名词解释
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原子钟

原子钟,它最初本是由物理学家创造出来用于探索宇宙本质的;他们从来没有想过这项技术有朝一日竟能应用于全球的导航系统上。

1.简介

人们平时所用的钟表,精度高的大约每年会有1分钟的误差,这对日常生活是没有影响的,但在要求很高的生产、科研中就需要更准确的计时工具。目前世界上最准确的计时工具就是原子钟,它是20世纪50年代出现的。原子钟是利用原子吸收或释放能量时发出的电磁波来计时的。由于这种电磁波非常稳定,再加上利用一系列精密的仪器进行控制,原子钟的计时就可以非常准确了。现在用在原子钟里的元素有氢(Hydrogen)、铯(Cesium)、铷(rubidium)等。原子钟的精度可以达到每100万年才误差1秒。这为天文、航海、宇宙航行提供了强有力的保障。

2.基本原理

根据原子物理学的基本原理,原子是按照不同电子排列顺序的能量差,也就是围绕在原子核周围不同电子层的能量差,来吸收或释放电磁能量的。这里电磁能量是不连续的。当原子从一个"能量态"跃迁至低的"能量态"时,它便会释放电磁波。这种电磁波特征频率是不连续的,这也就是人们所说的共振频率。同一种原子的共振频率是一定的-例如铯133的共振频率为9 192 631 770Hz。因此铯原子便用作一种节拍器来保持高度精确的时间。

3.种类

折叠铯原子钟

铯原子钟它利用铯原子内部的电子在两个能级间跳跃时辐射出来的电磁波作铯原子钟 NIST 7为标准,去控制校准电子振荡器,进而控制钟的走动。这种钟的稳定程度很高,目前,最好的铯原子钟达到2000万年才相差 1 秒。现在国际上, 普遍采用铯原子钟的跃迁频率作为时间频率的标准,广泛使用在天文、大地测量和国防建设等各个领域中。

折叠氢原子钟

氢原子钟一种精密的计时器具。氢原子钟是在现代的许多科学实验室和氢原子钟。

生产部门广泛使用一种精密的时钟,它是利用原子能级跳跃时辐射出来的电磁波去控制校准石英钟,但它用的是氢原子。这种钟的稳定程度相当高,每天变化只有十亿分之一秒。氢原子钟亦是常用的时间频率标准,被广泛用于射电天文观测、高精度时间计量、火箭和导弹的发射、核潜艇导航等方面。氢原子钟首先在1960年为美国科学家拉姆齐研制成功。氢原子钟是种高精度的时间和频率标准,在国防、空间技术和现代科学试验中有着重要的应用。

折叠铷原子钟

是所有原子钟中最简便、最紧凑的一种。这种时钟使用一玻璃室的铷气,最小的铷原子钟当周围的微波频率刚好合适时,就会按光学铷频率改变其光吸收率。 三种原子钟――铯原子钟、氢微波激射器和铷原子钟,都已成功的应用于太空、卫星以及地面控制。现今为止,在这三类中最精确的原子钟是铯原子钟,GPS卫星系统最终采用的就是铯原子钟。

此外,还可以通过使用激光束来防止铯原子前后高速移动,从而可以减少因多普勒效应而产生的轻微频率变化。

折叠CPT原子钟

CPT原子钟是利用原子的相干布局囚禁原理而实现的一种新型原子钟,也是目前从原理上唯一可实现微型化的原子钟,其体积、功耗比目前体积、功耗最小的铷原子钟相比还要小得多。最小的CPT原子钟可为手表尺寸,并用纽扣电池供电。由于这些特点,CPT原子钟在远程通讯系统定时、大范围通讯网络同步、武器装备的便携化等军、民应用方面具有很好的应用前景。例如,CPT频标应用于GPS接收机,可以显著提高导航定位精度。欧美等西方国家已经把便携式和微型化CPT频标的研发作列入国家战略发展目标。美国已经有两种商品CPT频标上市。 中科院武汉物理与数学研究所2006年研制出我国首台CPT原子钟样机,随后立即转入具有重要应用背景的样机研制。最近,以顾思洪研究员为首的研究人员在CPT原子钟核心技术攻关方面取得重要进展,研制出性能得到明显改进的CPT原子钟,其稳定度和功耗等主要指标已与国外商品钟的指标相当。下一阶段的主要研究目标是进一步优化设计参数,并进行工艺改进,研制出可以满足实际应用要求的CPT原子钟。

4.工作原理

铯原子钟的工作原理

每一个原子都有自己的特征振动频率。人们最熟悉的振动频率现象就是当食盐被喷洒到火焰上时食盐中的元素钠所发出的桔红色的光。一个原子具有多种振动频率,一些位于无线电波波段,一些位于可见光波段,而另一些则处在两者之间。铯133则被普遍地选用作原子钟。将铯原子共振子置于原子钟内,需要测量其中一种的跃迁频率。通常是采用锁定晶体振荡器到铯原子的主要微波谐振来实现。这一信号处于无线电的微波频谱范围内,并恰巧与广播卫星的发射频率相似,因此工程师们对制造这一频谱的仪器十分在行。

为了制造原子钟,铯原子会被加热至汽化,并通过一个真空管。在这一过程中,首先铯原子气要通过一个用来选择合适的能量状态原子的磁场,然后通过一个强烈的微波场。微波能量的频率在一个很窄的频率范围内震荡,以使得在每一个循环中一些频率点可以达到9,192,631,770Hz。精确的晶体振荡器所产生的微波的频率范围已经接近于这一精确频率。当一个铯原子接收到正确频率的微波能量时,能量状态将会发生相应改变。

在更远的真空管的尽头,另一个磁场将那些由于微波场在正确的频率铯原子钟内部结构上而已经改变能量状态的铯原子分离出来。在真空管尽头的探测器将打击在其上的铯原子呈比例的显示出,并在处在正确频率的微波场处呈现峰值。这一峰值被用来对产生的晶体振荡器作微小的修正,并使得微波场正好处在正确的频率。这一锁定的频率被9,192,631,770除,得到常见的现实世界需要的每秒一个脉冲。

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