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準，去控制校準電子振蕩器，進而控制鐘的走動。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準，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30年代，美國哥倫比亞大學(xué)實驗室的拉比和他的學(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質(zhì)性進展。在拉比設(shè)想的時鐘里，處于某一特定的超精細態(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，美國國家標準局和英國國家物理實驗室都宣布，要以原子共振研究為基礎(chǔ)來確定原子時間的標準。世界上第一個原子鐘是由美國國家物理實驗室的埃森和帕里合作建造完成的，當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，它的任務(wù)是提供“秒”這個時間單位的準確計量。這一計時裝置安放在美國科羅拉多州博爾德的國家標準和技術(shù)研究所(NIST)物理實驗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)中一些頻率點可以達到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”，因為銫原子鐘的工作過程是銫原子象噴泉一樣的“升降”。這一運動使得頻率的計算更加精確。左圖詳細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度進行測量。當在微波腔中發(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)對這一熒光柱進行測量。整個過程被多次重復(fù)，直到達到出現(xiàn)最大數(shù)目的銫原子熒光柱。這一點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，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”，實現(xiàn)了600萬年不差一秒，達到世界先進水平。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現(xiàn)了一系列國際首創(chuàng)，主要有：提出銫原子噴泉鐘運行率的概念，將銫原子噴泉鐘運行可靠性用定量表述，并在2003年率先達到運行率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;提出并成功實現(xiàn)正負交替采樣，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可搬運激光冷卻—銫原子噴泉時間頻率基準”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)，實現(xiàn)了多方面創(chuàng)新，達到性能指標：年運行超過300天，連續(xù)30天準連續(xù)運行率大于99%，頻率不確定度達到2×10-15，把中國時間頻率基準的準確度提高到1500萬年不差一秒，并在國際上首次實驗實現(xiàn)噴泉鐘直接駕馭氫鐘產(chǎn)生地方原子時，這標志著中國時間頻率基準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。在國際上首次實驗實現(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立運行。噴泉鐘駕馭氫鐘產(chǎn)生NIM原子時，充分發(fā)揮了噴泉鐘準確度高和氫鐘可靠性高、穩(wěn)定度好的優(yōu)點，科學(xué)先進，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，并溯源到美國標準技術(shù)院(NIST)的銫原子噴泉鐘。由于時間頻率基準關(guān)系到國家核心利益，而銫原子噴泉鐘是一個國家獨立時間頻率體系的源頭，因此發(fā)達國家紛紛加大投入研制改進一代又一代的銫原子噴泉鐘。