1 引言

        原子钟是标准时间产生与保持中的关键设备，中科院国家授时中心的守时原子钟多年来一直依赖进口，美国作为当今世界上高精密守时钟的主要生产国家对我国实行严格的出口限制。上海天文台1970年开始氢钟研制，其真正实用型氢钟的研制成功是在1987年。这种氢钟从1989年开始，已先后生产了四十多台，用于中国VLBI网、卫星测控、计量以及导航定位系统等国家重要科学试验项目及军工任务中。然而，由于大多数该类型氢钟的长期稳定度性能较低（未进入10-15），更重要的是其可靠性，尤其是长期运转的可靠性指标较低，不能满足高精密守时的需要，因此一直以来主要作为频率标准使用。

　　上海天文台前期研制生产的40台左右的氢钟实际使用表明：(1)大多数氢钟的长期稳定度性能较低，未进入10-15 ；(2)其可靠性，尤其是长期运转的可靠性指标也低。实际使用中所暴露出的不可靠性问题，主要集中在真空钛离子泵高压打火和真空系统微漏气。钛泵打火使真空背景瞬间变坏，影响脉泽振荡，严重时导致锁相系统瞬间失锁，使输出频率发生变化；而真空系统漏气，使真空本底压力升高，氢工作流量增大，加重钛泵负担，缩短钛泵寿命。

        守时型原子钟要求具有很高的长期运转可靠性和稳定性，在中国科学院知识创新工程经费的支持下，经过技术准备，上海天文台开始了为国家授时中心时频基准系统研制守时型氢钟的工作。两台主动型氢钟H45和H46于2005年初运抵国家授时中心。国家授时中心时频基准实验室随即展开测试验收工作，通过一年多严格和全面的测试，基本掌握了该种钟的运行特性，目前这两台钟已经加入NTSC的守时系统，其时差数据也定期报送BIPM。通过对测试数据和问题的分析反馈，也为守时型氢原子钟的生产、设计、改进提供了依据。

2 针对国产氢钟性能的改进

        改进主要针对改善长期运转可靠性、改善温度效应从而提高稳定性能指标方面来进行：

　　（1）真空泵用美国Varian公司的钛离子泵代替。近一年多的考机运转，未发现明显的高压打火现象。克服了国产钛离子泵经常高压打火这一弊端；

　　（2）原子储存泡由圆形改为椭球泡，避免圆形泡内微波电磁场有可能存在的相位相反方向问题，有效地增加了填充因子10%以上。

　　（3）磁屏蔽筒壁厚由0.9mm增加到1.2mm，改善了屏蔽系数，有效地增加了磁屏蔽效果。（引自王义遒老师的《量子频标原理》第433页公式7.4.12）

　　（4）谐振腔端面及盖板处理工艺的改进，将谐振腔端面与盖板之接触面抛光到光学平，是这两台氢钟与上海天文台以往氢钟另一个显著不同之处。这种措施对氢钟的长期稳定度和频率漂移率将有明显改善，这由下面分析可以看出。腔频变化引起氢脉泽输出频率的变化由下式表示：

        对于典型的氢脉泽腔，它的共振频率对腔长的变化率近似为10MHz/cm，对于Q腔/Q线～10-5,则腔长变化一个原子的线度（10-8cm）将引起钟输出的相对频率变化10-15。

　　（5）电子学系统的改进：

　　A．温度控制
　　改变恒温控制电路，原控制电路为固定增益式，现改为反馈放大式，使温度控制精度从5％到2%。钟的温度系数从1E-13改善到<5E-14。

　　B．铁氧体隔离器改进
　　隔离器隔离度从30dB升高到60dB。高频放大器噪声系数从1.5dB降低0.7 dB。

　　C．自动调谐器
　　原自动调谐器温漂较大，改进其中的电路：
　　（1）移相器原为模拟电路，其中用到了较大的电阻和电容，存在温度效应，现改成数字移相，去掉了电阻电容。
　　（2）积分器原采用的是运放LF356，零漂为5uV/ ℃ ，现改用AD8610，零漂为0.5uV/ ℃ 。

        经以上改进后，有望改善氢钟的温度效应。

图1 NTSC不同类型守时钟的日差曲线

3 国产氢钟性能初步测试