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原子钟

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  • 发布时间:2016/2/2 15:28:49
  • 作者:ljl_yinhe
定义
原子频率标准简称原子钟,是根据原子物理学及量子力学的原理制造的高准确度和高稳定度的振荡器,在短期及长期稳定度都比较优良的时间频率标准。
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原子钟概述

  时钟技术在现代科学技术中有着广泛的应用,其中,晶体振荡器以其使用寿命长、廉价等优点,获得了广泛应用,但是晶体振荡器的精度水平较低,并且会由于温度、老化等因素产生频率的漂移,长期稳定性较差。

  许多领域对时间指标的要求越来越高,如电力、通讯、军事、航空航天等,都需要高精度的同步时钟作为参考,协调整个系统的正常运行。原子钟是根据原子物理学及量子力学的原理制造的高准确度和高稳定度的振荡器,在短期及长期稳定度都比较优良的时间频率标准。在通信领域的数字同步网中作为第一级基准时钟,是同步网中向数字设备提供同步标准信号的最高基准源。

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原子钟原理

  物质由原子组成,原子中含有原子核和外层电子。一个原子可能处于多种状态,并与其所具有的能量相对应。具有最低能量的状态叫基态,受外界影响(如磁场、电磁波辐射等)能量随之而变化的状态叫受激态。根据原子处于基态及受激态所具有的能量不同有不同的能量等级,原子能量等级的改变称为能级跃迁。当原子由受激状态变到低能量状态时,释放的电磁能称为光子,反之如果原子吸收了电磁辐射能或光子,也将从低能态跃到高能态。量子力学研究证明:两能级之间跃迁产生的频率是固定的。由于这种特性,可以得到准确而固定的频率用上述原理制成的原子钟。

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原子钟类型

  原子钟主要有铷钟原子钟、铯钟原子钟和氢钟原子钟三种。

01铷钟原子钟

  铷钟具有较小的体积(目前美国已经有了商用芯片级的铷钟)、质量和功耗,并且预热时间短,短期稳定性和准确度较好,但长期稳定性能不如铯钟,如果为改进性能参数而加大体积,则与铯钟同样大小的铷钟也会具有几乎与铯钟一样的性能。

02铯钟原子钟

  铯钟是一种被动型(即受激型)原子束频率标准,具有良好的长期稳定性和准确度,但体积、质量和功耗大(目前国外已研制出小型化铯钟),使用寿命短,铯束管的寿命为3~5年,届时需更换。

  设在中国计量科学研究院的国家授时中心使用的就是被称为“激光冷却铯原子喷泉频率基准”的铯钟,我国的授时基准——UTC都是由它提供并不断同国际基准校正的,“北斗”卫星的时间基准也是由此而来。

03氢钟原子钟

  氢钟具有铯钟和铷钟所达不到的性能优势,具有极高的频率稳定度,但对温控要求严格,体积、质量和功耗也较大,价格也高,7年左右需更换氢元素。

  世界上最准确的氢钟,设在美国科罗拉多州博尔德国家标准和技术研究所(NIST)物理实验室的时间和频率部内,1999年建成,误差为2000万年不到一秒。


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