原子鐘

　　時鐘技術在現(xiàn)代科學技術中有著廣泛的應用，其中，晶體振蕩器以其使用壽命長、廉價等優(yōu)點，獲得了廣泛應用，但是晶體振蕩器的精度水平較低，并且會由于溫度、老化等因素產(chǎn)生頻率的漂移，長期穩(wěn)定性較差。

　　許多領域對時間指標的要求越來越高，如電力、通訊、軍事、航空航天等，都需要高精度的同步時鐘作為參考，協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)的正常運行。原子鐘是根據(jù)原子物理學及量子力學的原理制造的高準確度和高穩(wěn)定度的振蕩器，在短期及長期穩(wěn)定度都比較優(yōu)良的時間頻率標準。在通信領域的數(shù)字同步網(wǎng)中作為第一級基準時鐘，是同步網(wǎng)中向數(shù)字設備提供同步標準信號的最高基準源。

　　物質(zhì)由原子組成，原子中含有原子核和外層電子。一個原子可能處于多種狀態(tài)，并與其所具有的能量相對應。具有最低能量的狀態(tài)叫基態(tài)，受外界影響(如磁場、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，原子能量等級的改變稱為能級躍遷。當原子由受激狀態(tài)變到低能量狀態(tài)時，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)。量子力學研究證明：兩能級之間躍遷產(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(目前美國已經(jīng)有了商用芯片級的銣鐘)、質(zhì)量和功耗，并且預熱時間短，短期穩(wěn)定性和準確度較好，但長期穩(wěn)定性能不如銫鐘，如果為改進性能參數(shù)而加大體積，則與銫鐘同樣大小的銣鐘也會具有幾乎與銫鐘一樣的性能。

02銫鐘原子鐘

　　銫鐘是一種被動型(即受激型)原子束頻率標準，具有良好的長期穩(wěn)定性和準確度，但體積、質(zhì)量和功耗大(目前國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，屆時需更換。

　　設在中國計量科學研究院的國家授時中心使用的就是被稱為“激光冷卻銫原子噴泉頻率基準”的銫鐘，我國的授時基準——UTC都是由它提供并不斷同國際基準校正的，“北斗”衛(wèi)星的時間基準也是由此而來。

03氫鐘原子鐘

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

　　世界上最準確的氫鐘，設在美國科羅拉多州博爾德國家標準和技術研究所(NIST)物理實驗室的時間和頻率部內(nèi)，1999年建成，誤差為2000萬年不到一秒。