1 引言
原子鐘是標準時間產生與保持中的關鍵設備，中科院國家授時中心的守時原子鐘多年來一直依賴進口，美國作為當今世界上高精密守時鐘的主要生產國家對我國實行嚴格的出口限制。上海天文臺1970年開始氫鐘研制，其真正實用型氫鐘的研制成功是在1987年。這種氫鐘從1989年開始，已先后生產了四十多臺，用于中國VLBI網、衛星測控、計量以及導航定位系統等國家重要科學試驗項目及軍工任務中。然而，由于大多數該類型氫鐘的長期穩定度性能較低（未進入10-15），更重要的是其可靠性，尤其是長期運轉的可靠性指標較低，不能滿足高精密守時的需要，因此一直以來主要作為頻率標準使用。
上海天文臺前期研制生產的40臺左右的氫鐘實際使用表明：(1)大多數氫鐘的長期穩定度性能較低，未進入10-15 ；(2)其可靠性，尤其是長期運轉的可靠性指標也低。實際使用中所暴露出的不可靠性問題，主要集中在真空鈦離子泵高壓打火和真空系統微漏氣。鈦泵打火使真空背景瞬間變壞，影響脈澤振蕩，嚴重時導致鎖相系統瞬間失鎖，使輸出頻率發生變化；而真空系統漏氣，使真空本底壓力升高，氫工作流量增大，加重鈦泵負擔，縮短鈦泵壽命。
守時型原子鐘要求具有很高的長期運轉可靠性和穩定性，在中國科學院知識創新工程經費的支持下，經過技術準備，上海天文臺開始了為國家授時中心時頻基準系統研制守時型氫鐘" title="守時型氫鐘">守時型氫鐘的工作。兩臺主動型氫鐘H45和H46于2005年初運抵國家授時中心。國家授時中心時頻基準實驗室隨即展開測試驗收工作，通過一年多嚴格和全面的測試，基本掌握了該種鐘的運行特性，目前這兩臺鐘已經加入NTSC的守時系統，其時差數據也定期報送BIPM。通過對測試數據和問題的分析反饋，也為守時型氫原子鐘的生產、設計、改進提供了依據。
2 針對國產氫鐘性能的改進
改進主要針對改善長期運轉可靠性、改善溫度效應從而提高穩定性能指標方面來進行：
（1）真空泵用美國Varian公司的鈦離子泵代替。近一年多的考機運轉，未發現明顯的高壓打火現象。克服了國產鈦離子泵經常高壓打火這一弊端；
（2）原子儲存泡由圓形改為橢球泡，避免圓形泡內微波電磁場有可能存在的相位相反方向問題，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，改善了屏蔽系數，有效地增加了磁屏蔽效果。（引自王義遒老師的《量子頻標原理》第433頁公式7.4.12）
（4）諧振腔端面及蓋板處理工藝的改進，將諧振腔端面與蓋板之接觸面拋光到光學平，是這兩臺氫鐘與上海天文臺以往氫鐘另一個顯著不同之處。這種措施對氫鐘的長期穩定度和頻率漂移率將有明顯改善，這由下面分析可以看出。腔頻變化引起氫脈澤輸出頻率的變化由下式表示：
對于典型的氫脈澤腔，它的共振頻率對腔長的變化率近似為10MHz/cm，對于Q腔/Q線～10-5,則腔長變化一個原子的線度（10-8cm）將引起鐘輸出的相對頻率變化10-15。
（5）電子學系統的改進：
A．溫度控制
改變恒溫控制電路，原控制電路為固定增益式，現改為反饋放大式，使溫度控制精度從5％到2%。鐘的溫度系數從1E-13改善到<5E-14。
B．鐵氧體隔離器改進
隔離器隔離度從30dB升高到60dB。高頻放大器噪聲系數從1.5dB降低0.7 dB。
C．自動調諧器
原自動調諧器溫漂較大，改進其中的電路：
（1）移相器原為模擬電路，其中用到了較大的電阻和電容，存在溫度效應，現改成數字移相，去掉了電阻電容。
（2）積分器原采用的是運放LF356，零漂為5uV/ ℃ ，現改用AD8610，零漂為0.5uV/ ℃ 。
經以上改進后，有望改善氫鐘的溫度效應。
圖1 NTSC不同類型守時鐘的日差曲線
3 國產氫鐘性能初步測試
噪聲和波動情況反映的是鐘的短期頻率穩定性情況。圖1是NTSC守時系統中不同類型原子鐘的日差曲線。從圖中可以看到，H45和H46的短期頻率波動要明顯大于Sigma-tau氫鐘，與5071A銫鐘相當；曲線中速率突變的地方是因為鐘房溫度劇變引起的，其環境溫度帶來的時差變化約為10ns/±1oC。然而，同時可以看到，兩臺Sigma-tau氫鐘具有明顯的速率漂移，其后果是盡管其短期波動小，但在TAI歸算中的權重依然很低（H45和H46與其相當），這是由于國際原子時TAI歸算方法（ALGOS算法）主要考察的是守時鐘的長期穩定性能。
兩臺國產守時型氫鐘經過一年多時間的運行，從守時工作的連續、可靠運行要求來看，其中一臺鐘（H45）出現多次技術故障，可靠性差，難以做為守時鐘使用；另外一臺H46基本上連續運行，表現良好。
從兩臺氫鐘開始運轉的時差數據來分析其性能，可以得到如下結論：兩臺鐘短期頻率起伏均較大，比5071A高性能管略差。后來通過給兩臺鐘更換綜合器FPGA芯片以后，使其溫度效應明顯改善，鐘穩定性提高，目前，H45和H46的短期頻率波動比Sigma-tau氫鐘略大，與5071A銫鐘相當。從而可以看到，國產氫鐘仍然有提高其穩定性的潛力，這需要研制單位根據測試結果，特別是長期運行性能來不斷加以改進。
鐘的穩定度測試采用比對數據分析計算來得到。表1和圖2為選擇某段時期氫鐘房環境溫度恒定時三類守時鐘（美國Sigma-tau,上海氫鐘H46，銫5071A）相對于12臺5071A銫原子鐘平均時間尺度TA’(12Cs)的穩定度（日期：2006年4月15日- 5月15日）,穩定度的計算采用Allan方差（公式略）。從初步計算結果看，在環境溫度保持穩定（溫度變化小于±0.5oC）時，H46短穩略差于美國氫鐘，中、長穩后與Sigma-tau相當，當然由于采樣時間短，因此其性能還需要更多數據來論證。
表1 三種守時鐘相對于TA’(12Cs)的穩定度
圖2 NTSC三類守時鐘相對于TA’(12Cs)的穩定度
4 結論
從技術層面來說，國產氫鐘經過許多年的努力，通過不斷的技術革新如真空、儲存泡、磁屏蔽等,比較起以前產品來說,穩定度和可靠性有了顯著的提高。其不足是：連續穩定運轉的能力尚需進一步改進，這是做為守時鐘的基礎。同時，要進一步改進短穩及相躁，以得到良好的穩定性能。
總之，國產氫鐘在高精密守時應用中取得了可喜的成績，但是要真正替代進口，滿足守時鐘關于穩定性、可靠性的要求還需要作進一步改進。同時，在改進加工工藝、增加輔助系統如直流供電和內部干電池等方面還需進一步努力。