原子鐘

　　時(shí)鐘技術(shù)在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用，其中，晶體振蕩器以其使用壽命長(zhǎng)、廉價(jià)等優(yōu)點(diǎn)，獲得了廣泛應(yīng)用，但是晶體振蕩器的精度水平較低，并且會(huì)由于溫度、老化等因素產(chǎn)生頻率的漂移，長(zhǎng)期穩(wěn)定性較差。

　　許多領(lǐng)域?qū)r(shí)間指標(biāo)的要求越來(lái)越高，如電力、通訊、軍事、航空航天等，都需要高精度的同步時(shí)鐘作為參考，協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。原子鐘是根據(jù)原子物理學(xué)及量子力學(xué)的原理制造的高準(zhǔn)確度和高穩(wěn)定度的振蕩器，在短期及長(zhǎng)期穩(wěn)定度都比較優(yōu)良的時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)。在通信領(lǐng)域的數(shù)字同步網(wǎng)中作為第一級(jí)基準(zhǔn)時(shí)鐘，是同步網(wǎng)中向數(shù)字設(shè)備提供同步標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的最高基準(zhǔn)源。

　　物質(zhì)由原子組成，原子中含有原子核和外層電子。一個(gè)原子可能處于多種狀態(tài)，并與其所具有的能量相對(duì)應(yīng)。具有最低能量的狀態(tài)叫基態(tài)，受外界影響(如磁場(chǎng)、電磁波輻射等)能量隨之而變化的狀態(tài)叫受激態(tài)。根據(jù)原子處于基態(tài)及受激態(tài)所具有的能量不同有不同的能量等級(jí)，原子能量等級(jí)的改變稱為能級(jí)躍遷。當(dāng)原子由受激狀態(tài)變到低能量狀態(tài)時(shí)，釋放的電磁能稱為光子，反之如果原子吸收了電磁輻射能或光子，也將從低能態(tài)躍到高能態(tài)。量子力學(xué)研究證明：兩能級(jí)之間躍遷產(chǎn)生的頻率是固定的。由于這種特性，可以得到準(zhǔn)確而固定的頻率用上述原理制成的原子鐘。

　　原子鐘主要有銣鐘原子鐘、銫鐘原子鐘和氫鐘原子鐘三種。

01銣鐘原子鐘

　　銣鐘具有較小的體積(目前美國(guó)已經(jīng)有了商用芯片級(jí)的銣鐘)、質(zhì)量和功耗，并且預(yù)熱時(shí)間短，短期穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度較好，但長(zhǎng)期穩(wěn)定性能不如銫鐘，如果為改進(jìn)性能參數(shù)而加大體積，則與銫鐘同樣大小的銣鐘也會(huì)具有幾乎與銫鐘一樣的性能。

02銫鐘原子鐘

　　銫鐘是一種被動(dòng)型(即受激型)原子束頻率標(biāo)準(zhǔn)，具有良好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度，但體積、質(zhì)量和功耗大(目前國(guó)外已研制出小型化銫鐘)，使用壽命短，銫束管的壽命為3~5年，屆時(shí)需更換。

　　設(shè)在中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院的國(guó)家授時(shí)中心使用的就是被稱為“激光冷卻銫原子噴泉頻率基準(zhǔn)”的銫鐘，我國(guó)的授時(shí)基準(zhǔn)——UTC都是由它提供并不斷同國(guó)際基準(zhǔn)校正的，“北斗”衛(wèi)星的時(shí)間基準(zhǔn)也是由此而來(lái)。

03氫鐘原子鐘

　　氫鐘具有銫鐘和銣鐘所達(dá)不到的性能優(yōu)勢(shì)，具有極高的頻率穩(wěn)定度，但對(duì)溫控要求嚴(yán)格，體積、質(zhì)量和功耗也較大，價(jià)格也高，7年左右需更換氫元素。

　　世界上最準(zhǔn)確的氫鐘，設(shè)在美國(guó)科羅拉多州博爾德國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究所(NIST)物理實(shí)驗(yàn)室的時(shí)間和頻率部?jī)?nèi)，1999年建成，誤差為2000萬(wàn)年不到一秒。