銫原子鐘 - 概述

銫(sè )原子鐘又叫銫原子噴泉鐘，是一種精密的計時器具。中國最新研制的銫原子鐘為NIM5銫原子噴泉鐘。

日常生活中使用的時間準(zhǔn)到1分鐘也就夠了。但在近代的社會生產(chǎn)、科學(xué)研究和國防建設(shè)等部門，對時間的要求就高得多。它們要求時間要準(zhǔn)到千分之一秒，甚至百萬分之一秒。為了適應(yīng)這些高精度的要求，人們制造出了一系列精密的計時器具，銫鐘就是其中的一種。銫鐘又叫“銫原子鐘”。它利用銫原子內(nèi)部的電子在兩個能級間跳躍時輻射出來的電磁波作為標(biāo)準(zhǔn)，去控制校準(zhǔn)電子振蕩器，進(jìn)而控制鐘的走動。這種鐘的穩(wěn)定程度很高，中國最新研制的銫原子噴泉鐘，精度達(dá)到了連續(xù)走時600萬年，累積誤差小于1秒?，F(xiàn)在國際上，普遍采用銫原子鐘的躍遷頻率作為時間頻率的標(biāo)準(zhǔn)，廣泛使用在天文、大地測量和國防建設(shè)等各個領(lǐng)域中。

銫原子鐘 - 發(fā)展簡史

二十世紀(jì)30年代，美國哥倫比亞大學(xué)實(shí)驗(yàn)室的拉比和他的學(xué)生在研究原子及其原子核的基本性質(zhì)時所獲得的成果，使基于上述原子計時器的時鐘研制取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。在拉比設(shè)想的時鐘里，處于某一特定的超精細(xì)態(tài)的一束原子穿過一個振動電磁場，場的振動頻率與原子超精細(xì)躍遷頻率越接近，原子從電磁場吸收的能量就會越多，并因此而經(jīng)歷從原先的超精細(xì)態(tài)到另一態(tài)的躍遷。反饋回路可調(diào)節(jié)振動場的頻率，直到所有原子均能躍遷。原子鐘就是利用振動場的頻率作為節(jié)拍器來產(chǎn)生時間脈沖，目前，振動場頻率與原子共振頻率已達(dá)到完全同步的水平。1949年，拉比的學(xué)生拉姆齊提出，使原子兩次穿過振動電磁場，其結(jié)果可使時鐘更加精確。

二戰(zhàn)后，美國國家標(biāo)準(zhǔn)局和英國國家物理實(shí)驗(yàn)室都宣布，要以原子共振研究為基礎(chǔ)來確定原子時間的標(biāo)準(zhǔn)。世界上第一個原子鐘是由美國國家物理實(shí)驗(yàn)室的埃森和帕里合作建造完成的，當(dāng)時這個鐘需要一個房間的設(shè)備，另一名科學(xué)家扎卡來亞斯使得原子鐘成為一個更為實(shí)用的儀器。1954年，他與麻省的摩爾登公司一起建造了以他的便攜式儀器為基礎(chǔ)的商用原子鐘。兩年后該公司生產(chǎn)出了第一個原子鐘，并在四年內(nèi)售出50個，如今用于GPS的銫原子鐘都是這種原子鐘的后代。

1967年，人們依據(jù)銫原子的振動而對秒做出了重新定義。

1995年在法國研制成功的冷原子鐘(銫原子噴泉)，利用了“激光冷卻和囚禁原子原理和技術(shù)”，使原子鐘的水平又提高了一個數(shù)量級。目前，世界上只有法國、美國、中國、德國等少數(shù)幾個國家研制成功。

今天，名為NIST F-1的原子鐘是世界上最精確的鐘表，但它并不能直接顯示鐘點(diǎn)，它的任務(wù)是提供“秒”這個時間單位的準(zhǔn)確計量。這一計時裝置安放在美國科羅拉多州博爾德的國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究所(NIST)物理實(shí)驗(yàn)室的時間和頻率部內(nèi)。1999年才建成的這座鐘價值約為65萬美元，可謂身價不菲。在2000萬年內(nèi)，它既不會少1秒也不會多1秒，其精度之高由此可見一斑。這架昂貴的時鐘既沒有指針也沒有齒輪，只有激光束、鏡子和銫原子氣。

銫原子鐘 - 工作原理

銫原子噴泉鐘采用的是1997年獲得諾貝爾物理學(xué)獎的“激光冷卻和囚禁原子原理和技術(shù)”，精度高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、難度大，是世界各國所關(guān)注的一項前沿科學(xué)技術(shù)。

每一個原子都有自己的特征振動頻率。人們最熟悉的振動頻率現(xiàn)象就是當(dāng)食鹽被噴灑到火焰上時食鹽中的元素鈉所發(fā)出的桔紅色的光。一個原子具有多種振動頻率，一些位于無線電波波段，一些位于可見光波段，而另一些則處在兩者之間。銫133則被普遍地選用作原子鐘。

將銫原子共振子置于原子鐘內(nèi)，需要測量其中一種的躍遷頻率。通常是采用鎖定晶體振蕩器到銫原子的主要微波諧振來實(shí)現(xiàn)。這一信號處于無線電的微波頻譜范圍內(nèi)，并恰巧與廣播衛(wèi)星的發(fā)射頻率相似，因此工程師們對制造這一頻譜的儀器十分在行。

為了制造原子鐘，銫原子會被加熱至汽化，并通過一個真空管。在這一過程中，首先銫原子氣要通過一個用來選擇合適的能量狀態(tài)原子的磁場，然后通過一個強(qiáng)烈的微波場。微波能量的頻率在一個很窄的頻率范圍內(nèi)震蕩，以使得在每一個循環(huán)中一些頻率點(diǎn)可以達(dá)到9,192,631,770Hz。精確的晶體振蕩器所產(chǎn)生的微波的頻率范圍已經(jīng)接近于這一精確頻率。當(dāng)一個銫原子接收到正確頻率的微波能量時，能量狀態(tài)將會發(fā)生相應(yīng)改變。

在更遠(yuǎn)的真空管的盡頭，另一個磁場將那些由于微波場在正確的頻率上而已經(jīng)改變能量狀態(tài)的銫原子分離出來。在真空管盡頭的探測器將打擊在其上的銫原子呈比例的顯示出，并在處在正確頻率的微波場處呈現(xiàn)峰值。這一峰值被用來對產(chǎn)生的晶體振蕩器作微小的修正，并使得微波場正好處在正確的頻率。這一鎖定的頻率被9,192,631,770除，得到常見的現(xiàn)實(shí)世界需要的每秒一個脈沖。

銫原子鐘 - 工作過程

工作過程

銫原子鐘又被人們形象的稱作“噴泉鐘”，因?yàn)殇C原子鐘的工作過程是銫原子象噴泉一樣的“升降”。這一運(yùn)動使得頻率的計算更加精確。左圖詳細(xì)的描繪了銫原子鐘工作的整個過程。這個過程可以分割為四個階段：

第一階段：

由銫原子組成的氣體，被引入到時鐘的真空室中，用6束相互垂直的紅外線激光(黃線)照射銫原子氣，使之相互靠近而呈球狀，同時激光減慢了原子的運(yùn)動速度并將其冷卻到接近絕對零度。此時的銫原子氣呈現(xiàn)圓球狀氣體云。

第二階段：

兩束垂直的激光輕輕地將這個銫原子氣球向上舉起，形成“噴泉”式的運(yùn)動，然后關(guān)閉所有的激光器。這個很小的推力將使銫原子氣球向上舉起約1m高，穿過一個充滿微波的微波腔，這時銫原子從微波中吸收了足夠能量。

第三階段：

在地心引力的作用下，銫原子氣球開始向下落，再次穿過微波腔，并將所吸收的能量全部釋放出來。同時微波部分地改變了銫原子的原子狀態(tài)。

第四階段：

在微波腔的出口處，另一束激光射向銫原子氣，探測器將對輻射出的熒光的強(qiáng)度進(jìn)行測量。當(dāng)在微波腔中發(fā)生狀態(tài)改變的銫原子與激光束再次發(fā)生作用時就會放射出光能。同時，一個探測器(右)對這一熒光柱進(jìn)行測量。整個過程被多次重復(fù)，直到達(dá)到出現(xiàn)最大數(shù)目的銫原子熒光柱。這一點(diǎn)定義了用來確定秒的銫原子的天然共振頻率。

上述過程將多次重復(fù)進(jìn)行，而每一次微波腔中的頻率都不相同。由此可以得到一個確定頻率的微波，使大部分銫原子的能量狀態(tài)發(fā)生相應(yīng)改變。這個頻率就是銫原子的天然共振頻率，或確定秒長的頻率。

銫原子鐘 - 中國研制

NIM4

為在研制銫原子噴泉鐘項目上取得突破，中國通過“派出去”、“請進(jìn)來”等多種方式，與在這一領(lǐng)域技術(shù)水平領(lǐng)先的法國、美國和德國開展合作，解決了多項技術(shù)難點(diǎn)，最終保證了項目的順利完成。

2007年，中國計量科學(xué)研究院成功研制“銫原子噴泉鐘”，實(shí)現(xiàn)了600萬年不差一秒，達(dá)到世界先進(jìn)水平。中國成為繼法、美、德之后，第四個自主研制成功銫原子噴泉鐘的國家，成為國際上少數(shù)具有獨(dú)立完整的時間頻率計量體系的國家之一。

中國銫原子噴泉鐘研制中實(shí)現(xiàn)了一系列國際首創(chuàng)，主要有：提出銫原子噴泉鐘運(yùn)行率的概念，將銫原子噴泉鐘運(yùn)行可靠性用定量表述，并在2003年率先達(dá)到運(yùn)行率95%;用單根光纖傳輸四束水平裝載—冷卻光，改善對射光功率平衡;利用選態(tài)微波功率控制原子密度，改善冷原子碰撞頻移評定;提出并成功實(shí)現(xiàn)正負(fù)交替采樣，改善頻率鎖定穩(wěn)定度。

NIM5

中國計量科學(xué)研究院自主研制的“NIM5可搬運(yùn)激光冷卻—銫原子噴泉時間頻率基準(zhǔn)”于2010年通過了國家質(zhì)檢總局組織的專家鑒定。NIM5銫原子噴泉鐘采用國際最新一代銫鐘原理，獨(dú)立研制設(shè)計了噴泉鐘物理真空系統(tǒng)、激光光學(xué)系統(tǒng)和電子學(xué)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了多方面創(chuàng)新，達(dá)到性能指標(biāo)：年運(yùn)行超過300天，連續(xù)30天準(zhǔn)連續(xù)運(yùn)行率大于99%，頻率不確定度達(dá)到2×10-15，把中國時間頻率基準(zhǔn)的準(zhǔn)確度提高到1500萬年不差一秒，并在國際上首次實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)噴泉鐘直接駕馭氫鐘產(chǎn)生地方原子時，這標(biāo)志著中國時間頻率基準(zhǔn)的研究跨上了一個新的臺階。

應(yīng)用

NIM5已獲得了重要應(yīng)用。在國際上首次實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)噴泉鐘直接駕馭氫鐘，產(chǎn)生中國計量院(NIM)原子時，既可以參與國際時間合作，在非常時期又可以獨(dú)立運(yùn)行。噴泉鐘駕馭氫鐘產(chǎn)生NIM原子時，充分發(fā)揮了噴泉鐘準(zhǔn)確度高和氫鐘可靠性高、穩(wěn)定度好的優(yōu)點(diǎn)，科學(xué)先進(jìn)，資源利用合理。銫噴泉鐘也將為中國北斗衛(wèi)星的地面時間系統(tǒng)提供計量支持和服務(wù)。

銫原子鐘 - 意義

對國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)、基礎(chǔ)科研，特別是國防安全都極為重要。1967年國際計量大會將秒的定義從天文秒改為原子秒。上世紀(jì)末，美國研制成功了GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，在軍事、科研、計量、航空、航天、通訊、氣象、資源、環(huán)境、大地測量各領(lǐng)域中，發(fā)揮著巨大的作用。銫原子噴泉鐘是GPS的基礎(chǔ)支撐技術(shù)。目前全世界GPS的時間體系，全部依賴美國軍方原子時，并溯源到美國標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)院(NIST)的銫原子噴泉鐘。由于時間頻率基準(zhǔn)關(guān)系到國家核心利益，而銫原子噴泉鐘是一個國家獨(dú)立時間頻率體系的源頭，因此發(fā)達(dá)國家紛紛加大投入研制改進(jìn)一代又一代的銫原子噴泉鐘。