间电荷力的平衡。我们发现在这种情况下,根据陷阱参数、温度和储存离子的总数和质量可以准确地计算出二阶多普勒频移。用氦作为致冷气体所进行的大量实验表明,由射频脉冲宽度限制的谱线宽度为0.85Hz。根据所观测到的谱线形状可以预计自然线宽将小于0.1Hz。采用闭环稳定储存离子数的方法,已能使测得的二阶多普勒频移达n×10~(-13)量级。     

用激光致冷的精确的~9Be+原子钟

在原子频标中采用激光致冷储存离子,因其大大地抑制了多普勒效应,将有可能达到非常高的准确度。利用~(201)Hg~+基态超精细跃迁的原子钟,其准确度与稳定度都可能超过1×10~(-15)量级。但用激光致冷的~9Be~+离子更易于用实验方法获得。所以,研究~9Be~+频标是为了研究离子储存频标中激光致冷的一般性问题。实验中约有300个~9Be~+离子储存在一彭宁陷阱(PenningTrap)中,用激光对其致冷。在～0.82T磁场时,观测到频率为303MHz的基态(MI,MJ)=(-3/2,1/2)→(-1/2,1/2)核自旋翻转超精细跃迁,其跃迁频率与一阶磁场无关。用时域Ramsey询问法测得线宽为25MHz。被锁定到该跃迁频率上的振荡器的稳定度达:采样时间间隔为400s<τ<3200s时(τ)≌2×10~(-11)。用测量离子速度分布的方法测定二阶多普勒频移约在5×10~(-14)量级。在本实验中,磁场不稳定性影响约在3×10~(-14)量级。所有其它系统误差估计皆小于3×10~(-14)。     

Rb~(87)激射器的短期频率稳定度及系统效应

本文主要分析与估算铷(Rb)激射器可能达到的频率稳定度,并研究有关光抽运率、泡温、耦合系数及接收机噪声等因素的影响。对上述各系统效应对激射器频率的影响作了分析。实验证明它们主要对长于一秒的频率稳定度有影响。如何控制激射器的各主要参数使其产生的相对频移小于1×10~(-14)分别进行了估算。     

超导腔稳频红宝石激射器振荡器

本文介绍一种新型全致冷频率源——超导腔稳频激射器振荡器(SCSMD)的稳定度分析、性能及设计。文中还将介绍该振荡器的各个部件的实验研究结果。它将充分证明采用这一技术方案有可能使频率稳定度达到优于△f/f=10~(-17)的水平。以前设计超导腔稳频振荡器,采用低温下的铌腔与室温下的微波电子器件相结合的方案。但据报道这种方案所能达到的最佳频率稳定度仅为△f/f=3×10~(-16)。这主要是因电子系统与腔体互连的部分不稳定影响了长期性能。但全致冷的方案却不存在这一问题,因为热膨胀系数被冻结(freezing-out)以及完全没有热梯度。红宝石激射器在目前所有微波放大器中噪声温度最低(1.5k),看来它是用于全致冷振荡器的较理想的器件。它的有效输出功率(～10~(-7)W/cm~3在4.2k)足以用来进行时间长于一秒的测量。另外,它具有相当高的增益(Q_m=-100)使得仅需振荡器与稳定腔之间保持很弱的耦合即可。此外,它本身的功耗也很小,即使在低至1k时也能与腔体工作在同一温度环境条件下。但激射器的工作和调谐却需外加磁场,这就产生了一个很重要的技术问题,即需要对超导腔加以磁屏蔽,同时磁场的变化还将产生频率的牵引。为此,文中介绍了采用多腔方案来解决这一问题。该方案将红宝石部件与超导腔隔开一段距离。我们还将谈到具有较大频率牵引效应的低Q腔稳定的激射器振荡器的频率稳定度。最后,本文将介绍有关研制结构最坚固的超导腔的结果。兰宝石的热膨胀系数仅为铌的百分之一,其微波损耗在1.5k时,目前已达的最低值为7×10~(-10)。在兰宝石上镀超导体的谐振腔可达(按设计要求值)Q=10~8。