外界电磁场对铯原子钟的性能影响探讨
铯原子钟原理
铯原子钟原理
铯原子钟是一种基于铯原子的原子钟，其原理基于铯原子的超精确振荡频率。
铯原子钟的原理是通过激发铯原子的电子，使其跳跃到一个特定的能级，然后再返回到基态，这一过程的振荡频率非常稳定，可以作为时间的计量标准。
铯原子钟的工作原理主要包括以下几个方面：
首先，铯原子钟利用铯原子的超精细结构跃迁来实现时间的计量。
铯原子的超
精细结构跃迁是指铯原子的电子在不同能级之间跃迁所产生的谱线。
在铯原子钟中，通过激光等手段激发铯原子，使其电子跃迁到一个特定的能级，然后再返回到基态，这一过程产生的振荡频率非常稳定，可以作为时间的计量标准。
其次，铯原子钟利用微波共振来测量铯原子的振荡频率。
在铯原子钟中，通过
微波共振技术来测量铯原子的振荡频率。
具体来说，铯原子钟会利用外部的微波信号与铯原子的超精细结构跃迁频率进行比较，从而精确测量时间的流逝。
另外，铯原子钟还利用反馈控制系统来稳定铯原子的振荡频率。
在铯原子钟中，会采用反馈控制系统来调节微波信号的频率，使其与铯原子的超精细结构跃迁频率保持一致，从而保持铯原子钟的稳定性和精确性。
最后，铯原子钟利用计时器来记录时间的流逝。
铯原子钟会通过计时器来记录
铯原子的振荡频率，从而实现时间的精确计量。
总的来说，铯原子钟是一种基于铯原子的原子钟，其原理是通过激发铯原子的
超精细结构跃迁来实现时间的计量，利用微波共振技术来测量铯原子的振荡频率，通过反馈控制系统来稳定铯原子的振荡频率，最终通过计时器来记录时间的流逝。
铯原子钟以其高精度和稳定性，被广泛应用于科研、导航、通信等领域，成为现代精密时间测量的重要工具。
铯原子钟知识
铯原子钟所有时钟的构造都包括两大部分：能够按照固定周期走动的装置，如钟摆；还有一些计算、累加和显示时间流失的装置，如驱动时钟指针的齿轮。
大约50年前首次研制出的原子钟增加了第三部分，即以特定的频率对光和电磁辐射作出反应的原子，这些原子用来控制“钟摆”。
目前最高级的原子钟，就是利用106个液态金属铯原子对微波辐射产生共振效应来控制时针的走动。
这样的时针每秒约走动1011次，时钟指针走动得越快，时钟计算的时间也就越精确。
每一种原子都有自己的特征振动频率。
人们最熟悉的振动频率现象，就是当食盐被喷洒到火焰上时，食盐中的元素钠所发出的橘红色的光。
一个原子可以具有多种特征振动频率，可能位于无线电波波段、可见光波段，或介于其中。
铯－133则被普遍地选用作原子钟。
将铯原子共振子置于原子钟内，需要测量其中一种的跃迁频率。
通常是采用锁定晶体震荡器到铯原子的主要微波谐振来实现。
这一信号处于无线电的微波频谱范围内，并恰巧与广播卫星的发射频率相似，因此工程师们对制造这一频谱的仪器十分在行。
秒的定义随着精确测量时间的工具不断改进推出，人们自然会怀疑时间单位本身的精确性。
时间量测单位在数学方面定义的很清楚，一秒是1/60分钟，一分钟是1/60小时，亦即一小时是1/24天，一秒等于一天的1/86400。
但事实上，因为地球在运行之速度及距离太阳的改变，一个太阳日—由正午至正午的一段时间，并非都一样长。
公元1960年以前，CIPM （世界度量衡标准会议）以地球自转为基础，定义以平均太阳日之86400分之一作为秒定义。
即1秒＝1/86400平均太阳日。
然而地球自转并不稳定，会因其它星体引力的牵引而改变。
公元1960～1967年CIPM改以地球公转为基础，定义公元1900年为平均太阳年。
秒定义更改为：一秒为平均太阳年之31556925.9747分之一。
公元1967年举行的第十三届国际计量大会 (General Conference on Weights and Measures) 选择以铯原子的跃迁做为秒的新定义，即铯原子同位素Cs133基态超精细能阶跃迁9,192,631,770个周期所经历的时间，定为1秒（称作「原子秒」），秒的新定义使计时方式进入了原子的时代，此定义一直维持至今。
铯原子钟 工作原理
铯原子钟工作原理铯原子钟是一种高精度的时间测量设备，其工作原理基于铯原子的共振频率。
在本文中，我们将详细介绍铯原子钟的工作原理及其在时间标准、导航系统等领域的应用。
铯原子钟的工作原理可以简单描述为：利用铯原子在特定条件下的电磁辐射吸收和发射，测量出铯原子的共振频率，并将其作为时间的基准。
我们需要了解铯原子的基本结构和性质。
铯原子是一种碱金属元素，其原子核由78个质子和相应数量的中子组成，电子结构为2-8-18-18-8-1。
在低温下，铯原子可以处于基态，即所有的电子都处于最低能级。
铯原子钟利用铯原子的一个特性，即当处于特定能级时，它能够吸收特定频率的电磁辐射。
具体来说，铯原子钟中使用的是铯-133同位素，该同位素的基态电子结构为2-8-18-18-8-1，其中最外层的电子处于S轨道。
当铯原子处于基态时，外层的S电子可以吸收一个特定频率的微波辐射，使其跃迁到一个稍高能级。
这个特定频率的微波辐射即为铯原子钟的工作频率。
为了测量铯原子的共振频率并将其作为时间的基准，铯原子钟采用了一系列的技术和装置。
首先，铯原子钟中有一个铯原子腔，用于包含铯原子样品和提供稳定的环境条件。
铯原子样品通常以气态或蒸汽形式存在于腔中。
然后，铯原子钟中有一个高稳定性的微波振荡器，产生铯原子钟的工作频率的微波信号。
这个微波信号会被送入铯原子腔中，与铯原子样品进行相互作用。
如果微波信号的频率与铯原子的共振频率相匹配，铯原子将吸收能量并发生跃迁。
通过调节微波信号的频率，使其与铯原子的共振频率相匹配，可以观察到最大的吸收信号。
为了精确测量铯原子的共振频率，铯原子钟还利用了反馈和控制系统。
具体来说，当微波信号的频率与铯原子的共振频率相匹配时，反馈系统会保持微波信号的频率稳定，并将其作为时间的基准。
任何微小的频率变化都会被探测到并进行修正，以确保铯原子钟的准确性和稳定性。
铯原子钟在现代科学和技术中有着广泛的应用。
首先，铯原子钟是国际时间标准的重要组成部分。
原子钟基本原理及各类原子钟性能
1
原子跃迁频率
原子钟信号
理想的原子钟信号
实际信号
2
原子钟的特征参数
❖ 频率稳定度— 表征原子钟输出信号的频率值波动程度（时域，阿伦方差、 哈达玛方差）或频谱噪声大小（频域，相位噪声）
❖ 频率准确度— 表征原子钟输出信号的频率与标称的定义值（秒定义导出） 的符合程度
USNO43, India1, Brazil1, Mexico1,KRISS1 , NRC1, ON11 , ... 25台
11
光学频率原子钟
微波频率~1010Hz，光学频率~1015Hz
12
≤ 5×10-14/5d、1×10-14/5d
8
铯束原子钟
热铯原子束
原子速度 100m/s 、腔长 1m
T=10ms、 =50Hz
9
铯原子喷泉钟
10
国际第一台铯原子喷泉钟
LNE-SYRTE (FO1) ± 4×10-16 , 1.6×10-14τ -1/2 FO1-FO2: ±4.0×10-16, 5.4×10-14 τ -1/2, 2.2×10-16 (50 000 s)
115 mW, 16 cm3
➢ 小批量生产能力，支撑Micro-PNT、水下导航、
2E-10/s
Drift < 1E-10/month
数子通信等发展
5
铷原子钟
Symmetricom
TNT
星载铷钟
体积小、功耗小、易于小型化，最广泛使用的工程原子钟； 准确度：~±1E-11； 稳定度：2~3×10-12 τ-1/2 ，2~3×10-14/d；天漂≤8.2×10－14 存在光频移、信噪比低、寿命短等缺陷
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。
原子钟精确测量时间的科学壮举
原子钟精确测量时间的科学壮举时间，是我们日常生活中无法逃避的现实。
我们用时间来划分一天的工作和休息，用时间来衡量活动的快慢，用时间来安排生活的各个方面。
然而，关于时间的精确测量一直是一个挑战。
幸运的是，科学家们的努力使得原子钟成为目前世界上最精确的时间测量工具之一。
原子钟是基于原子物理学原理的设备，利用原子的稳定振荡特性来精确测量时间。
在这个精密的仪器中，原子的振荡频率被作为“秒”的定义基准。
相比传统的机械钟或者石英钟，原子钟能够提供更高的准确性和稳定性。
原子钟的核心技术是基于原子的共振现象。
其中最常用的一种原子钟是铯原子钟。
铯是一种碱金属元素，它具有非常稳定的原子结构。
在这种钟中，铯原子通过外加的射频电磁场被激发到特定能级，然后在高能态和低能态之间发生共振跃迁。
这个共振频率被定义为“原子钟的秒”。
根据国际单位制的定义，一秒被定义为铯原子跃迁所需的时间。
原子钟的制造非常精密和复杂。
首先，科学家们需要冷却铯原子以减小其热运动引起的频率不稳定性。
通常，液氮或者液氦被用来冷却原子，使其停止热运动。
接下来，激光系统被使用来与铯原子进行相互作用，激发其共振转变。
最后，通过精确计数原子的共振频率和参考标准，原子钟能够提供非常准确的时间测量。
原子钟的精确度非常高，通常在几个亿分之一秒（纳秒）的范围内。
这种准确性对于许多领域来说至关重要。
比如，全球的通信和导航系统都依赖于原子钟来同步信息并计算精确的时间间隔。
空间探测器和卫星也需要原子钟来精确测量其位置和速度。
除了铯原子钟，还有其他类型的原子钟，如氢原子钟和铯氢混合原子钟。
每一种原子钟都有其特定的优势和应用领域。
无论是铯原子钟还是其他类型的原子钟，它们都是现代科学技术中不可或缺的一部分。
原子钟的发展和应用推动了时间测量领域的进步。
随着科学技术的不断发展，原子钟的精确度将继续提高，甚至可能达到更小的时间单位。
同时，原子钟的应用也将不断扩大到更多的领域，为人类的日常生活和科学研究提供更精准的时间参考。
铯原子喷泉钟均匀C场的实现
铯原子喷泉钟均匀C场的实现吴长江;管勇;陈江;张辉;阮军;张首刚【摘要】C场均匀度是影响铯原子喷泉钟性能的重要因素。
为了消除漏磁等对磁场均匀度的影响，加入补偿线圈，通过用最小二乘法计算，逐次得出补偿线圈的个数、位置与电流。
实验表明：计算数据与实验结果吻合，得到c场不均匀性小于2nT、长度达48cm的均匀区。
%The performance of the caesium atomic fountain clock is affected by the uniformity of the C field. In order to compensate the uneven magnetic field caused by the leakage in magnetic shielding region, compensation coils are introduced and the number, position and current of the coils are calculated by the least square methgd. The experimental results agree with the theoretical prediction and an uniform magnetic-field of 48 cm with a fluctuation of less than 2 nT is obtained.【期刊名称】《时间频率学报》【年(卷),期】2011(034)002【总页数】6页(P81-86)【关键词】铯喷泉钟;磁屏蔽;最小二乘法【作者】吴长江;管勇;陈江;张辉;阮军;张首刚【作者单位】中国科学院国家授时中心,西安710600;中国科学院研究生院,北京100039;中国科学院国家授时中心,西安710600;中国科学院国家授时中心,西安710600;中国科学院研究生院,北京100039;西北大学光子学与光子技术研究所,西安710069;中国科学院国家授时中心,西安710600;中国科学院研究生院,北京100039;中国科学院时间频率基准重点实验室,西安710600;中国科学院国家授时中心,西安710600;中国科学院时间频率基准重点实验室,西安710600【正文语种】中文【中图分类】TM935.115国际单位制的7个基本物理量中，时间是测量最精确的物理量，其测量精度比其他量高4~5个数量级[1]。
原子钟简介
原子钟-定义原子钟，它最初本是由物理学家创造出来用于探索宇宙本质的；他们从来没有想过这项技术有朝一日竟能应用于全球的导航系统上。
根据量子物理学的基本原理，原子是按照不同电子排列顺序的能量差，也就是围绕在原子核周围不同电子层的能量差，来吸收或释放电磁能量的。
这里电磁能量是不连续的。
当原子从一个“能量态”跃迁至低的“能量态”时，它便会释放电磁波。
这种电磁波特征频率是不连续的，这也就是人们所说的共振频率。
同一种原子的共振频率是一定的—例如铯133的共振频率为每秒9192631770周。
因此铯原子便用作一种节拍器来保持高度精确的时间。
30年代，拉比和他的学生们在哥伦比亚大学的实验室里研究原子和原子核的基本特性。
也就是在这里，他们在依靠这种原子计时器来制造时钟方面迈出了有价值的第一步。
在其研究过程中，拉比发明了一种被称为磁共振的技术。
依靠这项技术，他便能够测量出原子的自然共振频率。
为此他还获得了1944年诺贝尔奖。
同年，他还首先提出“要讨论讨论这样一个想法”（他的学生这样说道），也就是这些共振频率的准确性如此之高，完全可以用来制作高精度的时钟。
他还特别提出要利用所谓原子的“超精细跃迁”的频率。
这种超精细跃迁指的是随原子核和电子之间不同的磁作用变化而引起的两种具有细微能量差别的状态之间的跃迁。
在这种时钟里，一束处于某一特定“超精细状态”的原子束穿过一个振荡电磁场。
当原子的超精细跃迁频率越接近磁场的振荡频率，原子从磁场中吸收的能量就越多，从而产生从原始超精细状态到令一状态的跃迁。
通过一个反馈回路，人们能够调整振荡场的频率直到所有的原子完成了跃迁。
原子钟就是利用振荡场的频率即保持与原子的共振频率完全相同的频率作为产生时间脉冲的节拍器。
人们日常生活需要知道准确的时间，生产、科研上更是如此。
人们平时所用的钟表，精度高的大约每年会有1分钟的误差，这对日常生活是没有影响的，但在要求很高的生产、科研中就需要更准确的计时工具。
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外界电磁场对铯原子钟的性能影响探讨
摘 要：本文分析了铯原子钟的相关数据，并认为外部电磁干扰对铯原子钟
性能有影响。在铯原子钟运行环境中使用适当的电磁屏蔽是减轻这种影响的有效
方法。
关键词：电磁场；铯原子
1 有关铯的性质概述
地球上最活跃和稀有金属：铯（Cs），是一种碱金属，它位于元素周期表的
左下角，只有钫的活性可能比铯高，但是钫是一种放射性元素，我们可以得到的
实验量可以忽略不计。由于铯具有很高的活性， 因此必须将其存储在特殊的安
瓶（玻璃硼硅酸盐）中，安瓶中具有大量保护气体，例如氩气和氢气。从外部来
看，铯具有淡黄色的金属光泽，但铯的价格高于金，铯很难购买，其化学性质非
常活跃，铯的价格可以达到每克 100 欧元以上。铯很不寻常，因为它的熔点非
常低，只有 28.44 摄氏度（341.53K）。如果您手中有一个装有铯的容器，用手
握着该容器，在一段时间后您会发现固体铯会很快溶解。那时，您可以尝试将液
态铯放在室内并冷却一会儿后，其中的一些会开始凝固，以非常漂亮的纯铯晶体
沉淀下来。同时，很明显铯的凝固减小了它的体积，并且安瓶中的铯凝固成漏斗
形。当将液态铯从充足的铯倒入充满煤油的烧杯中时，铯元素会迅速失去其金色
光泽，并且其表面会覆盖一层氧化物和过氧化物，原因是煤油中含有水和氧的杂
质，在此过程中不要将铯暴露在空气中。特别地，铯在固化后易于切割，它不仅
是最活跃的，而且也是硬度较低的金属，这种柔软性使人联想到食用人造黄油。
将铯放在木板上时，氧气氧化产生的热量会使铯熔化并自燃，铯原子会发出美丽
的淡紫色火焰，将其附着在餐巾纸上也会出现同样的现象。
2 提出的问题
温度，湿度和电磁场等外部因素会导致原子钟所有不确定因素， 这些不确
定因素称为非模型因素，尽管在控制这些因素实践上有种种的困难，但是这些因
素对原子钟性能的影响还是得到了人们的普遍关注。有关这些影响因素的文献很
多分析。但是只有模型数据分析是定性和半定量的研究，而不是定量的研究。有
专家说，在目前情况下由于环境因素的巨大变化，几乎不可能进行定量研究，建
立一个复杂而定量的模型是十分困难的，只可以建立定性或半定量进行大致研究
的模型。同时目前的流程在此工艺水平上，无法完全消除外部环境因素的影响，
原子钟一种用于维持高精度时间和频率的设备。原子钟内部核心设备在特定的工
作磁场中运行后，有效出色的电磁屏蔽可减少并消除外部电磁场的影响。从理论
上讲，对外部磁场的影响被认为可以忽略不计。例如，屏蔽罩将地球磁场减小了
100，000 倍或减小到更小的值，这里我们以铯束频率标准为例，解释外部电磁
场的影响。铯束频率标准的输出是通过原子状态选择，C 场作用，微波跃迁，检
测， 伺服放大等经过多步物理和技术处理后的原子跃迁频率，每一步可能会引
入偏差。一般来说，它受频率精度的影响原因是由于手表本身的物理因素和缺陷。
前者主要包括：环境因素，黑体辐射的影响以及自旋耦合和磁冲击效应等；后者
主要包括：相邻状态的跃迁效应，伺服电路不完整等因素。因为原子钟更加贵，
所以在普通实验室中，实验室无法进行任何更改外部电磁场强度用于研究手表的
性能。对于一台正在运行中的钟，只能对获取的数据进行理性分析。另外，需要
一个好的电磁屏蔽（尤其是电磁屏蔽）需要很多钱，并非所有实验室都能取得成
果优秀的电磁屏蔽。然后使用简单的物理模型，该模型描述了电磁场如何影响原
子频率标准的物理机制。利用 NTSC 时钟室 5 年数据的分析和处理，以解释外
部电磁现场对 NTSC 铯原子钟性能的影响。
3 电磁场对钟性能影响的物理机制
3.1 频标的简化模型
原子核周围的电子跳跃以吸收或释放能量，电子在移动的过程中 以非常稳
定的频率发射电磁波。根据这个物理性质，人们选择它作为频率标准并称其为原
子的频率标准。这种类型的辐射也可以表示为两 个稳态原子的能级分别为 En，
Em 且 En>Em，在跃迁的时候，吸收或释放辐射频率是唯一的。即存在频率条件：
hv=En-Em
其中， h 是普朗克常数，v 是辐射频率。使用这个原子共振频率（原子的辐射
频率在特定能级之间转换）控制实用的标准频率发生器和计时设备称为原子钟。
在铯原子频率标准中，参考标准为（（F=4，mF=0）-（F = 3，mF=0））能级跃
迁。通过量子频率标准的基本原理，人们经常采取原子频率标准的过渡辐射过程
简化为直观的线性谐波振荡器或原子钟摆模型来仔细考虑该问题。当简化为三维
各向同性线性谐波振荡器时，频率标准在平衡位置的微小振动，使量子更易于使
用。力学知识解释了外部电磁场对频率的干扰影响。
3.2 物理机制
为了简单起见，我们将不讨论原子钟的内部结构。假设原子频率标准 C 磁
场暴露于附加磁场 B，根据原子频率标准的线性谐波振荡器模型，带电荷q 的谐
波振动器受其他磁场的影响， 可以用微扰法求体系的定态能量，谐波振荡器的
能量本征值问题如下，利用海森堡的矩阵动力学和狄拉克的算子代数方法进行解
决，我在这里将不再解释它。选择不同的量子数，可以清楚地看到 3D 共振薄弱
领域的能级划分情况。这样我们可以清除楚的认为原子频率标准 B 附加磁场的
影响，改变了其物理性质。因此，它也可以解释频率标准暴露于弱电场的情况。
铯原子钟由于其高可靠性，出色的精度和低漂移率而被用作第一 级频率
标准。在 20 世纪，美国和俄罗斯的导航系统成功地实施了磁选铯钟卫星。从使
用角度来看，导航系统使用铯原子钟。这不仅降低了星座联网时原子钟的通信能
力，而且降低了导航系统对地面站的依赖性。
4 总 结
在目前的技术水平上，外部电磁场仍会影响铯原子钟的频率精度和频率会
和稳定性，因此在时钟室环境中进行电磁屏蔽是减少外部电磁场对手表性能影响
的有效方法，并且屏蔽措施不可忽略。我们需要注意这种效果并做进一步的研究，
需要更全面地分析其他各种环境因素的影响。
参考文献
[1] 王义遒．频率标准在中国的发展[J]．宇航计测技术，2007，（z1）： 1—5．
[2] 王义遒．建设我国独立自主时间频率系统的思考．宇航计测技术[J]，2004，
24（1）：1—10．