CN103152041B - 一种精细结构常数变化测量方法及应用该方法的系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量精细结构常数变化情况的方法及应用该方法的系统，属于原子频标技术领域。包括由至少2台原子钟组成的原子钟组、由至少2个计数器组成的计数器组；原子钟包括原子钟物理系统、隔离放大器、频稳测试仪、高稳信号源、微控制器、D/A转换模块、恒流源模块。本发明中，微处理器通过计数器组对经过频率漂移修正后的原子钟组内不同种类的原子钟的输出频率进行测量，将每台原子钟每日输出的频率分别用精细结构常数的幂级数表示，探测出精细结构常数随时间变化的情况。本发明能真实反映多台原子钟的输出频率的变化，进而精密测量出精细结构常数的变化情况。

Description

一种精细结构常数变化测量方法及应用该方法的系统

技术领域

本发明涉及原子频标技术领域，特别涉及一种精细结构常数变化测量方法及应用该方法的系统。

背景技术

精细结构常数是原子或分子之间相互作用强度的一个基本物理常数，其定义为：

$\mathrm{\α}=\frac{e^2}{4\mathrm{\π}{e}_0\mathrm{hc}}$ 或者 $\mathrm{\α}=\frac{e^2}{2e_0\mathrm{hc}}$

其中：e是基本电荷、e₀是真空电容率、是约化普朗克常数，h是普朗克常数、c是光速。

根据2002年CODATA的推荐值，

$\mathrm{\α}=7.297352568\left(24\right)\×{10}^{-3}=\frac{1}{137.03599911\left(46\right)}$

近似计算可以取1/137。

1937年狄拉克就提出观测基本物理常数是否随时间变化是非常有意义的，此后也有很多实验对此进行测量。从理论上看，作为广义相对论等效原理的一个直接结论，和引力无关的物理常数是不会随时间变化的；但现代一些理论预测存在新的相互作用会违背等效原理，一些物理常数特别是精细结构常数可能随时间发生变化。

原子钟的振荡频率可以表示为精细结构常数的幂级数形式，由于精细常数随时间的变化会引起原子超精细能级跃迁频率的变化，变化的量级与原子核的带电量（原子序数）有关，原子序数越大，精细结构常数的变化对频率的影响也越大。所以一般利用测量原子钟长期频率信号输出的变化量来测量精细结构常数的变化情况，然而如果在一台原子钟长时间连续工作时，其输出频率值随着时间推移会缓慢地变化，甚至会单方向变化。所以如果不对多台原子频标进行频率漂移修正，就不能真实反映多台原子钟输出的振荡频率，进而精细结构常数的变化情况将会产生很大偏差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种精细化、能真实反映精细结构常数变化的精细结构常数变化测量方法及应用该方法的系统。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种精细结构常数变化测量方法。包括以下步骤：

原子钟组内原子钟物理系统的输出频率信号经过隔离放大器后，一路输出至与原子钟对应的计数器组用于测频，所述计数器组将测得的频率输出到微控制器；经隔离放大后的输出频率信号另一路送至频稳测试仪中，与高稳信号源输出的高稳时钟信号做对比，得到原子钟的输出频率漂移量df₁输出至微控制器；

微控制器根据接收到的输出频率漂移量df₁与存储在微控制器内部对应原子钟的每日平均输出频率漂移量做对比；

如果df₁与不相等且df₁与处于同一个数量级时，微控制器根据存储的每台原子钟的“每日平均输出频率漂移量与平均电压控制量的参照关系，选择与原子钟的每日平均输出频率漂移量对应的平均电压控制量平均电压控制量数字信号经D/A转换模块转换成模拟信号后送至恒流源中，所述恒流源将电压信号转换为电流信号，电流信号作用于原子钟物理系统内的C场，相应原子钟每日的输出频率漂移量修正到从而对原子钟组的频率漂移进行修正；

微控制器通过计数器组对经过频率漂移修正后的原子钟组内不同种类的原子钟的输出频率进行测量，将每台原子钟每天输出的频率分别用精细结构常数的幂级数表示，探测出精细结构常数随时间变化的情况。

进一步地，还包括以下步骤：

所述df₁与不相等、df₁与不在同一个数量级且为整数时，需要对原子钟进行多次频率漂移修正；第一次修正时，原子钟需要的频率漂移量为df₁+df₂，微控制器根据存储的每台原子钟的“每日输出频率漂移量df与电压控制量U”的参照关系，选择与df₁+df₂所对应的电压控制量U₁，电压控制量U₁数字信号经D/A转换模块转换成模拟信号后送至恒流源模块，恒流源模块将电压信号转换为电流信号，电流信号作用于原子钟物理系统内的C场，相应原子钟每日的输出频率漂移量修正到df₁+df₂；第二次修正时，原子钟需要的频率漂移量为df₁+2df₂，微控制器根据所述参照关系选择与df₁+2df₂所对应的电压控制量U₂，以下步骤如第一次修正所述，直到相应原子钟每日的输出频率漂移量修正到df₁+2df₂；微控制器根据所述参照关系保持输出M次电压控制量U，每次需要的原子钟频率漂移量为上一次需要的原子钟频率漂移量基础上增加df₂，步骤如第一次修正所述，直到原子钟每日的输出频率漂移量修正到为止，其中，所述所述所述M的取值范围为1<M<11，其中M为自然数。

进一步地，还包括以下步骤：

所述df₁与不相等、df₁与不在同一个数量级且不为整数时，需要对原子钟进行多次频率漂移修正；第一次修正时，原子钟需要的原子钟频率修正量为微控制器根据所述参照关系选择与 所对应的电压数字信号控制量U₃，电压控制量U₃数字信号经D/A转换模块转换为模拟信号后送至恒流源模块，恒流源模块将电压信号转换为电流信号，电流信号作用于原子钟物理系统内的C场，相应原子钟每日的输出频率漂移量修正到微控制器根据所述参照关系保持输出M次电压控制量U，每次需要的原子钟频率漂移量为上一次需要的原子钟频率漂移量基础上增加步骤如第一次修正所述，直到原子钟每日的输出频率漂移量修正到为止，其中，所述 此时取整数部分；所述M的取值范围为1<M<11，其中M为自然数。

进一步地，所述原子钟组包括N台不同种类的原子钟，所述计数器组包括N个计数器；其中，所述原子钟的台数与所述计数器的个数一一对应，所述N优选大于1的自然数。

进一步地，所述原子钟的种类优选铷原子钟、氢原子钟、铯喷泉钟、汞原子钟或汞离子钟、钙原子钟。

本发明还提供了一种应用精细结构常数变化测量方法的系统，包括由至少2台原子钟组成的原子钟组、由至少2个计数器组成的计数器组；

原子钟包括原子钟物理系统、隔离放大器、频稳测试仪、高稳信号源、微控制器、D/A转换模块、恒流源模块；

所述原子钟组内的每台原子钟与所述计数器组内的每个计数器一一对应连接，所述计数器组输出与所述微控制器连接；

所述原子钟物理系统输出与所述隔离放大器输入连接，所述隔离放大器输出与所述原子钟对应的计数器连接，所述计数器与所述微控制器连接，所述隔离放大器输出还与所述频稳测试仪输入连接，所述高稳信号源的输出与所述频稳测试仪连接，所述频稳测试仪输出与所述微控制器输入连接，所述微控制器输出与所述D/A转换模块连接，所述D/A转换模块与所述恒流源模块输入连接，所述恒流源模块输出与所述原子钟物理系统连接。

进一步地，所述原子钟组包括N台不同种类的原子钟，所述原子钟的台数与所述计数器的个数对应相等；所述N优选大于1的自然数。

进一步地，所述原子钟组内N台原子钟可以共用一台微控制器，所述微控制器优选存储有原子钟组内每台原子钟的“每日平均输出频率漂移量与平均电压控制量参照关系及“每日输出频率漂移量df与电压控制量U”参照关系的微控制器。

进一步地，所述原子钟的种类优选铷原子钟、氢原子钟、铯喷泉钟、汞原子钟或汞离子钟、钙原子钟。

本发明提供的一种精细结构常数变化测量方法及应用该方法的系统，能真实反映多台原子钟输出频率随时间变化的情况，进而精密测量出精细结构常数的变化情况。

附图说明

图1为本发明实施例提供的精细结构常数检测系统中单台原子钟与单个计数器的连接原理图；

图2为本发明实施例提供的精细结构常数检测系统中N为2时的系统原理图。

具体实施方式

本发明实施例提供的一种精细结构常数变化测量方法。包括以下步骤：

包括以下步骤：

原子钟组内原子钟物理系统的输出频率信号经过隔离放大器后，一路输出至与原子钟对应的计数器组用于测频，所述计数器组将测得的频率输出到微控制器；经隔离放大后的输出频率信号另一路送至频稳测试仪中，与高稳信号源输出的高稳时钟信号做对比，得到原子钟的输出频率漂移量df₁输出至微控制器；

微控制器根据接收到的输出频率漂移量df₁与存储在微控制器内部对应原子钟的每日平均输出频率漂移量做对比；

当df₁与不相等且df₁与处于同一个数量级时，微控制器根据存储的每台原子钟的“每日平均输出频率漂移量与平均电压控制量的参照关系，选择与原子钟的每日平均输出频率漂移量对应的平均电压控制量平均电压控制量数字信号经D/A转换模块转换成模拟信号后送至恒流源模块中，恒流源模块将电压信号转换为电流信号，电流信号作用于原子钟物理系统内的C场，相应原子钟每日的输出频率漂移量修正到从而对原子钟组的频率漂移进行修正；

当df₁与不相等、df₁与不在同一个数量级且为整数时，需要对原子钟进行多次频率漂移修正；第一次修正时，原子钟需要的频率漂移量为df₁+df₂，微控制器根据存储的每台原子钟的“每日输出频率漂移量df与电压控制量U”的参照关系，选择与df₁+df₂所对应的电压控制量U₁，电压控制量U₁数字信号经D/A转换模块转换成模拟信号后送至恒流源模块，恒流源模块将电压信号转换为电流信号，电流信号作用于原子钟物理系统内的C场，相应原子钟每日的输出频率漂移量修正到df₁+df₂；第二次修正时，原子钟需要的频率漂移量为df₁+2df₂，微控制器根据所述参照关系选择与df₁+2df₂所对应的电压控制量U₂，以下步骤如第一次修正所述，直到相应原子钟每日的输出频率漂移量修正到df₁+2df₂；微控制器根据所述参照关系保持输出M次电压控制量U，每次需要的原子钟频率漂移量为上一次需要的原子钟频率漂移量基础上增加df₂，步骤如第一次修正时所述，直到原子钟每日的输出频率漂移量修正到为止，其中， M的取值范围为1<M<11，其中M为自然数。

当df₁与不相等、df₁与不在同一个数量级且不为整数时，需要对原子钟进行多次频率漂移修正；第一次修正时，原子钟需要的原子钟频率漂移量为微控制器根据所述参照关系选择与 所对应的电压控制量U₃，电压控制量U₃数字信号经D/A转换模块转换为模拟信号后送至恒流源模块，恒流源模块将电压信号转换为电流信号，电流信号作用于原子钟物理系统内的C场，相应原子钟每日的输出的频率漂移量修正到微控制器根据所述参照关系保持输出M次电压控制量U，每次需要的原子钟频率漂移量为上一次需要的原子钟频率漂移量基础上增加步骤如第一次修正时所述，直到原子钟每日的输出频率漂移量修正到为止，其中， 此时取整数部分；M的取值范围为1<M<11，其中M为自然数。

微控制器通过计数器组对经过频率漂移修正后的原子钟组内不同种类的原子钟的输出频率进行测量，将每台原子钟每天输出的频率分别用精细结构常数的幂级数表示，探测出精细结构常数随时间变化的情况。

原子钟组包括N台不同种类的原子钟，计数器组包括N个计数器；其中，原子钟的台数与计数器的个数一一对应，N优选大于1的自然数。

原子钟的种类优选铷原子钟、氢原子钟、铯喷泉钟、汞原子钟或汞离子钟、钙原子钟。

本发明还提供了一种应用精细结构常数变化测量方法的系统，包括由至少2台原子钟组成的原子钟组、由至少2个计数器组成的计数器组；

如图1所示，原子钟包括原子钟物理系统、隔离放大器、频稳测试仪、高稳信号源、微控制器、D/A转换模块、恒流源模块；

原子钟组内的每台原子钟与计数器组内的每个计数器一一对应连接，计数器组输出与微控制器连接；

原子钟物理系统输出与隔离放大器输入连接，隔离放大器输出与原子钟对应的计数器连接，计数器与微控制器连接，隔离放大器输出还与频稳测试仪输入连接，高稳信号源的输出与频稳测试仪连接，频稳测试仪输出与微控制器输入连接，微控制器输出与D/A转换模块连接，D/A转换模块与恒流源模块输入连接，恒流源模块输出与原子钟物理系统连接。

原子钟组包括N台不同种类的原子钟，原子钟的台数与计数器的个数对应相等；N优选大于1的自然数。

原子钟组内N台原子钟可以共用一台微控制器，所述微控制器优选存储有原子钟组内每台原子钟的“每日平均输出频率漂移量与平均电压控制量参照关系及“每日输出频率漂移量df与电压控制量U”参照关系的微控制器。

本实施例中，原子钟的种类优选铷、氢、铯喷泉、汞原子或离子钟、钙原子钟。频率稳定度及漂移涉及到单位，一般以日为一个周期进行采样处理，原子频标的漂移量也以日为单位。

图2为本发明实施例提供的精细结构常数检测系统的具体实施例中N为2时的系统原理图。

由于电流作用的磁场是原子钟必备的部件，故现有技术中微控制器内存储有电流量作用的磁场引起原子钟输出频率漂移量的参照关系，即原子钟的“每日输出频率漂移量df－电压控制量U”参照关系。“每日平均频率漂移量－平均电压控制量参照关系可以根据原子钟的“每日输出频率漂移量df－电压控制量U”参照关系得到。

存储在微控制器组内部的每台原子钟“每日输出频率漂移量df－电压控制量U”参照关系的获得过程：其中频率漂移量df通过频稳测试仪测量传递给微控制器得到；在原子钟物理系统内部有一个用于原子分裂用的磁场，这个磁场可用螺旋管线圈或其它绕制而成，磁场大小可以由通过其绕制线圈的加热电流I获得，而磁场量的变化会导致原子钟输出频率的变化，C场电流量I可以通过原子钟原有的A/D采样电阻上的电压量来反映给微控制器，经过一段时间的测量，微控制器内部就可以得到原子钟的“每日输出频率漂移量df-电压控制量U”参照关系，就可以针对每一台原子钟物理系统和其电路内部的结构需要来进行频率修正。

微控制器根据事先存储的每台原子钟“每日平均频率漂移量－电压控制量参照关系及“每日输出频率漂移量df－电压控制量U”参照关系，当微控制器得到的通过频稳测试仪每日测得的原子钟输出频率漂移量df₁不等于微控制器内存储的相应原子钟的每日平均输出频率漂移量时，需要修正原子钟的输出频率漂移量df₁，使微控制器每日测得的原子钟输出频率漂移量df₁始终保持在微控制器内存储的相应原子钟的每日平均输出频率漂移量不变。

本发明工作原理：通过计数器组对原子钟组内不同种类的原子钟进行长期测量、交叉对比，各个原子钟内的频稳测试仪将测量结果传送至微控制器中进行分析，根据分析的结果以及事先存储在微控制器内部的每台原子钟的“每日平均输出频率漂移量与电压控制量的参照关系及“每日输出频率漂移量df－电压控制量U”参照关系，对原子钟组中的每一台原子钟进行相应的频率漂移修正，从而得到真实反映每台原子钟输出频率随时间的变化情况，将原子钟组内不同种类的原子钟每天的输出频率分别用精细结构常数的幂级数表示，可以精确得到精细结构常数的变化情况。

本发明提供的一种精细结构常数变化测量方法及应用该方法的系统，能真实反映多台原子钟输出的频率变化，进而精密测量出精细结构常数的变化情况。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种精细结构常数变化测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

原子钟组内原子钟物理系统的输出频率信号经过隔离放大器后，一路输出至与原子钟对应的计数器组用于测频，所述计数器组将测得的频率输出到微控制器；经隔离放大后的输出频率信号另一路送至频稳测试仪中，与高稳信号源输出的高稳时钟信号做对比，得到原子钟的输出频率漂移量df₁输出至微控制器；

微控制器根据每日接收到的输出频率漂移量df₁与存储在微控制器内部对应原子钟的每日平均输出频率漂移量做对比；

如果df₁与不相等且df₁与处于同一个数量级时，微控制器根据存储的每台原子钟的“每日平均输出频率漂移量与平均电压控制量”的参照关系，选择与原子钟的每日平均输出频率漂移量对应的平均电压控制量平均电压控制量经D/A转换模块转换成模拟信号后送至恒流源模块中，所述恒流源模块将电压信号转换为电流信号，电流信号作用于原子钟物理系统内的C场，相应原子钟每日的输出频率漂移量df₁修正到从而对原子钟组的频率漂移进行修正；

微控制器通过计数器组对经过频率漂移修正后的原子钟组内不同种类的原子钟的输出频率进行测量，将每台原子钟每天输出的频率分别用精细结构常数的幂级数表示，探测出精细结构常数随时间变化的情况。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：

所述df₁与不相等、df₁与不在同一个数量级且为整数时，需要对原子钟进行多次频率漂移修正；第一次修正时，原子钟需要的频率漂移量为df₁+df₂，微控制器根据存储的每台原子钟的“每日的输出频率漂移量df₁与电压控制量U”的参照关系，选择与df₁+df₂所对应的电压控制量U₁，电压控制量U₁经D/A转换模块转换为模拟信号后送至恒流源模块，作用于原子钟物理系统内的C场，相应原子钟每日的输出频率漂移量df₁修正到df₁+df₂；第二次修正时，原子钟需要的频率漂移量为df₁+2df₂，微控制器根据所述参照关系选择与df₁+2df₂所对应的电压控制量U₂，以下步骤如第一次修正所述，直到相应原子钟每日的输出频率漂移量df₁修正到df₁+2df₂；微控制器根据所述参照关系保持输出M次电压控制量，每次需要的原子钟频率漂移量为上一次需要的原子钟频率漂移量基础上加上df₂，步骤如第一次修正所述，直到原子钟每日的输出频率漂移量df₁修正到为止，其中，所述所述所述M的取值范围为1<M<11，其中M为自然数。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：

所述df₁与不相等、df₁与不在同一个数量级且不为整数时，需要对原子钟进行多次频率漂移修正；第一次修正时，原子钟需要的频率漂移量为微控制器根据所述参照关系选择与 所对应的电压控制量U₃，电压控制量U₃经D/A转换模块转换为模拟信号后送至恒流源模块，恒流源模块将电压信号转换为电流信号，电流信号作用于原子钟物理系统内的C场，相应原子钟每日的输出频率漂移量修正到微控制器根据所述参照关系保持输出M次电压控制量U，每次需要的原子钟频率漂移量为上一次需要的原子钟频率漂移量基础上增加步骤如第一次修正所述，直到原子钟每日的输出频率漂移量调整到为止，其中，所述此时取整数部分；所述M的取值范围为1<M<11，其中M为自然数。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述原子钟组包括N台不同种类的原子钟，所述计数器组包括N个计数器；其中，所述原子钟的台数与所述计数器的个数一一对应，所述N为大于1的自然数。

5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述原子钟的种类为铷原子钟、氢原子钟、铯喷泉钟、汞原子钟或汞离子钟、钙原子钟。

6.一种应用权利要求1-5任意一项所述方法的系统，其特征在于，包括由至少2台原子钟组成的原子钟组、由至少2个计数器组成的计数器组；

原子钟包括原子钟物理系统、隔离放大器、频稳测试仪、高稳信号源、微控制器、D/A转换模块、恒流源模块；

所述原子钟组内的每台原子钟与所述计数器组内的每个计数器一一对应连接，所述计数器组的输出与所述微控制器连接；

所述原子钟物理系统的输出与所述隔离放大器的输入连接，所述隔离放大器的输出与所述原子钟对应的计数器连接，所述计数器与所述微控制器连接，所述隔离放大器的输出还与所述频稳测试仪的输入连接，所述高稳信号源的输出与所述频稳测试仪连接，所述频稳测试仪的输出与所述微控制器的输入连接，所述微控制器的输出与所述D/A转换模块连接，所述D/A转换模块与所述恒流源模块的输入连接，所述恒流源模块的输出与所述原子钟物理系统连接。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述原子钟组包括N台不同种类的原子钟，所述原子钟的台数与所述计数器的个数对应相等；所述N为大于1的自然数。

8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述原子钟组内N台原子钟可以共用一台微控制器，所述微控制器为存储有原子钟组内每台原子钟的“每日平均输出频率漂移量与平均电压控制量”参照关系及“每日的输出频率漂移量df₁与电压控制量U”参照关系的微控制器。

9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述原子钟的种类为铷原子钟、氢原子钟、铯喷泉钟、汞原子钟或汞离子钟、钙原子钟。