(高清版)GBT 39724-2020 銫原子鐘技術要求及測試方法

CCSA57中華人民共和國國家標準鈾原子鐘技術要求及測試方法T2020-12-14發(fā)布2021-07-01實施國家市場監(jiān)督管理總局國家標準化管理委員會GB／T39724—2020 1范圍 2規(guī)范性引用文件 3術語和定義 4銫原子鐘的分類和組成 4.2銫原子鐘產(chǎn)品的分類 4.3銫原子鐘產(chǎn)品的組成 5技術要求 5.1功能要求 5.2性能要求 5.3電氣特性 5.4通信功能要求 5.5供電要求 5.6外觀要求 5.7尺寸和質(zhì)量要求 5.8功耗要求 5.9環(huán)境適應性 5.10電磁兼容性 5.11可靠性和維修性要求 6測試方法 6.1測試環(huán)境條件 6.2測試儀器 6.3測試方法 7檢驗規(guī)則 7.1檢驗規(guī)則說明 7.2鑒定檢驗 7.3出廠檢驗 參考文獻 ⅠⅢGB／T39724—2020本文件按照GB/T1.1—2020《標準化工作導則第1部分：標準化文件的結構和起草規(guī)則》的規(guī)定起草。請注意本文件的某些內(nèi)容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機構不承擔識別專利的責任。本文件由中央軍委裝備發(fā)展部提出。本文件由全國北斗衛(wèi)星導航標準化技術委員會(SAC/TC544)歸口。本文件起草單位：北京大學、中國計量科學研究院、中國衛(wèi)星導航工程中心、中國航天科技集團第五研究院五一。所、成都天奧電子股份有限公司、中國航天科工集團第二研究院二。三所。本文件主要起草人：王延輝、張愛敏、焦文海、劉瑩、王驥、趙杏文、黃凱。1GB／T39724—2020銫原子鐘技術要求及測試方法本文件規(guī)定了銫原子鐘（又稱銫原子頻率標準）產(chǎn)品的技術要求、測試方法和檢驗規(guī)則。本文件適用于銫原子鐘產(chǎn)品的研制、生產(chǎn)與驗收。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。GB/T1002—2008家用和類似用途單相插頭插座型式、基本參數(shù)和尺寸GB4824—2019工業(yè)、科學和醫(yī)療設備射頻騷擾特性限值和測量方法GB/T4857.23—2012包裝運輸包裝件基本試驗第23部分：隨機振動試驗方法GB/T6587—2012電子測量儀器通用規(guī)范GB/T電磁兼容試驗和測量技術射頻電磁場輻射抗擾度試驗GB/T電磁兼容試驗和測量技術電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗GB/T電磁兼容試驗和測量技術射頻場感應的傳導騷擾抗擾度GB/T電磁兼容試驗和測量技術振鈴波抗擾度試驗GB/T34094—2017信息技術設備功耗測量方法3術語和定義下列術語和定義適用于本文件。3.1設備在正常工作的磁場環(huán)境范圍內(nèi)，其輸出特性隨磁場變化的程度。3.2頻標工作一段時間關機后，下次再開機達到穩(wěn)定后，頻率值與上次關機時頻率值的一致程度。注：用兩次相對頻差表示。［來源：JJF1180—2007,3.38,有修改］3.3通過頻率調(diào)整指令所能實現(xiàn)的頻率輸出范圍。3.4通過頻率調(diào)整指令所能實現(xiàn)的頻率調(diào)整的最小值。2GB／T39724—20203.5描述平均頻率隨機起伏的量。注：平均時間稱為取樣時間。不同的穩(wěn)定度度量值對應不同的取樣時間。［來源：JJF1180—2007,3.23,有修改］3.6設備在正常工作的溫度范圍內(nèi)，其輸出特性隨溫度變化的程度。3.7頻率實際值與頻率標稱值之差。yffx［來源：JJF1180—2007,3.20,有修改］3.8。［來源：JJF1180—2007,3.31,有修改］3.9目標諧波的均方根值與信號電平均方根值的比值。4銫原子鐘的分類和組成銫原子鐘是以銫原子束為頻率參考的被動原子頻率標準，其工作原理是利用微波場與銫原子相互作用產(chǎn)生鑒頻信號，利用鑒頻信號將微波頻率鎖定在銫原子基態(tài)的超精細能級上，從而實現(xiàn)基準頻率信號的輸出，輸出信號與原子躍遷頻率具有同等水平的相對頻率偏差和長期穩(wěn)定度特性。銫原子鐘主要包括銫原子諧振器、微波頻率單元和電路控制單元等組成部分，如圖1。圖1銫原子鐘的基本結構3GB／T39724—20204.2銫原子鐘產(chǎn)品的分類為了實現(xiàn)對微波作用后原子狀態(tài)的檢測，需要對原子束進行態(tài)制備。按原子態(tài)制備和檢測方法的不同，銫原子鐘可分為磁選態(tài)銫原子鐘、光抽運銫原子鐘和磁選態(tài)光檢測銫原子鐘三類。磁選態(tài)銫原子鐘采用選態(tài)磁鐵產(chǎn)生的非均勻磁場進行原子態(tài)制備，并采用熱絲離化與電子倍增器放大技術檢測原子態(tài)獲得鑒頻信號；光抽運銫原子鐘采用激光抽運技術進行原子態(tài)制備、采用激光誘導熒光檢測技術檢測原子態(tài)；磁選態(tài)光檢測銫原子鐘采用選態(tài)磁鐵產(chǎn)生的非均勻磁場進行原子態(tài)制備、采用激光誘導熒光檢測技術檢測原子態(tài)。按照性能指標要求的不同，銫原子鐘可分為標準型銫原子鐘和高性能型銫原子鐘兩類。4.3銫原子鐘產(chǎn)品的組成銫原子諧振器是銫原子鐘的核心部分，主要用于在高真空的環(huán)境下產(chǎn)生準直的銫原子束。在銫原子諧振器中內(nèi)置微波諧振腔，當原子束經(jīng)過諧振腔時，原子束與微波場相互作用發(fā)生躍遷。銫原子諧振器還包含態(tài)檢測裝置，用于將原子束的狀態(tài)轉(zhuǎn)化為電信號。在磁選態(tài)銫原子鐘中，應內(nèi)置離化絲、電子倍增器等態(tài)檢測裝置；對于光抽運銫原子鐘和磁選態(tài)光檢測銫原子鐘，應內(nèi)置熒光檢測裝置。微波頻率單元主要包括壓控晶體振蕩器和微波頻率綜合部分，微波頻率綜合部分將壓控晶體振蕩器的輸出信號進行倍頻和調(diào)制，產(chǎn)生微波激勵信號饋入銫原子振蕩器的微波諧振腔中。電路控制單元對銫原子諧振器輸出的誤差信號進行處理，并輸出到微波頻率單元，從而實現(xiàn)對壓控晶體振蕩器的閉環(huán)鎖定。電路控制單元同時對銫原子鐘的各部分工作狀態(tài)進行監(jiān)控，通過與上位機的通信輸出銫原子鐘的狀態(tài)信息。在光抽運銫原子鐘中，光學單元輸出兩束激光分別對原子束進行態(tài)制備和態(tài)檢測。在磁選態(tài)光檢測銫原子鐘中，光學單元輸出一束激光對原子束進行態(tài)檢測。5技術要求銫原子鐘應具備以下功能：信號；4GB／T39724—20205.2性能要求銫原子鐘產(chǎn)品應滿足如表1性能要求。表1銫原子鐘產(chǎn)品性能指標要求序號性能指標要求1相對頻率偏差標準型高性能型優(yōu)于±1E-12a優(yōu)于±5E-13b2頻率調(diào)整范圍優(yōu)于±1E-11c3頻率調(diào)整分辨力≤1E-154頻率復現(xiàn)性≤2E-13513dBm±1dBm（阻抗50Ω)6諧波失真(10MHz、5MHz)≤-40dBc7非諧波失真(10MHz、5MHz)≤-80dBc81PPS信號幅度vlvvl（阻抗50Ω)91PPS信號寬度1PPS信號上升時間≤5ns1PPS信號抖動≤1nsRMS1PPS信號同步誤差優(yōu)于±50ns1PPS信號相位一致性≤1ns溫度敏感度標準型高性能型鎖定時間≤60min表2銫原子鐘產(chǎn)品頻率穩(wěn)定度指標要求取樣時間標準型高性能型≤1.2E-11≤5.0E-12≤8.5E-12≤3.5E-12≤2.7E-12≤8.5E-13≤8.5E-13≤2.7E-135GB／T39724—2020表2（續(xù)）取樣時間標準型高性能型≤2.7E-13≤8.5E-14≤8.5E-14≤2.7E-14≤5.0E-14≤1.0E-14表3銫原子鐘產(chǎn)品相位噪聲指標要求10Hz100Hz1kHz10kHz100kHz銫原子鐘產(chǎn)品應滿足如表4的電氣特性要求。表4銫原子鐘產(chǎn)品電氣特性要求序號電氣性能路數(shù)接口1頻率信號輸出≥2N型母頭(50Ω)2秒脈沖信號輸出(1PPS)≥2BNC母頭(50Ω)31PPS同步信號輸入≥1BNC母頭(50Ω)5.4通信功能要求5.4.1通信接口與功能要求銫原子鐘應具備RS-232C異步串口通信功能，包括編號設置、頻率微調(diào)、輸出頻率選擇、1PPS同步、1PPS輸出相位調(diào)整、1PPS輸出寬度調(diào)整及監(jiān)控狀態(tài)查詢功能。5.4.2通信速率與字節(jié)幀結構波特率采用115200;字節(jié)幀結構為1個起始位“0”,8個數(shù)據(jù)位，1位停止位“1”,無奇偶校驗位；低位在前，高位在后。如表5。GB／T39724—20205R-232C波特率起始位數(shù)據(jù)位校驗位停止位115200無5.4.3數(shù)據(jù)幀格式說明完整的一幀數(shù)據(jù)由幀頭、設備編號、命令編號、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)內(nèi)容、檢驗和幀尾組成，具體要求見圖2銫原子鐘與上位機通信幀格式以下對各字節(jié)內(nèi)容進行具體說明：編號一致時，該命令幀有效。編號為255時，僅更改銫原子鐘的設備編號和查詢銫原子鐘的設備編號時有效。字節(jié)在后。根據(jù)不同的命令編號，數(shù)據(jù)內(nèi)容不同。5.5供電要求銫原子鐘應滿足以下供電要求：GBT10022008前面板應標明銫原子鐘的名稱、型號，應配備指示燈以顯示整機工作狀態(tài)。后面板應具有頻率信號和1PPS信號輸出接口、1PPS同步信號輸入接口和接地端子等。5.7尺寸和質(zhì)量要求銫原子鐘的尺寸和質(zhì)量應滿足以下要求：67GB／T39724—20205.8功耗要求銫原子鐘應滿足以下功耗要求：5.9環(huán)境適應性銫原子鐘產(chǎn)品應滿足以下環(huán)境適應性要求：。產(chǎn)品應滿足以下電磁兼容性要求：；；要求；；。5.11可靠性和維修性要求銫原子鐘應滿足以下可靠性和維修性要求：6測試方法6.1測試環(huán)境條件除另有規(guī)定外，測試應在下列條件下進行：6.2測試儀器用于銫原子鐘指標測試的參考頻標應滿足以下要求：8GB／T39724—2020；參考頻標可以選用一個或多個。用于銫原子鐘指標測試的頻標比對器應滿足以下要求：6.2.3相位噪聲測量裝置用于銫原子鐘指標測試的相位噪聲測量裝置應滿足以下要求：用于銫原子鐘指標測試的頻譜分析儀應滿足以下要求：用于銫原子鐘指標測試的示波器應滿足以下要求：6.2.6時間間隔計數(shù)器用于銫原子鐘指標測試的時間間隔計數(shù)器應滿足以下要求：b)最大允許誤差為±1ns;用于銫原子鐘指標測試的秒脈沖發(fā)生器應滿足以下要求：用于測試銫原子鐘的溫度敏感度、儲運溫度范圍、工作溫度范圍等指標或特性的高低溫試驗箱應滿9GB／T39724—2020足以下要求：6.2.9三維亥姆霍茲線圈用于測試銫原子鐘的磁場敏感度指標的三維亥姆霍茲線圈應滿足以下要求：;圖3信號輸出測試示意圖信號輸出測試方法示意圖見圖3。被測銫原子鐘的輸出信號接入示波器，示波器的輸入阻抗選為進行驗證。按JJG492—2009中6.2.2.10規(guī)定的方法進行測試。被測銫原子鐘通過RS-232C異步串口與上位機連接，發(fā)送產(chǎn)品對應指令，觀察產(chǎn)品運行狀態(tài)，實現(xiàn)遠程監(jiān)控功能。被測銫原子鐘可通過面板或者產(chǎn)品對應指令，讀取故障自檢信息、故障報警信息以及工作參數(shù)上傳的功能。GB／T39724—2020按JJG492—2009中6.2.2.6規(guī)定的方法進行測試。測試；再設置為-1E-11,按JJG492—2009中6.2.2.7規(guī)定的方法進行測試。進行測試。JJG4922009)計算頻率復現(xiàn)性R：式中：R—頻率復現(xiàn)性；(τ)、y2?按JJG492—2009中6.2.2.5規(guī)定的方法進行測試。6.3.2.7頻率輸出信號幅度按JJG492—2009中6.2.2.2規(guī)定的方法進行測試。按JJG492—2009中6.2.2.3規(guī)定的方法進行測試。按JJG492—2009中6.2.2.3規(guī)定的方法進行測試。按JJG492—2009中6.2.2.8規(guī)定的方法進行測試。GB／T39724—2020按JJG492—2009中6.2.2.8規(guī)定的方法進行測試。按JJG492—2009中6.2.2.9規(guī)定的方法進行測試。1PPS信號抖動測試示意圖如圖4。被測銫原子鐘的秒脈沖信號接入時間間隔計數(shù)器，時間間隔計數(shù)器接外參考頻標，設置為周期測量模式，觸發(fā)電平為兩脈沖幅度的1/2,測量100個數(shù)據(jù)，計算其標準偏差作為秒脈沖抖動測試值。按JJG492—2009中6.2.2.10規(guī)定的方法進行測試。6.3.2.151PPS信號相位一致性1PPS信號相位一致性測試示意圖如圖5。被測銫原子鐘的兩路1PPS信號接入示波器。調(diào)節(jié)示波器輸入阻抗為50Ω,其中一路作為觸發(fā)信號，使屏幕上顯示穩(wěn)定的脈沖波形，取兩路秒脈沖信號的上升沿幅度的1/2處作為秒脈沖觸發(fā)的時刻，測出兩路秒脈沖的時間間隔，連續(xù)測試100次，取時間間隔最大值作為兩路秒脈沖相位差。溫度敏感度測試示意圖見圖6。圖6溫度敏感度測試示意圖GB／T39724—2020測試步驟如下： iTii式中：?i圖7溫度敏感度測試時序圖磁場敏感度測試示意圖如圖8。圖8磁場敏感度測試示意圖測試步驟如下：被測位置的磁場強度，記錄三個方向磁場強度均為0時的電流值；再分別使磁場強度中一個方GB／T39724—2020i; iiiii式中：i?i圖9磁場敏感度測試時序圖測量銫原子鐘從接通外部電源到其達到穩(wěn)定鎖定狀態(tài)經(jīng)過的時間，應符合5.2的規(guī)定。檢查銫原子鐘頻率輸出信號與接口類型，按測試方法6.3.1.1測試各路頻率信號輸出，路數(shù)和接口應滿足5.3的要求。檢查銫原子鐘頻率輸出信號與接口類型，按測試方法6.3.1.1測試各路秒脈沖信號輸出，路數(shù)和接口應滿足5.3的要求。6.3.4通信功能測試目視檢查銫原子鐘的通信接口是否為RS-232C標準9針通用接口。按照5.4.2和5.4.3規(guī)定的通GB／T39724—2020采用銫原子鐘狀態(tài)監(jiān)控上位機，更改設備編號、查詢設備編號。設備編號可查詢，查詢結果與更改的設備編號一致，應滿足5.4的要求。查詢頻率微調(diào)參數(shù)，應與設置值一致。。查詢頻率選擇參數(shù)，應與設置值一致。采用6.3.1.4的測試方法，通過銫原子鐘狀態(tài)監(jiān)控上位機，下發(fā)1PPS同步命令，能實現(xiàn)同步功能并應滿足同步指標。6.3.4.61PPS輸出相位調(diào)整測試采用銫原子鐘狀態(tài)監(jiān)控上位機，更改銫原子鐘的輸出1PPS的相位，采用6.3.2.14的測試方法，測試同步誤差，多次更改并多測試測試，記錄相對同步誤差，相對同步誤差滿足1PPS相位更改參數(shù)。查詢1PPS輸出相位調(diào)整參數(shù)，應與設置值一致。6.3.4.71PPS輸出寬度測試采用銫原子鐘狀態(tài)監(jiān)控上位機，更改銫原子鐘的輸出1PPS的脈沖寬度，采用6.3.2.11的測試方法，測量1PPS輸出寬度，應與更改參數(shù)一致。查詢1PPS輸出寬度，應與設置值一致。采用銫原子鐘狀態(tài)監(jiān)控上位機，查詢銫原子鐘狀態(tài)，銫原子鐘應能正常返回狀態(tài)參數(shù)，并且鎖定。按GB/T6587—2012中5.12的規(guī)定進行。按GB/T6587—2012中5.3的規(guī)定進行。按GB/T6587—2012中5.4的規(guī)定進行。按GB/T34094—2017中4.5的規(guī)定進行。GB／T39724—20206.3.9環(huán)境適應性測試檢驗銫原子鐘在完成高低溫儲運后，能否正常工作。溫度特性試驗示意圖見圖10。圖10溫度特性試驗示意圖測試步驟如下。機，待閉環(huán)鎖定后，按照被測銫原子鐘關機流程進行關機和斷電。應正常。低溫儲運試驗完成，按照被測銫原子鐘關機流程進行關機和斷電。高溫儲運試驗完成，按照被測銫原子鐘關機流程進行關機和斷電。檢驗銫原子鐘是否可以在工作溫度范圍內(nèi)正常工作，溫度特性試驗示意圖如圖10,測試步驟如下。開機。6.3.3測試銫原子鐘的電氣特性。6.3.9.3運輸振動環(huán)境測試GB/T4857.23—2012的內(nèi)容，運輸振動試驗測試示意圖如圖11。圖11運輸振動試驗測試示意圖測試步驟如下。GB／T39724—2020斷電。臺上，其質(zhì)心質(zhì)量盡量在振動臺的中心線上。按照振動試驗條件（表6、表7和表8)進行公路JJG4922009鐵路運輸振動試驗完成。c表6公路運輸振動試驗條件垂向橫向縱向頻率Hz功率譜密度2/轉(zhuǎn)折點頻率Hz轉(zhuǎn)折點功率譜密度值2/轉(zhuǎn)折點頻率Hz轉(zhuǎn)折點功率譜密度值2/XYZ20min。注2：X、Y、Z三軸的定義如圖12。表7鐵路運輸振動試驗條件垂向橫向縱向頻率Hz功率譜密度2/轉(zhuǎn)折點頻率Hz轉(zhuǎn)折點功率譜密度值2/轉(zhuǎn)折點頻率Hz轉(zhuǎn)折點功率譜密度值2/333XYZ20min。注2：X、Y、Z三軸的定義如圖12。GB／T39724—2020表8空運振動試驗條件垂向橫向縱向頻率Hz功率譜密度2/轉(zhuǎn)折點頻率Hz轉(zhuǎn)折點功率譜密度值2/轉(zhuǎn)折點頻率Hz轉(zhuǎn)折點功率譜密度值2/222XYZ20min。注2：X、Y、Z三軸的定義如圖12。圖12運輸振動試驗X、Y、Z軸向的定義按照GB4824—2019規(guī)定的測試方法或等價的同類指標測試方法進行測試。按照GB/T17626.6—2017規(guī)定的測試方法或等價的同類指標測試方法進行測試。6.3.10.3電纜束注入脈沖激勵傳導敏感度按照GB/T17626.4—2018規(guī)定的測試方法或等價的同類指標測試方法進行測試。按照GB/T17626.12—2013規(guī)定的測試方法或等價的同類指標測試方法進行測試。GB／T39724—2020按照GB4824—2019規(guī)定的測試方法或等價的同類指標測試方法進行測試。按照GB/T17626.3—2016規(guī)定的測試方法或等價的同類指標測試方法進行測試。提供被測銫原子鐘的MTB