原子钟

种类

　　尽管现在市面上有形形色色的各种原子钟，但这些原子钟的原理都是相同的，其主要差别在于使用的元素，以及能级变化时间的检测方式。各种类型的原子钟包括：

　　铯原子钟：采用铯原子束。这种时钟通过磁场分离出不同能级的铯原子。

　　氢原子钟：将氢原子装在一个容器中，该容器的四周以特殊材料制成，可以使氢原子保留所需的能级，而不会过早地失去较高的能态。

　　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，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。

　　当今最精确的原子钟都使用了铯原子，以及正常磁场和检测器。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。

制作

　　原子具有独特的振荡频率。将含钠的精盐撒入火中会闪耀橙色光，这大概是最常见的频率。原子的频率各不相同，有的具有无线电波长，有的具有可见光谱，还有的介于这两者之间。铯133是制造原子钟时选用得最多的元素。

　　要借助铯原子共振制成一台原子钟，必须精确测量其中一种原子跃迁和共振频率。通常，测量方法是将一个晶体振荡器锁在铯原子的主要微波共振子上。该信号在无线电频谱的微波范围内，与直播卫星信号的频率类型刚好相同。工程师们清楚地知道如何制造适合该频谱范围的设备。

　　要制造一台时钟，首先需要将铯加热，使原子汽化，然后沿着在高真空环境中调控的试管内流动。原子首先流过一个磁场，该磁场将选择能态适当的原子；然后，原子将流过一个强微波场。微波能的频率将在狭窄的频率范围内前后扫描，以便在每个周期的某个时间点，完全与 9,192,631,770赫兹（Hz，或每秒周期数）这个频率重叠。微波发生器的范围已经与这个确切的频率非常接近，因为范围值是由精确的晶体振荡器计算出来的。当铯原子接收到频率完全合适的微波能时，将会改变自身的能态。

　　在试管的远端，如果微波场的频率完全合适，则另一个磁场会分离出能态已发生变化的原子。在试管的末端，有一个检测器会根据撞击它的铯原子数的比例发出一个输出信号，当微波频率完全合适时，将会发出输出峰值。然后，将使用该峰值稍微进行修正，使晶体振荡器和微波场先后完全采用这种频率。将这个锁定的频率再除以9,192,631,770，便可以得出现实世界中通用的“每秒一脉冲”的频率。

发明

　　1945年，哥伦比亚大学物理教授Isidor Rabi建议采用他在二十世纪三十年代开发的原子束磁共振法制造时钟。1949年，国家标准局（NBS，现称美国国家标准技术协会，简称NIST）宣告开发了台将氨分子用做振荡源的原子钟；1952年，该机构宣告开发了台将铯原子用做振荡源的原子钟，即NBS-1。1955年，英国国家物理实验室制造出了台可用做振荡源的铯束原子钟。在其后的十年中，越来越多的先进时钟相继问世。1967年，第13届度量衡大会在铯原子振荡技术的基础上制定了SI秒，从此，全球的计时系统不再以天文学技术为基础！NBS-4于1968年完工，它是世界上最稳定的铯原子钟，到二十世纪九十年代为止，它一直是NIST时间系统的重要组成部分。

　　1999年，NIST-F1开始投入使用，其误差为1.7 x 10-15，也就是说，其精度约为2000万年偏差1秒，是有史以来最精确的时钟。

发展方向

　　当前原子钟的发展有两个重要的并行方向：一是以光钟为代表的，向准确度和稳定度迈进的高端，一是以相干布居陷俘（CPT）频标为代表的向芯片型、集成化迈进的普及。两个方向都要求物理原理的研究和工艺技术的实现，但前者更偏重基础研究，后者更强调工艺实现。为了建设我国独立自主的时间频率系统，两个方向都要发展，以满足建立国际级时间频率基准和日用高科技对时间频率标准的需求。从增强国防力量看，其需求处于两者之间，从星载、机载到单兵装备，需要从高端到普及型的各种原子时间频率标准。不仅要求有很高的性能，而且要有较大的批量。研究很重要，工艺技术很关键。解决这些问题不仅需要科学研究，从原理上提出解决途径，而且依靠产业化开发。原子钟事业是一种以低技术攻高技术，以 10-7—10-8，甚至是 10-3—10-4精度攻 10-17—10-18精度的行业，要实现性能指标，又能可靠运行，不经过精雕细刻和产品筛选，光靠工艺保证是行不通的。

　　在严格工艺条件和规范下进行批量生产，确保整体质量的基础上才能取得优质产品。因此，要大力扶植生产时间频率产品的产业，走产业化的道路。