铷原子钟

概述

铷原子钟是中科院武汉物理与数学研究所研制的一款高精度、高可靠性同步时钟产品。该时钟将高稳定性铷振荡器与GPS高精度授时、测频及时间同步技术有机的结合在一起，使铷振荡器输出频率驯服同步于GPS卫星铯原子钟信号上，提高了频率信号的长期稳定性和准确度，能够提供铯钟量级的高精度时间频率标准，是通信广电等部门替代铯钟的高性价比产品。

铷原子钟输出的1pps信号，是由铷振荡器频率信号分频得到的，并且同步于GPS输出的UTC时间，同时能够克服GPS接收机秒脉冲信号跳变带来的影响，是真正复现的“UTC时间基准”。当GPS失锁或出现异常不可用时，系统能够智能判别，切换到铷钟进行守时，继续提供高可靠性的时间频率信号。

铷原子钟溯源同步到GPS卫星铯原子钟上，输出频率几乎没有漂移，所以不需送上级计量部门进行周期校准，性能接近铯钟，但却远远低于铯钟的价格，而且不存在铯钟那样铯束管寿命短需要高成本更换的问题。铷原子钟非常适合应用于SDH数字同步网的1，2级节点时钟，为电力、电信、广电、时统、计量校准、雷达设备等提供高精度的时间和频率基准。

主要特点

l 内置铷振荡器（由中科院武汉物理与数学研究所中科时润频标技术公司自主研发）

l 日平均频率准确度<2×10P-12P

l 时间实时显示

l 驯服、保持自动切换

l GPS失锁后依靠铷钟高精度守时

l 低相噪频率信号输出

l 测频精度<2×10P-12P/天

l 具备TRAIM算法的GPS接收机

输出信息

l 10MHz

1路，BNC接口，50Ω正弦波，

输出幅度：12dBm±1dB

准确度：≤2E-12（开机48小时以后，GPS锁定状态，24小时平均准确度）

开机特性：加电5分钟：≤5E-10

加电4小时：≤1E-11

加电12小时后：≤5E-12

稳定度：＜6 E -10/1ms

＜1 E -10/10ms

＜6 E -11/100ms

＜1 E-11/1s

＜5 E-12/10s

＜3 E-12/100s

＜1 E-12/日（GPS锁定）

相位噪声：≤ -90dBc/Hz @10Hz

≤-130dBc/Hz @100Hz

≤-140dBc/Hz @1kHz

≤-160dBc/Hz ≥10kHz

失真：谐波：≤-50dBc

非谐波：≤-100dBc

l 5MHz、1MHz各1路，指标同10MHz

l GPS秒脉冲

1路，BNC，TTL电平，输出阻抗50Ω

授时精度：<50ns

脉冲宽度：20ms

上升沿： <10ns

l 分频秒脉冲

1路，BNC，TTL电平，输出阻抗50Ω

同步精度：<100ns

脉冲宽度：500ms

上升沿： <10ns

抖动： <1ns

当GPS锁定时，秒脉冲与GPS同步

当GPS失锁时，由内置铷原子频标保持

l RS232接口

MOTOROLA二进制GPS信息 @@Ha

波特率：9600，数据位：8，奇偶校验：NULL，停止位：1

从访谈看我国原子钟研制水平

从访谈看我国原子钟研制水平弄虚作假，夸大其词——真TM恶心！编者按：十年前，国家为落实“科教兴国“的伟大战略，启动了在中国教育和科学发展史上具有开创性意义的“211工程”。工程的实施，在学科建设、人才培养、科技创新等方面为北京大学这样一所百年名校的发展，提供了重要的物质支持和精神支撑。在短短的十年左右的时间中，全体师生团结进取，开拓创新，以奋发向上的精神面貌和丰硕的学术科研成果，为中华民族的进步不断作出着新的贡献。我们将陆续推出——回眸北大“211工程”的系列报道，让大家在了解和思考中，进一步增强建设世界一流大学的豪情壮志，在新阶段的历史征程中，不负国家和人民的期望，书写更加辉煌的篇章。 2006年4 月17，18号北京大学将接受“211”工程二期项目的验收。“构建新一代原子钟研究平台”正是“211工程”中重要的一个项目。在迎接验收前夕，记者特地采访了该项目的带头人、北京大学信息科学技术学院副院长、博士生导师、量子电子学研究所所长、教育部量子信息与测量实验室主任陈徐宗教授。记者：陈教授您好！首先非常感谢您在百忙中接受我的采访！您知道再过10天我们北京大学就要接受“211”工程二期项目的验收，您可以谈一下在过去几年中我们这个项目获得“211”工程资助的资金数额以及在这些资金的资助下推动了哪些研究项目，进展如何呢？陈教授（以下简称陈）：好的，我也正想利用这个机会向大家汇报一下。在过去几年中我们这个项目获得了“211工程”二期资金300百万，利用这批资金我们主要做了三件事：第一，研制成功我国（也是世界上）第一个长期连续运转的光轴运铯原子钟（至今已连续运转2年多），长期稳定度达:10-10,准确度到达10-11打破了美国等的禁运，满足国内地面高精度小型化原子钟的需求；第二，研制出高性能的铷原子钟，使铷原子钟稳定度从目前的1×10-13/日提高到2－3×10－14/日的国际先进水平，该原子钟已被选为我国二代卫星导航系统的核心部分；第三，我们建立了新型原子钟的基础研究平台，该平台可以开展以超冷原子与超高精度光学梳状发生器为基础的新型原子钟研究，取得的成果为：（1）实现了玻色—爱因斯坦凝聚，获得了中国稳定最低的物质材料，温度为50纳开尔文，而绝对零度是0开尔文,我们知道绝对零度是无法实现只能靠近。（2）实现了多种原子激光(包括：脉冲原子激光、连续原子激光、准联系原子激光、磁场加速原子激光等)。国际上共有43个实验室获得了玻色—爱因斯坦凝聚，其中只有8个获得了脉冲原子激光，我们北大量子电子实验室就是其中之一。而连续原子激光世界上只有2个实验室获得，一个是2005年诺贝尔物理学奖获得者德国慕尼黑大学教授、马克斯普朗克-l量子光学研究所所长Theodor.W.Hansch教授领导的小组，另一个就是我们北大的实验室。（3）建立了高精度飞秒锁相光梳与半导体激光频率标准测量系统。利用此平台，我们获得了国际973项目：“超冷原子光晶格微波原子钟”、“主动式钙原子光钟”、“主动式钙原子光钟”与国家自然科学重大基金项目“光学频率向微波频率精密传递”等项目的支持。记者：听了陈教授的介绍，真是欢欣鼓舞！陈教授，我对您刚才提到的一些比较专业的术语比如玻色—爱因斯坦凝聚、一些数据的实际概念都不是完全了解。另外我也想问一下原子钟的工作原理。陈：首先玻色—爱因斯坦凝聚是爱因斯坦在70年前提出的，我们知道在常温下原子是很活跃的，很难控制，而到达一定低温后所有的原子会表现出同一个状态形成一种“凝聚”。打个不恰当的比方——本来操场上有很多穿着各种衣服在锻炼的同学，他们打球、踢球、跑步等等，而现在让他们都穿上统一服装做广播体操，并且假设每个人都是一模一样的。而玻色—爱因斯坦凝聚状态下的原子就类似这个情形。至于上面所说的一些数据，10－12也就是说原子钟30万年差一秒，我们现在研制成功的10－15也就是说3000万年差一秒。而天稳定度我们这样说吧，卫星在运转过程会出现偏差，每天都要调整，如果卫星携带的原子钟天稳定度高，那么调整幅度就比较小，调整起来就比较方便。至于原子钟的工作原理嘛，我们知道电子在原子内进

用于GNSS的SpT星载原子钟及时间系统介绍

第36卷第10期2011年10月武汉大学学报信息科学版 Geo matics and Informat ion Science of W uhan U niver sity Vo l.36N o.10 Oct.2011 收稿日期:2011-09-12。文章编号:1671-8860(2011)10-1177-05文献标志码:A 用于GNSS 的SpT 星载原子钟及时间系统介绍王庆华1 Droz Fabien 1 Rochat Pascal 1 (1 S pectraT ime 公司,Vauseyon 29,瑞士纳沙泰尔,2000,瑞士) 摘要:研究了空间铷钟和被动型氢钟的地面批量和寿命试验测试结果,以及卫星在轨试验所达到的最新性能结果。基于这些星载钟的试验结果,对全球卫星导航系统的地面时间站的关键设备及其相关算法作了简要描述,并介绍了一种新颖的在轨技术,即从星载原子钟组(ON CLE)直接产生高度稳健的时间频率信号。关键词:星载原子钟;卫星导航系统;氢钟;铷钟;时间系统中图法分类号:P228.42 准确及高稳定度的宇航级原子钟是精密卫星导航系统中的关键设备,现有的美国全球定位系统(GPS )和俄罗斯全球导航卫星系统(GLONASS),以及即将到来的中国北斗卫星导航系统、欧洲伽利略卫星导航系统、印度区域性卫星导航系统(IRNSS )和日本准天顶卫星系统(QZSS)都装载着不同类型的原子钟。宇航级原子钟必须满足从发射到多年自动运行条件下的严格要求:确保在整个项目寿命期间满意可靠的工作性能,满足对其质量、体积及功耗的限制,经受发射环境(如冲击、加速度、振动)和工作环境(真空、热循环、电磁干扰和电磁兼容、辐射、磁场及其他空间危害)的能力。不同航天任务对空间原子钟类型的选择是通过对可靠性、质量、性能及价格等诸多因素综合权衡后的结果。表1列出了各导航系统中应用的不同类型的星载原子钟,其中伽利略星载钟的选择考虑到可靠性(技术多样性)和12a 伽利略任务的寿命要求,采用了双钟技术。表1 不同导航卫星系统中的星载原子钟T ab.1 Onbo ard A tomic Clo cks on Different Nav igat ion Systems 美国GPS 俄罗斯GLONASS 欧洲伽利略中国北斗印度IRNSS 日本QZSS 铷钟铯钟氢钟铷钟铷钟铷钟铯钟铷钟 (未用于GPS IIR) SpectraTime 公司(SpT ,原T em ex Neuch -a ^tel Time 公司)为欧洲、中国和印度的多个导航系统以及其他空间项目提供空间铷钟和被动型氢钟[1],并为全球卫星导航系统的地面精密时间主站和未来星载频率系统提供高性能的时频同步设备和解决方案。 SpT (Spectra T ime)公司为多个导航系统(欧洲、中国和印度)及其他空间项目提供空间铷钟和被动型氢钟。伽利略在轨验证试验卫星(GIOVE)于2005-12和2008-04的两次发射,以及北斗卫星的相继发射,使这两种原子钟技术拥有了若干年的飞行经历。迄今为止(2011-01)SpT 公司已生产交付了60多台铷钟和15台被动型氢钟的飞行件,并进行了批量钟的特性鉴定。 1 空间铷钟(RAFS)和被动型氢钟 (PHM) 伽利略在轨验证试验卫星(GIOV E)于2005-12和2008-04的两次发射,以及北斗卫星自2009-04的相继发射,使这两种原子钟技术拥有了若干年的飞行经历。迄今为止SpT 公司已生产交付了60多台铷钟和15台氢钟的飞行件(正样),并进行了批量钟的特性鉴定。1.1 铷钟地面性能在于1991年启动的为Radio -Astron 航天任务设计的铷钟基础上,SpT 公司自1996年起开展了铷钟在导航领域的研制工作。

大象版小学科学,五年级上册第二单元《时间的脚步》(弋增涛)

第二单元时间的脚步课题：精确时间的步伐课时：1课时设计者：郑州市中原区伊河路小学弋增涛【目标确定的依据】一、课程标准相关要求《课程标准（2011年版）》与本课内容相关的要求是：（一）探究能力 1．会查阅书刊及其他信息源。 2．能利用简单表格、图形、统计等方法整理有关资料。 3．懂得交流与讨论可以引发新的想法。 4．能对自己或小组提出的探究问题作出书面解释。（二）科学概念 1．以一定的时间间隔，自然界中一些事件规律性地出现。 2．在一年中，每天太阳光照射形成的物体阴影的位置和形状在有规律地改变。 3．测量物体可以帮助人们对不同的物体和现象进行比较。（三）情感态度与价值观 1.想知道，爱提问。 2.愿意合作与交流。 3.尊重他人的劳动成果。二、教材分析《精确时间的步伐》是本单元的第一课，是全单元的总领部分。本课侧重于引导学生通过对钟表资料的广泛搜集、查找以及对各种钟表问题的探讨，丰富学生的钟表知识，加深对钟表的认识，为之后的三课做好知识上的铺垫和准备。在本课的学习中，应指导学生通过考察、查阅书刊、上网等途径获得丰富的钟表知识，对钟表有较全面、系统的认识，同时对钟表的研究产生浓厚的兴趣和探究热情。本课教学需要前期将调查任务提前布置给学生，让学生有充分的时间搜集、整理资料以备课堂交流。在课堂集

体论证环节中，注重培养学生认真倾听，积极思考、质疑的好习惯。除此之外，教材中安排的“整理汇报”、“分类”等活动更是对学生科学素养的针对性锻炼和提升。从概念体系来看，本课所需要建立的科学概念有： 1.“时间”有时是指某一时刻，有时则表示一个时间间隔（即时长）。 2. 时间可以通过对太阳运动周期的观察和投射形成的影子来测量，一些有规律运动的装置也曾被用来计量时间。 3.长期以来，人们一直在寻求精确的计时方法，随着科学和技术的发展，人们制作的计时工具越来越精确。三、学情分析钟表知识与学生日常生活联系密切，但学生只是从实际体验中获得一些零碎的感性认识。对钟表知识并没有系统的了解和深入的研究，认识仅停留在表象。经调查，大部分学生对挂钟、电子表、机械手表熟知，但并不深知。学生不能够相对充分地解释出这些钟表工作的原理，并且对于一些古老的计时方法非常陌生。对于部分物体的规律性运动变化，学生们的原有经验并不匮乏。如“滴水、摆动、影长的位置变化等”。【学习目标】 1.通过小组交流的形式，小组成员每人至少能够说出两种计时工具的工作原理。 2.小组成员能够通过合作共同在“计时工具分类表”中将搜集到的各种计时工具根据一定的标准分类填写出来。 3.60%的学生能够说出接近于“人类能够利用自然界中有规律运动的事物和现象帮助计时。”的观点。 4.65%的学生个人能够根据自己的兴趣对某一种计时工具有针对性地写出研究计划并展开研究。【教学重难点】重点： 1.指导学生根据资料在班级内进行集体交流。 2.小组内有效合作，为各种计时工具整理分类。难点： 1. 启发学生根据各种钟表的本质特点，总结出“规律运动的事物可以帮助计时”。 2. 学生根据个人研究兴趣有计划地进行选择性研究。

铷原子频率

铷原子频率基于铷原子能级跃迁结合光抽运技术形成的铷原子振荡器。由晶体振荡器（VCO）输出的信号经过倍频综合后得到铷原子谐振器相关的微波激励信号，谐振器将该信号相关处理（铷原子跃进判定）后产生误差信号，在经过伺服电路反馈给亚控晶体振荡器，使压控晶振频率锁定在铷谐振器的中心频率，从而实现以铷原子跃迁为参考的晶体振荡器。铷原子钟由铷量子部分和压控晶体振荡器组成。压控晶体振荡器的频率经过倍频和频率合成，送到量子系统与铷原子跃迁频率进行比较。误差信号送回到压控晶体振荡器，对其频率进行调节，使其锁定在铷原子特有的能级跃迁所对应的频率上。铷原子频标短期稳定度最高可达到10-12量级，准确度为±5×10-11，在分类上常分为：普通型、军用型、航天型等。由于它体积小、精度高，所以应用最广。 SYN3104型铷原子频率标准产品概述 SYN3104型铷原子频率标准是西安同步电子科技有限公司研发生产的一款高性能铷原子频率标准源，选用国外进口的高精度铷原子振荡器，提供精确的频率（量值）信号，能够为计量、通信、国防等部门提供高精度频率标准信号。产品功能 1)提供4路标准的10MHz正弦信号； 2)提供4路1PPS脉冲信号。产品特点 a)锁定快； b)低相噪； c)高可靠性； d)可长期连续稳定工作。典型应用 1)时频计量标准器具；

2)航空航天、飞行器跟踪与测控、通信、天文、气象； 3)同步广播、数字电视、单频网系统、同步采集系统。技术指标铷气泡型原子频标是使用数量最多的原子频标，随着电路技术及工艺水平的发展，其造价越来越低、体积越来越小，有望在许多场合下代替高温精度的晶体振荡器，以获得更高的精度，主要为导航定位卫星时间系统提供频率基准，广泛应用于守时、授时、导航定位、电力、铁路、测速、测距、时间同步和通信等军

LPRO-101(铷原子钟)

LPRO Rubidum Oscillator USER’S GUIDE and INTEGRATION GUIDELINES S/O/102502D LPRO Rubidium Oscillator for Time & Frequency Reference

Datum — Proprietary Copyright 2000 Datum All Rights Reserved Printed in U.S.A. This material is protected by the copyright and trade secret laws of the United States and other countries. It may not be reproduced, distributed or altered in any fashion, except in accordance with applicable agreements, contracts or licensing, without the express written consent of Datum Irvine. For permission to reproduce or distribute please contact: Publications Supervisor, Datum Irvine, 3 Parker, Irvine, CA 92618-1605. Ordering Information The ordering number of this document is S/O/102502D. To order this document, call 949 598 7600 and ask for the Datum Irvine Sales Department. Notice Every effort was made to ensure that the information in this document was complete and accurate at the time of printing. However, the information presented here is subject to change. Applicable Patents This product is protected under the following U.S. patent numbers: 4,661,782; 5,457,430; 5,489,821; 5,656,189; 5,721,514 and patents pending. Trademarks X72 is a registered trademark of Datum. Other trademarked terms may appear in this document as well. They are marked on first usage. Warranty Datum provides a 2 year warranty on this product.

空间冷原子钟

空间冷原子钟从日晷、漏刻计时器（水钟、沙漏等）的出现，到摆钟、石英晶体钟的发明，人类对于时间的把握越来越精确。而从1948年第一台原子钟发明至今，人类计时的精度更是以几乎十年一个数量级的速度提高。2016年9月，由中国科学家研制的世界上第一台在轨进行科学实验的空间冷原子钟（space cold atomic clock），随着中国的天宫二号空间实验室发射升空。空间冷原子钟这一“高冷”的术语带着国人的热情与自豪，成为热词。空间冷原子钟的原理是将激光冷却原子技术与空间微重力环境相结合，在空间轨道上获得比地面上的线宽要窄一个数量级的原子钟谱线，从而进一步提高原子钟精度。这是原子钟发展史上又一个重大突破，在计量学、基础物理、守时、全球导航定位系统等方面都有非常重大的科学研究和工程应用价值。 ●中科院上海光机所研制的“空间冷原子钟”搭载“天宫二号”发射升空，将成为国际上首台在轨运行并开展科学实验的“空间冷原子钟”，同时也是目前在空间运行的最高精度的原子钟。“空间冷原子钟”将激光冷却技术和空间微重力环境结合，有望实现10-16量级的超高精度（约3000万年误差1秒），将目前人类在太空中的时间计量精度提高

1～2个数量级。――《空间冷原子钟专题》（中国科学院上海光学精密机械研究所官网，2017年9月） ●空间冷原子钟主要包括物理单元、微波单元、光学单元和控制单元四大组成部分，每个单元都有非常高的技术指标，其工作原理是利用激光冷却和俘获技术获得接近绝对零度（μK量级）的超冷原子团，然后采用移动光学黏团技术将其沿轴向抛射。在微重力环境下，原子团可以做超慢速均速直线运动。处于纯量子基态上的原子经过环形微波腔，与分离微波场两次相互作用后产生量子叠加态，经由原子双能级探测器测出处于两种量子态上的原子数比例，获得原子跃迁几率，改变微波频率即可获得原子钟的谱线Ramsey条纹。预计微重力环境下所获得的Ramsey中心谱线线宽可达0.1 Hz，比地面冷原子喷泉钟谱线窄一个数量级，利用该谱线反馈到本地振荡器即可获得高精度的时间频率标准信号。――《超高精度空间冷原子钟》（中国科学院空间应用工程与技术中心官网，2016年9月6日） ●空间冷原子钟研制和运行的成功对于基础物理学的研究及科技的应用都意义非凡，比如：空间站内的冷原子钟对卫星上的传统热原子钟进行不受地球大气影响的校准，以及与地面喷泉原子钟形成空-地、地-空、地-地的完整校准。由于卫星全球定位系统的核心技术就在于原子?的精准度，空间冷原子钟的在轨持续运行会大幅度地提高GPS的定位精

原子钟的几种常见类型

原子钟的几种常见类型摘要本文按出现的时间顺序介绍几种常用原子钟(光谱灯抽运铷原子钟、光谱灯抽运铯原子钟、磁选态铯原子束钟、激光抽运铯原子束钟、激光冷却冷原子喷泉钟、积分球冷却原子钟)的基本原理。原子钟是利用原子或分子的能级跃迁的辐射频率来锁定外接振荡器频率的频率测量标准装置的俗称，通称为量子频率标准或原子频标。其工作原理可用图1来描述：图1 一个受控的标准频率发生器产生的信号经过倍频和频率合成转换成为频率接近于原子跃迁频率的信号，激励原子产生吸收或受激发射的频率响应信号，呈共振曲线形状，称为原子谱线，其中心频率即原子跃迁频率为，线宽为Δν。若经过转换的受控振荡器频率与原子跃迁频率不符，原子做出的响应信号通过伺服反馈系统来矫正振荡频率，直到使其与原子频率符合为止。这样就使受控振荡器频率始终稳定在原子跃迁频率上，从而实现使其振荡频率锁定于原子跃迁频率的目的。光谱灯抽运铷原子钟光抽运汽室频标用碱金属原子基态两个超精细结构能级之间跃迁的辐射频率作为标准频率，它处在微波波段。在磁场中，这两个能级都有塞曼分裂，作为标准频率的跃迁是其中两个磁子能级=0之间的跃迁，它受磁场影响最小。若用合适频率单色光照射原子系统，使基态一个超精细能级

上的原子被共振激发，而自发辐射回到基态时可能落到所有能级，原子就会集中到一个基态能级，极大地偏离玻尔兹曼分布，这就是光抽运效应。这里选择抽运光起着关键作用。在20世纪60年代初，激光器刚发明尚无法利用，唯一可用的共振光源是光谱灯。一般光谱灯是由同类原子发光，它的光谱成分能使基态两个超精细能级上的原子都被激发，因而不能有效地实现选择吸收，起到光抽运作用。幸好对铷原子，可以有一个巧妙的办法。铷原子有两种稳定同位素：和，其丰度分别为72. 2%和27. 8%。它们各有能级间距为3036MHz和6835MHz的两个超精细能级，其共振光的频率分布如图2所示。这里A，B线为所产生，a，b线属于原子。从它们的位置可见，A，a两线有较多的重合，而B，b线则重合较少。因此，若原子发出的光透过一个充以原子的滤光泡，a线就会被较多地吸收，而剩下较强的b线。原子在这种光作用下，就会有较多的下能级原子被激发，从而使更多原子聚集在超精细结构的上能级上，这就实现了光抽运效应。图2 光谱灯抽运铯原子钟20世纪60年代初期铯原子没有简单的抽运光源可用，只能利用无极放电光谱灯。这种灯能发出强度大致相等的两条超精细结构谱线，分别可对铯原子基态F=3和F=4两个超精细能级发生作用，引起原子激发。

原子钟证明原子是带电的

原子钟证明原子是带电的云南曲靖云维股份大为制焦电仪黄兆荣原子核与电子的电荷是不会抵消的，电荷是物质，物质是不会扺消的，原子核是高电位，电子是低电位，而不是正电荷和负电荷。下面的文章是搜弧科技报道，文章就证明这一点。原子钟是怎样工作的？2017-03-02 16:43 钟表最明显的作用就是记录时间，所有的钟表都是通过计数“谐振器”的“刻度”来做到这一点的。在摆钟中，谐振器是钟摆，并且时钟中的齿轮通过计数钟摆的谐振（来回摆动）来跟踪时间。摆锤通常以每秒一次的摆动频率共振，时钟的精度由谐振器在指定频率的精度决定，精度最高的也只有每年一分钟左右的误差。原子钟是使用原子的谐振频率作为其谐振器的时钟，其精度高达两千万年才误差一秒。基本上，原子在吸收或发射能量时会出现共振或“振动”。原子由原子核与外层电子组成，原子核带正电，带负电的电子绕着原子核运动。元素中的电子都处于不同的能级，即它们与原子核的距离不同。但是在每个元素中，电子只能处于一个特定的能级或“轨道”。当电子吸收能量时，它们会跃迁到更高的能量状态（将其看成是远离原子核）。当电子释放能量时，它们会跃迁到较低能量状态(将其看成是接近原子核)，损失的能量作为电磁辐射（微波、光波等）被释放出来。能量状态之间的这种跃迁就是原子钟要测量的“振荡”。这种方法的优点是原子以非常一致的频率谐振。原子钟使用铯，每个铯原子都会以完全相同的频率共振，铯-133每秒振荡9192631770周期。这种精度与其他类型的时钟完全不同，因为它不受像温度这样的环境问题的影响——这就是原子钟如此精确的原因。所以用铯我们的时钟可以精确到1/9192631770秒！如何制造铯原子钟？为了制造原子钟，首先加热铯，使得原子沸腾，沿着保持高真空的管道传送。首先，它们通过一个磁场，能筛选出处于合适能量状态的原子。然后，它们通过一个很强的微波场。微波能量的频率在一个较小频率范围内向后和向前扫描，使得在每个周期中的某一点，穿过恰好9192631770赫兹的频率。微波发生器的范围已经接近这个精确的频率，因为它来自一个精确的晶体振荡器。当铯原子接收了频率完全精确的微波能量时，它将改变其能量状态。在管道的远端，另个一磁场把已改变能量状态的原子分离出来，前提是该微波场处于完全精确的频率。管道端部的探测器检测出与其撞击的铯原子数比例，因此当微波频率完全精确时，结果达到峰值。然后，用该峰值进行必要的微小校正，以使晶体振荡器和微波场在频率上达到准确。最后将该锁定频率除以9192631770，就得到现实中所需的每秒一个脉冲。磁场是对带电粒子有作用力，故原子是带电的

原子钟

https://www.360docs.net/doc/6f9226049.html,/AMuseum/time/index.html NPL：铯：计时技术小史文/Justin Rowlatt 铯中心：位于科罗拉多州的信号中继站，原子钟时间信号从这里传到美国的千家万户。作为一个化学元素，铯实际上已经重新对时间进行了定义。自小时候到现在，在各种场合你都被告知准时很重要。现在，有了铯原子，全世界各个地方的时间都能保持准确，准确到让我们感到需要重新思考时间是什么。而且我们发现计时技术中存在一个奇怪的缺陷。事实上是在近些年来人们才意识到准确及时的重要性。并不是我们的祖先不需要知道时间，他们当然需要。几千年来，人类制造出多种多样精致的仪器来衡量时间的流逝。但事实是直到175年前，在那之前的几千年里，人们对于时间的定义来源都是太阳。不管走到哪里，你总能认出什么时候是正午。晴天里只要看一眼天空或者看一下日晷，你就能知道时间。这一切随着世界上第一条铁路线的开通而改变了，这第一条铁路就在这里，在我们英国。在那之后人们都知道伦敦的正午比布里斯托（Bristol）的正午早10分钟，这是一个精确的值，它是阳光走过两座城市之间的经度差所需要的时间。计时系统出现错误导致的将不只是乘客会误车。由于计时偏差导致的危险事件甚至火车事故越来越多。 1840年11月，英国西部铁路公司（Great Western Railway）解决了这一问题，他们使用了一个叫“铁路时间”（Railway Time）的计时系统。系统内所有城市的时间都是伦敦时间，这是第一次人们根据一个标准将不同地点的时间同步起来。此举引起了很大争议。突然间，皇家格林尼治天文台（Royal Observatory）就可以从遥远的格林尼治控制你的时间系统。埃克赛特大学的校长拒绝将学校大教堂的时钟调整至英国西部铁路公司所要求的时间。布里斯托采用了一个折中的方案：时钟上有两个分针，一个显示当地时间，一个显示“铁路时间”。

悖论的三种类别

悖论的三种类型 ——摘自《推理的迷宫》悖论，这个词有很多含义，其中最基本的含义是“矛盾”。悖论从一系列合理前提出发，而后从这些前提推演出一个结论来颠覆其前提。依据矛盾的生成方式和生成点（如果能找到生成点的话），可以对悖论进行粗略的分类。第一种是谬误型悖论。这种悖论是通过一个微妙而隐蔽的推理错误生成一个矛盾。有很多诡计能通过代数的方法“证明”2等于1，在多数情况下这些诡计的核心在于以0为分母，用这种方法迷惑我们。如： 1.令x=1 2.很明显x=x 3.两边取平方x2=x2 4.两边同时减去x2 x2-x2=x2-x2 5.因式分解x2-x2=（x+x）（x-x） 6.消掉相同的因式（x-x）x=x+x 7.即x=2x 8.根据x=1，得1=2 谬误型悖论中，悖论是一个假象。一旦你发现了其中的错误，一切都恢复正常。第二种是挑战常识型悖论。著名的例子就是“孪生子悖论”。相对论认为，时间流逝的速度因观察者的运动而不同。设想一对相同的孪生兄弟，让其中一个登上火箭前往天狼星，而后返回地球。根据相对论，此人将发现他比他的孪生兄弟年轻许多。在日常生活中，没有任何东西令我们相信时间是相对的。从摇篮到坟墓，一对孪生兄弟始终同岁。在孪生子悖论问世之初，它与常识的冲突如此这剧烈，以至于很多人（包括法国哲学家享里·柏格森，Henri Bergson）引用这个悖论证明相对论是错误的。今天，孪生子悖论已被接受为事实，其结论已被大量实验证实。1972年，物理学家约瑟夫·黑费勒（Joseph Hafele）设计的一个实验把铯原子钟装进喷气客机环球飞行，这个实验证明，当飞机乘客回家时，要比其他所有人年轻，相差一个微乎其微但可以测量的瞬间。如果一个宇航员用接近光速的速度旅行，他返回时，要比呆在家里的原来与他同龄的人年轻——没有哪个物理学家怀疑这个结论。在这类悖论中，矛盾令人惊奇但可以解决，解决方法是明显的：必须放弃原来的假定。无论最初的假定多么根深蒂固，一旦放弃它，矛盾迎刃而解。第三种是本质型悖论这类本质型悖论是难以解决的。其解决难度远远超过了谬误型悖论和挑战常识型悖论。“说谎者悖论”是一个非常简单的例子。比如： “我说的这句话是假的”。这个语句是真的还是假的？假定“我说的这句话是假的”为真。既然此语句为真，那么它陈述的内容是真的，但它说的就是这个语句是假的，于是得出这个语句是假的！

GPS卫星原子钟和原子频标介绍

GPS卫星原子钟和原子频标介绍原子钟最早是用来探索宇宙本质的，并不是用来计时的，直到科学家在研究原子和原子核基本特性过程时，才发明了磁共振的技术，这项技术可以测量出原子的自然共振频率，而自然共振频率的准确性非常高，特别适合制作高精度时钟，这样原子钟成为了研制高精度时钟的基础。在时间计时领域，钟表是人们日常使用的计时工具，精度每天每年都存在有误差，这对于人们日常使用已经足够了，但在时间精度要求更高的生产和科研领域就不能满足了。为了解决对精度要求很高的领域人们制造了原子钟，之后根据原子钟原理相继发明了铯原子钟、氢原子钟和铷原子钟，其中铯原子钟精度最高常应用于GPS北斗等卫星系统中。铯原子钟运用内部电子在两个能级间跳跃辐射出的电磁波为标准，从而控制校准电子振荡器和钟的计时。铯原子钟稳定程度为2000万年相差1 秒。氢原子钟运用原子能级跳跃时辐射出的电磁波来控

制校准石英钟，其稳定度每天变化为十亿分之一秒。铷原子钟相对其他原子更为简便紧凑，铷原子钟能使铷振荡器输出频和卫星的铯原子钟信号同步，能提供稳定的频率信号。原子钟可以应用于守时方面，也可以应用于频率标准方面。在守时方面比如设备SYN2136型北斗NTP网络时间服务器，里面都内置了守时的铷原子钟、驯服铷钟，当设备没有实时的卫星时间信号时，设备内部用铷原子钟进行守时。SYN3204型GPS北斗驯服铷原子频率标准是由西安同步研制的高精度频率标准设备，能溯源同步到GPS卫星铯原子钟上，输出频率信号准确度高并能长期稳定输出，该设备可以提供铯钟级的频率标准，并能代替价格较高的铯钟，是一款高性价比的时频设备。 SYN3204型GPS北斗驯服铷原子频率标准，以卫星信号为基准提供铯钟级的稳定频率标准。该设备有10MHz正弦信号输出、1PPS 脉冲信号和RS232时间信号，其中10MHz正弦信号输出，也可选择为5MHz和1MHz，频率准确度≤1E-12。SYN3204型GPS北斗驯服铷原子频率标准能快速锁定信号，并提供稳定可靠的信号，广泛应用于航空航天、卫星、航海、时频计量、同步广播、测控、通信、天文、气象等行业。本文章版权归西安同步所有，尊重原创，严禁洗稿，未经授权，不得转载，版权所有，侵权必究！

原子钟在导航星和空间站的应用(精)

测量与控制原子钟在导航星和空间站的应用 □中国计量科学研究院黄秉英 20制定的可用性选择政策(SA 控制的:它把G PS 定位系统的核心。6, 导航定位区分为精密和普通两个等级, 获得授权的军事

, 用户应用精码接收机, 可以实现高精度导航定位; 民用基准。这些原子钟, 、可靠性高、寿命长, 而且具有高性能水平, 代表着原子钟的顶尖级应用。一、便携式原子钟自20世纪50年代发明原子钟以来, 有三种类别的原子钟以其便携式装置迅速进入工业应用, 它们分别是铷原子钟、铯原子钟和氢原子钟。原子钟是一种以所用原子内部能级跃迁相应辐射频率为参考标准的频率自动控制装置, 其实用频率源为压控晶体振荡器(5MH z 。原子钟工作时, 该振荡器频率将锁在原子参考标准频率固定的分数值上, 如图1所示。控制原子标准分频计时频率信号用户和国外一般用户只能应用粗码接收机得到准确度较低的导航定位信息, 在导航星上还配置了进一步降低粗码定位的装置, 并在海湾战争后开始启用。该政策的目的是降低他国将G PS 信息用于与美国相竞争的高科技研究和军事工程的性能, 甚至阻止他们应用。 G PS 系统由空间部分、地面测控部分和用户设备三大部分组成。空间部分为G PS 卫星星座, 由24颗导航星组成, 均匀配置于6个轨道平面上, 地面测控部分由五个地面监测站、三个数据注入站和一个主控站组成。如图2所示。时间信号图1原子钟的组成

经过一代一代的改良, 上述三种原子钟结构愈益紧凑, 性能水平也有很大的提高。它们各有长处、互相补充。在结构方面, 铷钟最小, 其最小体积已达0125L (约相当于6cm 见方 , 铯钟和氢钟次之(1～2个标准机箱大小, 体积约25L ～50L ; 在频率稳定度方面, 氢钟最好; 而在长期频率稳定度和准确度方面, 则以铯钟最佳。二、G PS 导航星的星载钟 G PS 是美国导航星全球定位系统的缩写, 它从1973年正式开始研制发展(另一全球定位系统为前苏联的G LONASS , 如今成为全球应用价值极高、受益面最广的图2G PS 系统的组成导航星和测控站均装备高性能原子钟作为控制核心。其中星载原子钟的研制和应用, 在不断提高和发展。自1974年发射第一颗试验星以来, 就不断提高星载钟的性能水平, 同时扩展星载钟的类型(铷—铯—氢 , 研制单位也不断在严格筛选中更迭。由于导航星有一定的工作寿命(10年左右 , 为维持空间信息资源, 其最高性能水平如下:实时导航定位准所需工作的导航星数目, 需陆续补充新的导航星。确度优于10m; 大地测量事后处理的定位准确度达毫米早期阶段, 星载钟只由铷原子钟充任, 以后加入了量级, 测速准确度优于0101m/s , 时间传递或时间同步准铯原子钟, 且数量逐渐增加, 近期发射的导航星, 其星载 -9 确度达1ns (1×10s 。上述性能水平的实际应用是受美钟含2个铷钟, 2个铯钟, 稍后发射的导航星, 则计划使 46中国计量 2002. 8

原子钟概述

第2章原子钟概述 2.1原子钟的定义原子钟，是一种利用原子、分子能级差为基准信号来校准晶体振荡器或激光器频率，以使其输出标准频率信号的一种装置。它利用原子能级跃迁产生的光信号，通过光电转化、信号处理后获得用来修正晶振或激光器频率的负反馈纠偏信号，使其输出稳恒振荡频率，这种输出频率可以用来精确计量时间。根据采用的原子种类和技术手段的不同，原子钟可以分为很多种。因为特定原子能级之间的能极差是很稳定的，所以原子钟的准确度很高，可以达到千万年仅差一秒或者更高的水平。 2.2原子钟的发展历程在原子钟出现以前，最准确的计时工具是以晶体振荡器为代表的电子钟表和挂钟为代表的机械力学钟表，它们几乎可以满足人们的如常生活需要，但是在对计时准确度要求较高的科研或生产领域还是不能满足要求。原子钟的发展，最早可以追溯到1938年，美国哥伦比亚大学的拉比（Rabi）和他的学生发明了分子束磁共振技术。他们用磁共振技术观察到了原子超精细能级间的跃迁，指出当一束原子通过一个振动的电磁场时，电磁场的振动频率越接近超精细能级间的跃迁频率，原子从电磁场吸收的能量就会越多，从而使更多原子跃迁。他们由此提出应用反馈回路可以调节电磁场的振动频率，直到所有原子都可以跃迁。这就是实现原子钟的基本理论基础。通过使电磁场振动频率与原子精细能级跃迁频率共振，用电磁场的共振频率调节晶体振荡器的频率，就能使晶振频率严格跟随电磁场振动频率，实现频率输出的准确性和稳定性。再通过相应的控制、调节系统，就能使晶振输出准确、稳恒的振动频率，用这个频率为基准，就可以实现精确时。 1949年，在美国诞生了以氨分子为样品的世界上第一台原子钟，其输出频率为23.8GHz。与当时最精确的石英钟相比，它已经相当精确了。但是它由众多器件构成，体型巨大，对于大应用领域来说，实用性不强。1955年，在英国国

被动型氢钟频率稳定度与频率漂移特性分析

被动型氢钟频率稳定度与频率漂移特性分析李玉莹1, 2 刘铁新1 （1中国科学院院上海天文台，上海 200030； 2 中国科学院院研究生院，北京 100049）摘要：原子钟存在频率的漂移，这种漂移主要由内部器件造成，包括由量子结构造成的频率漂移、相检及运放造成的漂移等。分析被动型氢钟的频率漂移首先需要判断其主要噪声类型，其次选择合适的拟合方法计算漂移率，再用实验验证该拟合方法的可行性。关键词：被动型氢钟，频率稳定度，频率漂移，噪声类型 1、引言原子钟的输出频率存在一定的变化，只要此变化是稳定的（可以通过模型进行扣除），就认为该原子钟的输出频率是稳定的。在验证了原子钟具有稳定漂移后，对原子钟稳定性能的描述更为准确。本文主要分析测试设备“Picotime ”采样所得频差数据。 2、原子钟频率稳定度分析方法 2.1 实验环境介绍实验中使用的被动型氢原子钟，由俄罗斯VCH-1006氢钟的物理部分和我台研制的基于单频调制原理的电路部分组成。参考频率来自另一台VCH-1006氢钟。本文中的数据为15d 比对所得，其取样时间Δτ=10 s ，共获得136 210个样本。 Picotime 系统为瑞士SpectraTime 公司生产。在本实验中利用该系统将原子钟输出频率与参考频率进行比对，得出瞬时相对频差数据样本()τy ，并以文档形式存入计算机。 Stable32来自Hamilton Technical Services ，为业内公认的原子钟稳定度分析软件，在本实验中用来处理Picotime 所得数据。本工作处于初步阶段，数据还不充足，测量分析结果可能和实际相比存在一定偏差。本文旨在利用早期数据找出分析方法，并验证此方法可行性。 2.2 稳定度描述对于原子钟频率时域稳定度描述，常用如下两种方差。 2.2.1 阿伦方差阿伦方差是最常用的频率时域稳定度分析方法，也是国际公认的表征原子钟稳定度的参量。对于频率数据阿伦方差定义为[1]： []∑-=+--=1 m 1i 2 i 1i 2y )(y )(y )1m (21)(τττσ ，（1）

几种精度高的钟

几种精度高的钟石英钟一种计时的器具。提起时钟大家都很熟悉，它是给我们指明时间的一种计时器具，我们每天都用得到它。在日常生活中，时钟准到1秒，就已经足够了。但在许多科学研究或工程技术的领域中对钟点的要求就要高得多。石英钟正是根据这种需要而产生的。它的主要部件是一个很稳定的石英振荡器。将石英振荡器所产生的振荡频率取出来。使它带动时钟指示时间这就是石英钟。目前，最好的石英钟，每天的计时能准到十万分之一秒．也就是经过差不多270年才差1 秒。但在科学发达的今天，这种石英钟已为比它还要精确得多的其他类型的时钟所替代。氢钟一种精密的计时器具。在现代许多科学实验室和生产部门，广泛使用各种精密的时钟，氢钟就是其中的一种。氢钟与铯钟一样。是利用原子能级跳跃时辐射出来的电磁波去控制校准石英钟，但它用的是氢原子。这种钟的稳定程度与铯钟差不了多少，每天变化只有十亿分之一秒。也就是说在差不多300万年间，只有1秒之差。但它的准确程度还比铯钟稍微差一点。氢钟亦是常用的时间频率标准，被广泛用于射电天文观测、高精度时间计量、火箭和导弹的发射、核潜艇导航等方面。氢钟首先在1960年为美国科学家拉姆齐研制成功。铯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”。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，目前，最好的铯原子钟达到500万年才相差 1 秒。现在国际上，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。电波钟电波钟表是继石英电子钟表之后的新一代的高科技产品，它的出现开拓了时间计量的新里程，使精密时间的简便自动接收、并进入寻常百姓家成为可能，从而将对世界经济的发展产生重大的影响。世界各国对电波钟表极为重视，纷纷采取措施，以期尽早投入使用。电波钟表是在石英电子钟表内增加了接收无线电长波信号、数据处理、自动校正的功能结构，这样就能接收地面发射站以长波发送的标准时间信号，每只电波钟表在接收到这一精确的时码后，经数据处理器处理，即可自动校正石英电子钟表的走时误差，使每只电波钟的走时都受统一精确的时码控制，从而实现了所有电波钟高精度的计量时间和显示时间的一致性。国外电波钟发展概况五十年代末，德国就在法兰克福建台，发射频率为77.5千赫的长波时间信号。第一只作为商业用途的电波钟诞生于1986年。除法兰克福外，德国和法国又各建一个长波发射台，发播信号已可覆盖全欧洲，这为整个欧洲提高时间计量精度和时间显示的统一创造了先决条件。德国荣汉斯公司生产的电波钟已经上市并畅销欧洲市场，电波钟在欧洲钟表市场占有率已达30%。一些发达国家如美国、英国、法国、瑞士和日本等已先后建立了自己的发射台，而美国和日本最近更将发射台的发射功率提高了几倍。泰国、马来西亚也在酝酿建设长波信号发播台。中国电波钟的发展 ―第1页共2页―

相对论铯原子钟实验

相对论铯原子钟实验实验问题: 运动的时钟一定变慢吗, 东西两向飞行的原子钟指示是否一致, 地面上的钟为什么比空中的慢, 实验背景: 钟表的航行实验室对时钟延缓效应可以直接检验，上世纪出现的原子钟时的这种检验成为可能。1970年，Hafele设计了一个检验时间膨胀效应的环球航行实验(即两只在地球上同步的原子钟，一只留在地球上，另一只放到飞机上绕地球航行，飞机飞行一周后降落到地面，然后将这两只原子钟的读数进行比较)。在实际实验中，飞机是在地球的引力场中在不同高度上绕地球飞行的，因此，院子中速率的变化不仅受狭义相对论的运动学效应影响，也将受到引力场的影响，在理论上处理这一问题就必将涉及广义相对论。实验原理: 假定地球是在一个非转动参考系K中以等角速度Ω旋转(自转)，如下图所示，

在非转动参考系K中有引力场存在，这个引力场与地球引力场相同。下面我们再这个参考系中计算环球航行原子钟飞行一周后与地面上的原子钟读数之差。由狭义相对论的时间膨胀效应可以知道，其中dτ是在K系中以速度u移动的原子钟的时间间隔(固有间隔)，dt是静止在K系中的原子中的相应读数(坐标时间隔)。考虑一只静止在地球赤道上的原子钟(τ0)，它在K系中运动的速度u0就是地球赤道上的切向速度，即u0=ΩR(R是地球半径，Ω是地球自转的角速度)因此，这只原子中的固有时间隔dτ0 与坐标时间隔dt之间的关系如下:

其中，由于ΩR《c，所以略去了高于(ΩR/c)^2的小项，以速度v相对于地面向东运动的另一只原子钟，它在K系中的速度u由狭义相对论的速度相加定理(考虑地球自西向东转动)给出: 其中，由于v/c《1，ΩR/c《1，所以略去了二阶以上的小项，这只飞行的原子钟的固有时间隔dτ与坐标时间隔dt之间的关系如下: 将上述方程中的坐标时间隔dt消去，就得到地球赤道平面内距地面为h的空中，以速度v向东绕地球飞行的原子钟的固有时间隔dτ，与静止在地球赤道上的原子钟的固有时间隔dτ0之间的关系为: 这就是狭义相对论的时间膨胀效应所欲言的运动学效应。另一方面，这两只原子钟都处在地球的引力场中，因此必须考虑所谓的“引力红移”有关的贡献。在广义相对论中，对于弱引力场最低次近似的情况，两只钟的速度之差正比于他们所在地点的引力势之差，因此，距地面为h的原子钟，与地面原子钟速度之差应该是: