藍寶石時鐘與原子鐘有何區別

天穹電子發表於2022-11-29

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引言

 

在人類定義的七個物理量中,時間是精度最高的;時間的測量精度遠高於其他物理量多個數量級。比如長度的測量到奈米級,已經很難測量了。即便是奈米級,也就是 1E-9量級。然而對於時間頻率的測量而言,數萬元的頻率計即可測量到1E-12量級。目前原子鐘的測量精度可達1E-19量級,遠高於其他物理量的測量精度。

 

由於頻率測量的高精度,許多高精度測量都轉到頻域進行測量;甚至物理量的定義都依賴於頻率;比如米的定義: “光在真空中行進1/299 792 458秒的距離”。

 

根據量子物理學的基本原理,原子是按照不同電子排列順序的能量差,也就是圍繞在原子核周圍不同電子層的能量差,來吸收或釋放電磁能量的。這裡電磁能量是不連續的。當原子從一個 “能量態”躍遷至低的“能量態”時,它便會釋放電磁波。這種電磁波特徵頻率是不連續的,這也就是人們所說的共振頻率。同一種原子的共振頻率是一定的—例如銫133的共振頻率為每秒9192631770周。因此銫原子便用作一種節拍器來保持高度精確的時間。

 

現實世界中許多精密測量都依賴於時頻測量,如衛星導航系統;為了實現定位,衛星必須確保同步傳送訊號;各衛星時間的誤差都需要被精確的監控;衛星主控站擁有數十臺原子鐘,其時間與國際原子時定期比對。

 

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藍寶石時鐘

 

但在許多場合,準確度沒有精密度更重要。準確度英文稱為 “Accuracy”,指在一定實驗條件下多次測定的平均值與真值相符合的程度,它用來表示誤差的大小。

 

精密度是表示測量的再現性,英文稱為 “Precise”,是保證準確度的先決條件,但是高的精密度不一定能保證高的準確度。好的精密度是保證獲得良好準確度的先決條件,一般說來,測量精密度不好,就不可能有良好的準確度。反之,測量精密度好,準確度不一定好,這種情況表明測定中隨機誤差小,但系統誤差較大。

 

原子鐘依賴於原子能級躍遷產生的頻率,這個頻率在檢定和鎖定過程中存在誤差,導致原子鐘精密度不高,但準確度高。

 

 

 

 

藍寶石時鐘是另一種時鐘,其準確度不如原子鐘,但精密度高於原子鐘;藍寶石時鐘相鄰的振盪週期誤差極小,復現一致性好。如果用飛鏢做比喻,原子鐘則瞄準靶心,但誤差較大,分佈在較大的一片區域,如上圖右所示;藍寶石時鐘並不瞄準靶心,飛鏢全部落到一個極小的範圍,但每個飛鏢都是一樣的,如上圖左所示;。在許多場合,人們對準確度要求不高,但對精密度要求極高

 

將藍寶石加工成圓柱形,放入潔淨的銅腔,注入微波訊號,則微波訊號繞著圓周旅行,就像聲音在牆壁上反射一樣;由於這種旅行損耗極小,從而在自然諧振頻率積累了大量的能量。利用這種方法可以構建世界上最精密的振盪器。

 

當把藍寶石冷卻到絕對零度( -267度),其損耗將極大下降,可以做成世界上最精密的時鐘。世界第一臺藍寶石振盪器誕生在澳大利亞西澳大學,主要應用於引力波檢測。這種溫度需要採用液氦製冷方式,液氦製冷價格昂貴,體積龐大,難以推廣使用。藍寶石時鐘通常很難在常溫下使用,需要克服溫度變化、振動和噪聲的影響。 長沙天穹電子科技公司透過多年的努力攻關,解決了這些問題;研製成功我國首臺非低溫型超穩藍寶石時鐘產品。

 

 

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藍寶石時鐘應用

 

對於氣象雷達,由於依賴訊號的回波進行檢測,雷達頻綜對於訊號頻率準確度要求不高,而對訊號頻率精密度要求極高,而藍寶石時鐘就是這樣一種訊號頻率精密度極高的產品。採用藍寶石時鐘作為雷達頻綜基準,可使發射機相位噪聲譜密度降低 ,雷達改善因子提高,顯著提升氣象雷達的探測效能。

 

藍寶石時鐘還可廣泛應用於精密物理測量,比如高效能原子鐘利用原子的能級躍遷來獲得穩定的頻率,然而原子鐘內部需要一個超穩微波源進行激勵,當藍寶石時鐘作為該激勵源時,由於其超穩效能將降低訊號合成噪聲,提升原子鐘的輸出的穩定性。

 

在量子計算領域藍寶石時鐘可提高量子位元的穩定性,從而提升量子計算效率。傳統的計算機將電流斷開、開通產生一個二進位制位元資訊,被 0 或 1 表達;而量子計算機依靠量子位元,量子位元是一種複雜的疊加態,同時可能是1,也有可能是0,其效果是極大的增加了量子位元能編碼的資訊,但量子位元的麻煩在於,它們是瞬時變化且不穩定的;需要一個極為穩定的時鐘來同步多個量子裝置。藍寶石時鐘將產生與量子位元同頻的主時鐘訊號,實現了量子位元的計算。

 

未來的寬頻通訊向高速率、高頻寬的方向發展,藍寶石時鐘可作為寬頻通訊的頻率基準,降低由於頻率抖動帶來的誤位元速率,解決制約寬頻通訊速率提高的瓶頸技術,提升寬頻通訊的效能。未來的儀器裝置從高速模數轉換器和數模轉換器( ADC/DAC)到雷達和基礎研究應用,都需要訊號有更好的頻率穩定性和頻譜純度。藍寶石時鐘為訊號分析儀、網路分析儀、訊號源等儀器的模數和數模轉換提供超穩基準源,大幅減少取樣噪聲,提升訊號分析準確性和精度,為5G、6G和毫米波等高頻訊號分析提供技術保障。

 

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關於述泰時頻

 

       長沙天穹電子是專業的時頻產品供應廠家, “述泰”為公司擁有的註冊商標。公司專注於低加速度敏感頻率控制元件、高Q值諧振器和超低相位噪聲技術領域。公司是國內極少數既能掌握高效能晶體振盪器器技術,又能根據應用場景和客戶需求,提出全套振動環境下高穩定訊號產生方案的企業。


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