张海涛 李铭

基于原子钟的工作原理，原子钟对环境条件的变化是非常敏感的，振动、温湿度和磁场的任何变化都会影响原子钟输出频率的准确度和稳定度，原子钟能够达到的技术指标，不仅与其设计制造指标有关，还与其工作的环境条件密切相关，如果环境条件达不到要求，原子钟的性能实际上也很难达标。因此原子钟对振动干扰、环境温湿度、电磁特性的敏感性，要求其应该在稳定性非常高的环境条件下运行，原子钟房就是为了满足这一需求而设计的。由于需要实现对环境指标的高精度控制，原子钟房建设是一个技术要求高、实现难度大、技术综合型强、成熟可借鉴案例少的特种精密设备机房项目，因目前为止我国还未见有关原子钟房建设的标准和设计规范，故根据原子钟对环境条件的要求，对原子钟房建设设计要点进行分析和探讨，是非常有必要和有意义的。

为了保证原子钟能在安全、稳定、精确、可靠的环境下维持最佳性能运行，原子钟房建设须进行抗震减振、温湿度控制、电磁屏蔽等设计，并综合考虑供电、接地、消防等系统的设计部署，下面就各设计要点进行详细分析和探讨。

一、抗震减振设计

原子钟对振动较为敏感，一般要求其运行环境的振动波动控制在0.001g以内，为了隔离各种来自于周边环境的振动干扰和抗地区地震冲击的破坏，需要对原子钟房进行抗震减振设计，由于普通振源和地震产生的冲击振动不同，两者在振动冲击能量、振动频率和振动幅度方面均存在很大的差别，一级抗震减振系统无法平衡两者对隔振装置设计的矛盾，因此，本文通过三级抗震减振系统设计来实现，其原理如图1所示。

图1 三级抗震减震系统示意图

1级为抗震减振地基设计，通过钟房建筑地基的建设来实现，钟房地基采用筏板基础设计，并在钟房的周边设立隔振带，其作用是减小周边低频振动干扰源通过大地和建筑结构的传导作用引起的振动效应，同时对大能量（如地震等）的冲击能力进行衰减。

2级为抗震减振钟座设计，采用建筑非结构主体抗振设计的规范和原理，在钟房内预留钟座基坑，水平面为1.1m×1.1m，深度为1.4m，基坑底部铺设0.4m厚细沙层，预制钢筋混凝土钟座置于其上，钟座水平面为1m×1m，顶面与地板面持平，隔震槽宽0.05m，如图2所示。从而保证当在地震、爆破等发生的情况下，完成冲击能量的衰减或最大限度地降低对原子钟设备的损毁程度。

图2 原子钟座结构示意图

3级为在钟座基础上安装的设备隔振减振平台，其作用是对1级和2级抗震减振后剩余能量再次进行衰减，使最终传递到设备上的能量最小化，起到隔离影响、降低毁损的作用。

一般将原子钟房设置在地下，离地面2m以下，中间设置大于2m的隔空层，减小地面振动的影响，这也是非常有效的抗震减振方法。

二、温湿度控制设计

温湿度变化对原子钟（特别是氢钟）的稳定度产生极大的影响，±1℃的温度变化一般可以使原子钟的稳定度降低一个数量级。为了不影响原子钟的稳定度，原子钟房的温度范围控制在20℃-30℃，温度要保持相对恒定，1天的最大变化控制在±0.2℃，相对湿度保持在30%-80%，一天的最大变化控制在±5%，并且使用温度灵敏度小于3ps/℃的传输电缆。

因此，原子钟房需做精密的温湿度控制设计，主要可通过以下三种方法实现：

1.合理布局钟房及配套房间

因地下具有一定的自然恒温恒湿能力，原子钟房一般建设在地下。采用双层房间设计，如图3所示。外层为普通房间，要求门窗密闭，面积大于钟房，里面设置普通空调，其功率适合相应面积，考虑室内可能有其他发热设备，应适当增加空调功率；里面为电磁屏蔽原子钟房，若有多个原子钟可在一个钟房内设置多个钟座以充分利用空间并节省建设成本，原子钟房门尽可能小，不设窗，其五个面（除地面外）不能和外层房间墙面接触，离墙0.6m以上，以对外保持一定的气温交流循环空间，减少室外气温的直接影响。时频信号测量机房、精密空调机房及钟房恒温恒湿系统控制室为原子钟房的配套房间，时频信号测量机房用于接收和处理原子钟产生的时频信号，精密空调机房及钟房恒温恒湿系统控制室用于维持和监控原子钟房的高精度恒温恒湿环境。为了减少信号衰减及便于温湿度控制，配套房间应紧邻原子钟房并进行合理布局。

图3 原子钟房及其配套房间布局图

2.墙面及地面铺设隔热材料

钟房墙面加装双层保温隔热材料，提高钟房内部的温度低传导特性，尽可能隔绝钟房外环境温度变化对屏蔽室内部温度稳定性的影响。地面铺设加热板，其面积等同钟房面积，形成全方位、无死角的均衡对流，从而有效降低温度梯度。

3.采用二级温湿度控制系统

1级温湿度控制布置在原子钟房的外层房间，利用普通空调，实现±2℃，±15%RH的外环境温湿度控制，温度设置比钟房温度略低，其作用是保证原子钟房周围的空间环境温度的波动率低，减少季节性环境温度波动对钟房内温度稳定性的影响。2级温湿度控制采用高精密恒温恒湿系统，在钟房电磁屏蔽室内完成，一般由精密空调、静压空气流循环风道、高精度温湿度控制与运行监控系统组成，以实现不大于±0.2℃，±5%RH的高精密温湿度控制，保证满足钟房内原子钟的使用环境条件要求。

三、电磁屏蔽设计

原子钟是一种进行高精度时间频率保持的装置，原子钟的内部核心器件工作在一定的工作磁场中，且经过良好的电磁屏蔽。虽然原子钟大多采用了磁屏蔽装置，但外界电磁场仍会对原子钟的频率准确度和稳定度造成影响，磁场的不均匀还会引起原子钟出现二次漂移。因此，原子钟房必须采取良好的电磁屏蔽措施，减少和消除外界电磁场的影响。

为了满足电磁屏蔽条件，原子钟房需采用钢板焊接式C级电磁屏蔽室结构，做整体屏蔽，全频段屏蔽效能大于50dB，主要频段（150kHz～10GHz）屏蔽效能大于100dB，原子钟安放位置附近的磁场必须小于0.4高斯，磁场波动控制在±0.02高斯，钟房的电磁屏蔽采用不同于普通屏蔽室设计的工艺技术，除屏蔽壳体的设计外，更多的是要完成对时钟信号（贯穿信号不可以加装屏蔽滤波器）传输回路的屏蔽处理，环境监测设备的电磁兼容设计，屏蔽室供电、接地系统的设计等，均需要采取特殊的技术处理手段。

四、其他要点设计

1.供电系统

原子钟需要24小时不间断供电，对供电系统的可靠性和稳定性要求较高，故需采用具有故障备份的冗余供电系统和应急状态下的自发电设备，保证钟房的稳定工作。原子钟一般采用1主1备2路独立的UPS供电回路，并配备高性能电源滤波器和稳压设备，UPS由220V交流市电供电，市电停电情况下UPS后备时间不小于30分钟，供电电压指标要求为220V±5%，50Hz±2%，供电系统需配备发电机设备，确保在市电长时间停电或紧急情况下仍然能维持原子钟房供电。

2.接地系统

原子钟房需采用独立接地系统，确保零线和接地线之间的电压差（零地压差）为零。可在钟房四周的承重柱上预留接地口，钟房内部布设接地铜带，原子钟就近通过铜带接地，采用联合接地方式，接地电阻小于0.8Ω。

3.消防系统

为了保证原子钟房的安全，应设置完善的消防系统，确保原子钟房及其内部设备安全可靠的运行。考虑到钟房的设备及电源线路，应采用由火灾自动报警系统和灭火装置（S型气溶胶）等组成的气体灭火系统。火灾自动报警系统由火灾探测器、气体灭火控制器、声光报警器、放气指示灯、紧急启停按钮及系统布线组成，气体灭火装置由气溶胶发生剂、发生器、冷却装置、反馈元件、壳体等组成。

五、结语

通过三级抗震减振、温湿度控制、电磁屏蔽等设计，可有效保持原子钟房的良好环境，将环境因素对原子钟的影响降低到最小，从而保证原子钟能在安全、稳定、精确、可靠的环境下维持最佳性能运行。本文全面而详细的设计要点分析可以为原子钟房建设提供重要参考和依据。