铯原子钟

铯原子钟

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中文名： 铯原子钟 特点： 高精度 别称： 铯钟

铯原子钟，一种精密的计时器具。日常生活中使用的时间准到1分钟也就够了。但在近代的社会生产、科学研究和国防建设等部门，对时间的要求就高得多。它们要求时间要准到千分之一秒，甚至百万分之一秒。为了适应这些高精度的要求，人们制造出了一系列精密的计时器具，铯钟就是其中的一种。铯钟又叫"铯原子钟"。

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应用领域

它利用铯原子内部的电子在两个能级间跳跃时辐射出来的电磁波作为标准，去控制校准电子振荡器，进而控制钟的走动。这种钟的稳定程度很高，最好的铯原子钟达到2000万年才相差 1 秒。在国际上， 普遍采用铯原子钟的跃迁频率作为时间频率的标准，广泛使用在天文、大地测量和国防建设等各个领域中。

发展简史

二十世纪30年代，美国哥伦比亚大学实验室的拉比和他的学生在研究原子及其原子核的基本性质时所获得的成果，使基于上述原子计时器的时钟研制取得了实质性进展。在拉比设想的时钟里，处于某一特定的超精细态的一束原子穿过一个振动电磁场，场的振动频率与原子超精细跃迁频率越接近，原子从电磁场吸收的能量就会越多，并因此而经历从原先的超精细态到另一态的跃迁。反馈回路可调节振动场的频率，直到所有原子均能跃迁。原子钟就是利用振动场的频率作为节拍器来产生时间脉冲，振动场频率与原子共振频率已达到完全同步的水平。1949年，拉比的学生拉姆齐提出，使原子两次穿过振动电磁场，其结果可使时钟更加精确。

二战后，美国国家标准局和英国国家物理实验室都宣布，要以原子共振研究为基础来确定原子时间的标准。世界上第一个原子钟是由美国国家物理实验室的埃森和帕里合作建造完成的，当时这个钟需要一个房间的设备，另一名科学家扎卡来亚斯使得原子钟成为一个更为实用的仪器。1954年，他与麻省的摩尔登公司一起建造了以他的便携式仪器为基础的商用原子钟。两年后该公司生产出了第一个原子钟，并在四年内售出50个，如今用于GPS的铯原子钟都是这种原子钟的后代。

1967年，人们依据铯原子的振动而对秒做出了重新定义。

1995年在法国研制成功的冷原子钟(铯原子喷泉)，利用了"激光冷却和囚禁原子原理和技术"，使原子钟的水平又提高了一个数量级。世界上只有法国、美国、中国、德国等少数几个国家研制成功。

今天，名为NIST F-1的原子钟是世界上最精确的钟表，但它并不能直接显示钟点，它的任务是提供"秒"这个时间单位的准确计量。这一计时装置安放在美国科罗拉多州博尔德的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年才建成的这座钟价值约为65万美元，可谓身价不菲。在2000万年内，它既不会少1秒也不会多1秒，其精度之高由此可见一斑。这架昂贵的时钟既没有指针也没有齿轮，只有激光束、镜子和铯原子气。

重要意义

对国家经济建设、基础科研，特别是国防安全都极为重要。1967年国际计量大会将秒的定义从天文秒改为原子秒。上世纪末，美国研制成功了GPS全球卫星定位系统，在军事、科研、计量、航空、航天、通讯、气象、资源、环境、大地测量各领域中，发挥着巨大的作用。铯原子喷泉钟是GPS的基础支撑技术。原子时，并溯源到美国标准技术院(NIST)的铯原子喷泉钟。由于时间频率基准关系到国家核心利益，而铯原子喷泉钟是一个国家独立时间频率体系的源头，因此发达国家纷纷加大投入研制改进一代又一代的铯原子喷泉钟。