铯喷泉钟系统优化相关技术研究

发布时间：2017-09-25 13:08

  本文关键词：铯喷泉钟系统优化相关技术研究

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【摘要】：时间频率是国家重大信息基础设施和重要战略资源，，是国民经济建设、国防建设和科学研究的重要技术基础。时间频率在全球卫星导航系统、深空探测、基础研究、高速通信、电力电网等领域有重要的应用。依照1967年第十三届国际计量大会(CGDM)通过的新定义，秒的定义从天文秒改为原子秒，这一定义使得秒成为当今世界各种科学技术测量中最为精确的物理单位。铯原子钟是复现秒定义的基准装置，其中最新一代的实验室型基准铯钟——激光冷却-铯原子喷泉钟是目前国际上各国计量院复现现行秒定义的手段。各个国家的铯基准钟的频率准确度代表着国家时间频率计量体系的水平，是一个国家战略竞争力的重要标志之一。代表目前中国最高水平，由中国计量科学研究院自主研发的NIM5铯原子喷泉钟虽然不确定度已经达到2E-15，但目前仍处于国际第二梯队的水平，中国计量科学研究院在对NIM5进行系统维护和改进升级的同时，也一直致力于对新一代NIM6铯原子喷泉装置的研究，有希望使铯喷泉钟的不确定度与稳定度上升到一个新的台阶，进入国际先进行列。 本论文围绕中国计量科学研究院自主研发的已在运行中的NIM5铯喷泉钟以及正在计划搭建的新一代NIM6铯原子喷泉钟展开，对铯喷泉钟系统优化的几个相关技术进行研究，研究的内容主要包含以下几个方面： （1）完成NIM6铯原子喷泉钟激光频率功率控制系统的设计。研究NIM6对激光频率功率的控制要求，设计了基于声光调制器AOM的控制系统，着重介绍了控制系统中的核心部件：声光调制器（AOM）驱动源的设计与制作，并对驱动源的性能进行了测试，测试表明其满足NIM6对激光频率功率的控制要求。 （2）完成NIM6时序及数据采集控制系统的设计。研究NIM6测控系统的控制要求，对系统的硬件进行了选型，根据用户的需求结合硬件在LabVIEW平台上编写了铯原子喷泉钟的控制程序，对系统进行了测试，测试表明软件运行稳定可靠，软件控制下的硬件运行良好，输出与输入满足控制需求。 （3）完成相位波动测量系统的设计与微波干涉开关性质的研究。自行搭建微波相位波动测量系统，对NIM5中使用的微波干涉开关进行了测试，对测试结果进行了分析，并将结果用于NIM5不确定度的评定以及对NIM6的优化之中。
【关键词】：铯原子喷泉钟 激光频率功率控制 时序控制 相位波动 热效应
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH714.1
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 第1章 绪论8-15
• 1.1 量子频标概述9-10
• 1.2 铯喷泉钟简介10-11
• 1.3 铯原子喷泉钟国内外发展现状11-14
• 1.4 论文主要研究内容与思路14-15
• 第2章 铯原子喷泉钟工作过程及其性能评定依据15-23
• 2.1 铯喷泉钟工作过程15-19
• 2.1.1 原子装载冷却15-16
• 2.1.2 上抛过程16
• 2.1.3 后冷却过程16
• 2.1.4 选态过程16-17
• 2.1.5 微波激励过程17
• 2.1.6 探测过程17-19
• 2.2 铯原子喷泉钟性能衡量指标19-22
• 2.2.1 频率准确度19-21
• 2.2.2 频率稳定度21-22
• 2.2.3 频率准确度与稳定度的关系22
• 2.3 本章小结22-23
• 第3章 铯原子喷泉钟激光频率功率控制系统的设计23-40
• 3.1 激光频率功率控制系统总体设计方案23-24
• 3.2 AOM 驱动源设计要求24
• 3.3 基于 DDS 的声光调制器（AOM）驱动源的设计与制作24-39
• 3.3.1 DDS 芯片 AD9954 介绍25-27
• 3.3.2 AOM 驱动源的总体设计27-29
• 3.3.3 基于 LabVIEW 的频率控制软件编写29-34
• 3.3.4 功率控制模块设计34-36
• 3.3.5 AOM 驱动源输出信号测试36-39
• 3.4 本章小结39-40
• 第4章 NIM6 时序及数据采集控制系统的设计与实现40-55
• 4.1 NIM6 时序及数据采集控制系统硬件设计40-44
• 4.2 时序控制与数据采集处理系统软件设计44-51
• 4.2.1 软件需求分析44-46
• 4.2.2 软件设计46-51
• 4.3 时序及数据采集控制系统性能测试51-54
• 4.3.1 时序完整性测试51-52
• 4.3.2 控制时间精度测试52-53
• 4.3.3 时序生成系统同步性测试53-54
• 4.4 本章总结54-55
• 第5章 相位波动测量系统设计与微波干涉开关性质的研究55-63
• 5.1 NIM5 微波源结构55-56
• 5.2 相位波动测量系统设计56-60
• 5.2.1 测量基本原理56-58
• 5.2.2 系统硬件设计58
• 5.2.3 数据处理软件设计58-60
• 5.3 测试结果分析60-62
• 5.3.1 单次开关测试结果分析60
• 5.3.2 两次开关测试结果分析60-62
• 5.4 本章小结62-63
• 结论63-64
• 参考文献64-68
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单68-69
• 致谢69

【参考文献】

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1 王义遒;时间频率量的特征及其对时频系统建设的影响[J];时间频率学报;2003年02期

本文编号：917508