中國計(jì)量科學(xué)研究院 - 銫冷原子噴泉鐘電子測控系統(tǒng)

電子/科研

硬件：HMI+NI USB-6229+激光器

軟件：LabVIEW

時(shí)間頻率是國際單位制七個(gè)基本量中準(zhǔn)確度最高，意義最重大的基準(zhǔn)量之一。世界各國一直在持續(xù)不斷進(jìn)行高準(zhǔn)確度的國家時(shí)間頻率基準(zhǔn)研究。目前中國計(jì)量科學(xué)研究院（NIM）在科技部基礎(chǔ)性專項(xiàng)的支持下，正在進(jìn)行我國新一代具有國際先進(jìn)水平的時(shí)間頻率基準(zhǔn)裝置—激光冷卻銫原子噴泉鐘（10-15量級）的研制，并已取得了重大進(jìn)展。

銫原子鐘是一種精密的計(jì)時(shí)器具。日常生活中使用的時(shí)間準(zhǔn)到1分鐘也就夠了。但在近代的社會(huì)生產(chǎn)、科學(xué)研究和國防建設(shè)等部門，對時(shí)間的要求就高得多。它們要求時(shí)間要準(zhǔn)到千分之一秒，甚至百萬分之一秒。為了適應(yīng)這些高精度的要求，人們制造出了一系列精密的計(jì)時(shí)器具，銫鐘就是其中的一種。銫鐘又叫“銫原子鐘”。它利用銫原子內(nèi)部的電子在兩個(gè)能級間跳躍時(shí)輻射出來的電磁波作為標(biāo)準(zhǔn)，去控制校準(zhǔn)電子振蕩器，進(jìn)而控制鐘的走動(dòng)。

這種鐘的穩(wěn)定程度很高，目前，最好的銫原子鐘達(dá)到500萬年才相差 1 秒。現(xiàn)在國際上， 普遍采用銫原子鐘的躍遷頻率作為時(shí)間頻率的標(biāo)準(zhǔn)，廣泛使用在天文、大地測量和國防建設(shè)等各個(gè)領(lǐng)域中。

每一個(gè)原子都有自己的特征振動(dòng)頻率。人們最熟悉的振動(dòng)頻率現(xiàn)象就是當(dāng)食鹽被噴灑到火焰上時(shí)食鹽中的元素鈉所發(fā)出的黃色的光。一個(gè)原子具有多種振動(dòng)頻率，一些位于無線電波波段，一些位于可見光波段，而另一些則處在兩者之間。銫133則被普遍地選用作原子鐘。

將銫原子共振子置于原子鐘內(nèi)，需要測量其中一種的躍遷頻率。通常是采用鎖定晶體振蕩器到銫原子的主要微波諧振來實(shí)現(xiàn)。這一信號處于無線電的微波頻譜范圍內(nèi)，并恰巧與廣播衛(wèi)星的發(fā)射頻率相似，因此工程師們對制造這一頻譜的儀器十分在行。

為了制造原子鐘，銫原子會(huì)被加熱至汽化，并通過一個(gè)真空管。在這一過程中，首先銫原子氣要通過一個(gè)用來選擇合適的能量狀態(tài)原子的磁場，然后通過一個(gè)強(qiáng)烈的微波場。微波能量的頻率在一個(gè)很窄的頻率范圍內(nèi)震蕩，以使得在每一個(gè)循環(huán)中一些頻率點(diǎn)可以達(dá)到9,192,631,770Hz。精確的晶體振蕩器所產(chǎn)生的微波的頻率范圍已經(jīng)接近于這一精確頻率。當(dāng)一個(gè)銫原子接收到正確頻率的微波能量時(shí)，能量狀態(tài)將會(huì)發(fā)生相應(yīng)改變。

在更遠(yuǎn)的真空管的盡頭，另一個(gè)磁場將那些由于微波場在正確的頻率上而已經(jīng)改變能量狀態(tài)的銫原子分離出來。在真空管盡頭的探測器將打擊在其上的銫原子呈比例的顯示出，并在處在正確頻率的微波場處呈現(xiàn)峰值。這一峰值被用來對產(chǎn)生的晶體振蕩器作微小的修正，并使得微波場正好處在正確的頻率。這一鎖定的頻率被9,192,631,770除，得到常見的現(xiàn)實(shí)世界需要的每秒一個(gè)脈沖。

銫原子鐘又被人們形象的稱作“噴泉鐘”，因?yàn)殇C原子鐘的工作過程是銫原子象噴泉一樣的“升降”。這一運(yùn)動(dòng)使得頻率的計(jì)算更加精確。銫原子鐘工作的整個(gè)過程可以分割為四個(gè)階段：

第一階段，由銫原子組成的氣體，被引入到時(shí)鐘的真空室中，用6束相互垂直的紅外線激光（黃線）照射銫原子氣，使之相互靠近而呈球狀，同時(shí)激光減慢了原子的運(yùn)動(dòng)速度并將其冷卻到接近絕對零度。

第二階段，兩束垂直的激光輕輕地將這個(gè)銫原子氣球向上舉起，形成“噴泉”式的運(yùn)動(dòng)，然后關(guān)閉所有的激光器。這個(gè)很小的推力將使銫原子氣球向上舉起約1m高，穿過一個(gè)充滿微波的微波腔，這時(shí)銫原子從微波中吸收了足夠能量。

第三階段，在地心引力的作用下，銫原子氣球開始向下落，再次穿過微波腔，并將所吸收的能量全部釋放出來。

第四階段，在微波腔的出口處，另一束激光射向銫原子氣，探測器將對輻射出的熒光的強(qiáng)度進(jìn)行測量。