三千万年误差1秒 铷原子钟就这么神

2018-12-06 08:42 科技日报

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最近,中国航天科工集团二院203所主导研发了一款拥有自主知识产权的超薄铷原子钟,目前已完成研制并实现量产。消息传出,不少小伙伴产生好奇:原子钟是什么钟?

日常生活中使用的钟表,哪怕走得再准,一年下来也会有几十秒的误差。同样是计时,原子钟的精度则不可同日而语。目前用于原子钟的元素包括氢、铯、铷等,精度最高的原子钟,大约每3000万年的误差仅1秒。也就是说,哪怕从恐龙灭绝时走到现在,它的误差也不过两三秒。其中,铷钟是应用最为广泛的原子钟,其体积小、成本低、可靠性和环境适应性好,可大量应用于武器装备、电信、电力等行业。

此次203所研制的超薄铷钟,专为板卡用途设计。科技日报记者从该所了解到,目前许多设备在设计时,都采用标准化的插卡方式,这种模块化设计便于功能扩展及硬件更换维修,已应用于各行各业。

既然叫“板”卡,可想而知它不会太厚。按照行业标准,目前的板卡厚度大多为2厘米。2015年203所曾研发一款高抗振小型铷钟,大小相当于一个手掌,但厚度接近4厘米。而超薄铷钟长、宽仅7.6厘米,厚度更是压缩到1.7厘米,完全符合板卡使用要求。

但要做到超薄,还要符合性能要求并非易事。超薄铷钟内部有个量子系统,是一个物理部件,它的大小和性能指标存在一定的冲突关系。要在减小体积的同时避免性能损失,需要攻克一系列关键技术。

同时,铷钟内部部件工作温度从80多摄氏度到120多摄氏度,将这些高温部件集成在那么小的空间,相互之间难免造成影响,从而影响产品的指标和可靠性,这对热设计等技术也带来很高要求。

成功克服多项难题后研制的超薄铷钟产品,技术指标达到了国际顶尖水平。例如其内置1PPS驯服功能,可以接收任意导航卫星的信号,达到频率校准的目的。也就是说,只要天上的导航卫星信号能被产品接收机接收,它就能达到导航卫星的时间精度,即20纳秒左右量级。

即使失去导航卫星信号,超薄铷钟也会自动进入保持状态。保持时间精度取决于频率稳定性和漂移率,而该产品可以在数天内保持微秒量级守时精度。能稳定地保持时间,正是原子钟存在的意义。

原子钟的应用,如今已渗透到各个领域。

电影里,特警们开展行动前,总会表情严肃地凑到一起,伸出手腕对表,以便统一行动。但在战争中,各个作战系统怎样“对表”?就得靠原子钟了。随着现代战争的发展,精准的时间系统成为网络作战的关键,一旦时间被打乱,整个指挥系统、武器系统将面临瘫痪。

生活中同样离不开原子钟。例如在通讯领域,通讯基站对时间同步有很大需求,在即将来临的5G时代,这一要求将更加严格。在金融领域,原子钟是保证金融网络时间一致性的核心设备之一,如果股票操作产生时间差,可能有人借机进行违规交易。此外在电力、交通等行业,原子钟的作用也日益凸显。

目前这款超薄铷钟,基本已将铷钟产品的尺寸做到了极致。据该项目负责人透露,203所正在研发具有全新机制的芯片原子钟,其尺寸更小、功耗更低。现在该所已制成工程样机,计划于2019年进行量产。

责任编辑:陶国琪(QT0003)