原子鐘是一種鐘,它以原子共振頻率標準來計算及保持時間的準確。原子鐘是世界上已知最準確的時間測量和頻率標準,也是國際時間和頻率�(zhuǎn)換的基準,用來控制電視廣播和全球定位系統(tǒng)�(wèi)星的訊號�
盡管�(xiàn)在市面上有形形色色的各種原子�,但這些原子鐘的原理都是相同的,其主要差別在于使用的元素,以及能級變化時間的檢測方式。各種類型的原子鐘包括:
銫原子鐘:采用銫原子�。這種時鐘通過磁場分離出不同能級的銫原��
氫原子鐘:將氫原子裝在一個容器中,該容器的四周以特殊材料制成,可以使氫原子保留所需的能�,而不會過早地失去較高的能�(tài)�
銣原子鐘:是所有原子鐘中最簡便、最緊湊的一�。這種時鐘使用一玻璃室的銣氣,當周圍的微波頻率剛好合適時,就會按光學銣頻率改變其光吸收率�
當今最精確的原子鐘都使用了銫原�,以及正常磁場和檢測器。此�,還可以通過使用激光束來防止銫原子前后高速移�,從而可以減少因多普勒效應而產(chǎn)生的輕微頻率變化�
原子具有獨特的振蕩頻�。將含鈉的精鹽撒入火中會閃耀橙色�,這大概是最常見的頻�。原子的頻率各不相同,有的具有無線電波長,有的具有可見光�,還有的介于這兩者之間。銫133是制造原子鐘時選用得最多的元素�
要借助銫原子共振制成一臺原子鐘,必須精確測量其中一種原子躍遷和共振頻率。通常,測量方法是將一個晶體振蕩器鎖在銫原子的主要微波共振子上。該信號在無線電頻譜的微波范圍內(nèi),與直播�(wèi)星信號的頻率類型剛好相同。工程師們清楚地知道如何制造適合該頻譜范圍的設(shè)備�
要制造一臺時�,首先需要將銫加�,使原子汽化,然后沿著在高真空環(huán)境中�(diào)控的試管�(nèi)流動。原子首先流過一個磁�,該磁場將選擇能�(tài)適當?shù)脑?;然�,原子將流過一個強微波�。微波能的頻率將在狹窄的頻率范圍�(nèi)前后掃描,以便在每個周期的某個時間點,完全與 9,192,631,770赫茲(Hz,或每秒周期�(shù))這個頻率重�。微波發(fā)生器的范圍已�(jīng)與這個確切的頻率非常接近,因為范圍值是由精確的晶體振蕩器計算出來的。當銫原子接收到頻率完全合適的微波能�,將會改變自身的能態(tài)�
在試管的遠端,如果微波場的頻率完全合�,則另一個磁場會分離出能�(tài)已發(fā)生變化的原子。在試管的末�,有一個檢測器會根�(jù)撞擊它的銫原子數(shù)的比例發(fā)出一個輸出信號,當微波頻率完全合適時,將會發(fā)出輸出峰�。然�,將使用該峰值稍微進行修正,使晶體振蕩器和微波場先后完全采用這種頻率。將這個鎖定的頻率再除�9,192,631,770,便可以得出�(xiàn)實世界中通用的“每秒一脈沖”的頻率�
1945�,哥倫比亞大學物理教授Isidor Rabi建議采用他在二十世紀三十年代開發(fā)的原子束磁共振法制造時��1949�,國家標準局(NBS,現(xiàn)稱美國國家標準技�(shù)�(xié)會,簡稱NIST)宣告開�(fā)了臺將氨分子用做振蕩源的原子��1952�,該機構(gòu)宣告開發(fā)了臺將銫原子用做振蕩源的原子�,即NBS-1�1955�,英國國家物理實驗室制造出了臺可用做振蕩源的銫束原子鐘。在其后的十年中,越來越多的先進時鐘相繼問��1967�,第13屆度量衡大會在銫原子振蕩技�(shù)的基�(chǔ)上制定了SI秒,從此,全球的計時系統(tǒng)不再以天文學技�(shù)為基�(chǔ)!NBS-4�1968年完�,它是世界上最�(wěn)定的銫原子鐘,到二十世紀九十年代為止,它一直是NIST時間系統(tǒng)的重要組成部��
1999年,NIST-F1開始投入使用,其誤差�1.7 x 10-15,也就是�,其精度約為2000萬年偏差1秒,是有史以來最精確的時��
當前原子鐘的�(fā)展有兩個重要的并行方向:一是以光鐘為代表的,向準確度和�(wěn)定度邁進的高端,一是以相干布居陷俘(CPT)頻標為代表的向芯片�、集成化邁進的普及。兩個方向都要求物理原理的研究和工藝技�(shù)的實�(xiàn),但前者更偏重基礎(chǔ)研究,后者更強調(diào)工藝實現(xiàn)。為了建�(shè)我國獨立自主的時間頻率系�(tǒng),兩個方向都要發(fā)�,以滿足建立國際級時間頻率基準和日用高科技對時間頻率標準的需�。從增強國防力量�,其需求處于兩者之�,從星載、機載到單兵裝備,需要從高端到普及型的各種原子時間頻率標�。不僅要求有很高的性能,而且要有較大的批�。研究很重要,工藝技�(shù)很關(guān)�。解決這些問題不僅需要科學研�,從原理上提出解決途徑,而且依靠�(chǎn)�(yè)化開�(fā)。原子鐘事業(yè)是一種以低技�(shù)攻高技�(shù),以 10-7�10-8,甚至是 10-3�10-4精度� 10-17�10-18精度的行�(yè),要實現(xiàn)性能指標,又能可靠運�,不�(jīng)過精雕細刻和�(chǎn)品篩�,光靠工藝保證是行不通的�
在嚴格工藝條件和�(guī)范下進行批量生產(chǎn),確保整體質(zhì)量的基礎(chǔ)上才能取得優(yōu)�(zhì)�(chǎn)�。因�,要大力扶植生產(chǎn)時間頻率�(chǎn)品的�(chǎn)�(yè),走�(chǎn)�(yè)化的道路�
維庫電子�,電子知識,一查百��
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