[发明专利]基于多普勒效应的提高原子钟精度的实验装置及方法

说明书

本发明公开了一种基于多普勒效应的提高原子钟精度的实验装置及方法。其中，该实验装置基准电磁波时钟输入接口，其与基准电磁波时钟相连，以提供基准计时频率；原子钟电磁波源，其用来提供计时用的正弦电磁波；微波接收处理器，其与测量探头相连；所述测量探头用来接收原子钟电磁波源与基准电磁波时钟的频率信号并传送至微波处理器，在所述微波处理器内采用李萨如图测量原子钟电磁波源与基准电磁波时钟之间的频率偏差；频率微调环，其为一圆形微波传输通道，且基于多普勒效应来消除原子钟电磁波源与基准电磁波时钟的频率偏差，以达到提高原子钟的精度。

技术领域

本发明属于原子钟领域，尤其涉及一种基于多普勒效应的提高原子钟精度的实验装置及方法。

背景技术

原子钟是利用原子吸收或释放能量时发出的电磁波来计时的。由于这种电磁波非常稳定，再加上利用一系列精密的仪器进行控制，原子钟的计时就可以非常准确了。现在用在原子钟里的元素有氢(Hydrogen)、铯(Cesium)、铷(rubidium)等。原子钟为天文、航海、宇宙航行这些导航系统提供了强有力的保障。

根据原子物理学的基本原理，原子是按照不同电子排列顺序的能量差，也就是围绕在原子核周围不同电子层的能量差，来吸收或释放电磁能量的。这里电磁能量是不连续的。当原子的电子从一个“能量态”跃迁至低的“能量态”时，它便会释放电磁波。这种电磁波特征频率是不连续的，这也就是人们所说的共振频率。同一种原子的共振频率是一定的—例如铯133的共振频率为9192631770Hz。因此铯原子便用作一种节拍器来保持高度精确的时间。目前国内铯原子钟达到的最高：5*10^-13。

目前，原子钟被应用于导航系统中，而原子钟就需要用到原子钟的时钟频率来计时，原子钟的误差直接影响导航定位的精度。因此，为了提高原子钟的精度，亟需研发一种提高原子钟精度的装置来提高导航系统时间的准确性。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明的第一目的是提供一种基于多普勒效应的提高原子钟精度的实验装置，其结构简单且能够显著提高原子钟的精度。

本发明的一种基于多普勒效应的提高原子钟精度的实验装置，包括：

基准电磁波时钟输入接口，其用接收外部精准时钟电磁波，作为基准电磁波；

原子钟电磁波源，提供计时用的正弦电磁波，稳定高，精度高；

微波接收处理器，其与测量探头相连；所述测量探头用来接收原子钟电磁波源与基准电磁波时钟的频率信号，并传送至微波处理器，在所述微波处理器内采用李萨如图测量原子钟电磁波源与基准电磁波之间的频率偏差；

频率微调环，其为一圆形微波传输通道，且基于多普勒效应来消除原子钟电磁波源与基准电磁波时钟的频率偏差，以达到提高原子钟的精度；

若原子钟电磁波源输出的频率大于基准电磁波时钟的频率，则原子钟电磁波源不动，测量探头沿圆形微波传输通道远离原子钟电磁波源，即沿逆时针方向在频率微调换滑动，由于多普勒效应，使接收到的频率比波源频率低；如果速度适当，正好抵消波源频率偏高基准时钟信号，接收到的电磁波信号频率比波源更接近基准时钟频率，计时精度得到提高；

若原子钟电磁波源输出的频率小于基准电磁波时钟的频率，则原子钟电磁波源不动，测量探头沿圆形微波传输通道靠近原子钟电磁波源，即沿顺时针方向在频率微调换滑动，接近波源。由于多普勒效应，接收到的频率比波源频率高；如果速度适当，正好抵消波源频率偏低基准时钟信号，接收到的电磁波信号频率比波源更接近基准时钟频率，计时精度得到提高；

其中，圆形微波传输通道的半径和测量探头沿圆形微波传输通道运动的速度均由原子钟电磁波源与基准电磁波频率偏差来确定。

进一步的，所述原子钟电磁波源与基准电磁波时钟输出的频率偏差与测量探头沿圆形微波传输通道运动的速度之间的关系式为：