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铯原子钟

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1、基本解释

基本解释

  铯原子钟 - 概述

  铯(sè )原子钟又叫铯原子喷泉钟,是一种精密的计时器具。中国最新研制的铯原子钟为NIM5铯原子喷泉钟。

  

铯原子钟

  日常生活中使用的时间准到1分钟也就够了。但在近代的社会生产、科学研究和国防建设等部门,对时间的要求就高得多。它们要求时间要准到千分之一秒,甚至百万分之一秒。为了适应这些高精度的要求,人们制造出了一系列精密的计时器具,铯钟就是其中的一种。铯钟又叫“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,中国最新研制的铯原子喷泉钟,精度达到了连续走时600万年,累积误差小于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。

  铯原子钟 - 发展简史

  二十世纪30年代,美国哥伦比亚大学实验室的拉比和他的学生在研究原子及其原子核的基本性质时所获得的成果,使基于上述原子计时器的时钟研制取得了实质性进展。在拉比设想的时钟里,处于某一特定的超精细态的一束原子穿过一个振动电磁场,场的振动频率与原子超精细跃迁频率越接近,原子从电磁场吸收的能量就会越多,并因此而经历从原先的超精细态到另一态的跃迁。反馈回路可调节振动场的频率,直到所有原子均能跃迁。原子钟就是利用振动场的频率作为节拍器来产生时间脉冲,目前,振动场频率与原子共振频率已达到完全同步的水平。1949年,拉比的学生拉姆齐提出,使原子两次穿过振动电磁场,其结果可使时钟更加精确。

  

铯原子钟

  二战后,美国国家标准局和英国国家物理实验室都宣布,要以原子共振研究为基础来确定原子时间的标准。世界上第一个原子钟是由美国国家物理实验室的埃森和帕里合作建造完成的,当时这个钟需要一个房间的设备,另一名科学家扎卡来亚斯使得原子钟成为一个更为实用的仪器。1954年,他与麻省的摩尔登公司一起建造了以他的便携式仪器为基础的商用原子钟。两年后该公司生产出了第一个原子钟,并在四年内售出50个,如今用于GPS的铯原子钟都是这种原子钟的后代。

  1967年,人们依据铯原子的振动而对秒做出了重新定义。

  1995年在法国研制成功的冷原子钟(铯原子喷泉),利用了“激光冷却和囚禁原子原理和技术”,使原子钟的水平又提高了一个数量级。目前,世界上只有法国、美国、中国、德国等少数几个国家研制成功。

  今天,名为NIST F-1的原子钟是世界上最精确的钟表,但它并不能直接显示钟点,它的任务是提供“秒”这个时间单位的准确计量。这一计时装置安放在美国科罗拉多州博尔德的国家标准和技术研究所(NIST)物理实验室的时间和频率部内。1999年才建成的这座钟价值约为65万美元,可谓身价不菲。在2000万年内,它既不会少1秒也不会多1秒,其精度之高由此可见一斑。这架昂贵的时钟既没有指针也没有齿轮,只有激光束、镜子和铯原子气。

  铯原子钟 - 工作原理

  铯原子喷泉钟采用的是1997年获得诺贝尔物理学奖的“激光冷却和囚禁原子原理和技术”,精度高、结构复杂、难度大,是世界各国所关注的一项前沿科学技术。

  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。

  

铯原子钟

  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。

  铯原子钟 - 工作过程

  

铯原子钟

  工作过程

  铯原子钟又被人们形象的称作“喷泉钟”,因为铯原子钟的工作过程是铯原子象喷泉一样的“升降”。这一运动使得频率的计算更加精确。左图详细的描绘了铯原子钟工作的整个过程。这个过程可以分割为四个阶段:

  

铯原子钟

  第一阶段:

  由铯原子组成的气体,被引入到时钟的真空室中,用6束相互垂直的红外线激光(黄线)照射铯原子气,使之相互靠近而呈球状,同时激光减慢了原子的运动速度并将其冷却到接近绝对零度。此时的铯原子气呈现圆球状气体云。

  

铯原子钟

  第二阶段:

  两束垂直的激光轻轻地将这个铯原子气球向上举起,形成“喷泉”式的运动,然后关闭所有的激光器。这个很小的推力将使铯原子气球向上举起约1m高,穿过一个充满微波的微波腔,这时铯原子从微波中吸收了足够能量。

  

铯原子钟

  第三阶段:

  在地心引力的作用下,铯原子气球开始向下落,再次穿过微波腔,并将所吸收的能量全部释放出来。同时微波部分地改变了铯原子的原子状态。

  

铯原子钟

  第四阶段:

  在微波腔的出口处,另一束激光射向铯原子气,探测器将对辐射出的荧光的强度进行测量。当在微波腔中发生状态改变的铯原子与激光束再次发生作用时就会放射出光能。同时,一个探测器(右)对这一荧光柱进行测量。整个过程被多次重复,直到达到出现最大数目的铯原子荧光柱。这一点定义了用来确定秒的铯原子的天然共振频率。

  上述过程将多次重复进行,而每一次微波腔中的频率都不相同。由此可以得到一个确定频率的微波,使大部分铯原子的能量状态发生相应改变。这个频率就是铯原子的天然共振频率,或确定秒长的频率。

  铯原子钟 - 中国研制

  NIM4

  为在研制铯原子喷泉钟项目上取得突破,中国通过“派出去”、“请进来”等多种方式,与在这一领域技术水平领先的法国、美国和德国开展合作,解决了多项技术难点,最终保证了项目的顺利完成。

  2007年,中国计量科学研究院成功研制“铯原子喷泉钟”,实现了600万年不差一秒,达到世界先进水平。中国成为继法、美、德之后,第四个自主研制成功铯原子喷泉钟的国家,成为国际上少数具有独立完整的时间频率计量体系的国家之一。

  中国铯原子喷泉钟研制中实现了一系列国际首创,主要有:提出铯原子喷泉钟运行率的概念,将铯原子喷泉钟运行可靠性用定量表述,并在2003年率先达到运行率95%;用单根光纤传输四束水平装载—冷却光,改善对射光功率平衡;利用选态微波功率控制原子密度,改善冷原子碰撞频移评定;提出并成功实现正负交替采样,改善频率锁定稳定度。

  NIM5

  中国计量科学研究院自主研制的“NIM5可搬运激光冷却—铯原子喷泉时间频率基准”于2010年通过了国家质检总局组织的专家鉴定。NIM5铯原子喷泉钟采用国际最新一代铯钟原理,独立研制设计了喷泉钟物理真空系统、激光光学系统和电子学系统,实现了多方面创新,达到性能指标:年运行超过300天,连续30天准连续运行率大于99%,频率不确定度达到2×10-15,把中国时间频率基准的准确度提高到1500万年不差一秒,并在国际上首次实验实现喷泉钟直接驾驭氢钟产生地方原子时,这标志着中国时间频率基准的研究跨上了一个新的台阶。

  应用

  NIM5已获得了重要应用。在国际上首次实验实现喷泉钟直接驾驭氢钟,产生中国计量院(NIM)原子时,既可以参与国际时间合作,在非常时期又可以独立运行。喷泉钟驾驭氢钟产生NIM原子时,充分发挥了喷泉钟准确度高和氢钟可靠性高、稳定度好的优点,科学先进,资源利用合理。铯喷泉钟也将为中国北斗卫星的地面时间系统提供计量支持和服务。

  铯原子钟 - 意义

  对国家经济建设、基础科研,特别是国防安全都极为重要。1967年国际计量大会将秒的定义从天文秒改为原子秒。上世纪末,美国研制成功了GPS全球卫星定位系统,在军事、科研、计量、航空、航天、通讯、气象、资源、环境、大地测量各领域中,发挥着巨大的作用。铯原子喷泉钟是GPS的基础支撑技术。目前全世界GPS的时间体系,全部依赖美国军方原子时,并溯源到美国标准技术院(NIST)的铯原子喷泉钟。由于时间频率基准关系到国家核心利益,而铯原子喷泉钟是一个国家独立时间频率体系的源头,因此发达国家纷纷加大投入研制改进一代又一代的铯原子喷泉钟。