基本介紹
日常生活中使用的時間準到1分鐘也就夠了。但在近代的社會生産、科學研究和國防建設等部門，對時間的要求就高得多。它們要求時間要準到千分之一秒，甚至百萬分之一秒。為了适應這些高精度的要求，人們制造出了一系列精密的計時器具，铯鐘就是其中的一種。铯鐘又叫“铯原子鐘”。它利用铯原子内部的電子在兩個能級間跳躍時輻射出來的電磁波作為标準，去控制校準電子振蕩器，進而控制鐘的走動。這種鐘的穩定程度很高，中國最新研制的铯原子噴泉鐘，精度達到了連續走時600萬年，累積誤差小于1秒。現在國際上，普遍采用铯原子鐘的躍遷頻率作為時間頻率的标準，廣泛使用在天文、大地測量和國防建設等各個領域中。
發展簡史
二十世紀30年代，美國哥倫比亞大學實驗室的拉比和他的學生在研究原子及其原子核的基本性質時所獲得的成果，使基于上述原子計時器的時鐘研制取得了實質性進展。在拉比設想的時鐘裡，處于某一特定的超精細态的一束原子穿過一個振動電磁場，場的振動頻率與原子超精細躍遷頻率越接近，原子從電磁場吸收的能量就會越多，并因此而經曆從原先的超精細态到另一态的躍遷。反饋回路可調節振動場的頻率，直到所有原子均能躍遷。原子鐘就是利用振動場的頻率作為節拍器來産生時間脈沖，振動場頻率與原子共振頻率已達到完全同步的水平。1949年，拉比的學生拉姆齊提出，使原子兩次穿過振動電磁場，其結果可使時鐘更加精确。
二戰後，美國國家标準局和英國國家物理實驗室都宣布，要以原子共振研究為基礎來确定原子時間的标準。世界上第一個原子鐘是由美國國家物理實驗室的埃森和帕裡合作建造完成的，當時這個鐘需要一個房間的設備，另一名科學家紮卡來亞斯使得原子鐘成為一個更為實用的儀器。1954年，他與麻省的摩爾登公司一起建造了以他的便攜式儀器為基礎的商用原子鐘。兩年後該公司生産出了第一個原子鐘，并在四年内售出50個，如今用于GP
S的铯原子鐘都是這種原子鐘的後代。1967年，人們依據铯原子的振動而對秒做出了重新定義。1995年在法國研制成功的冷原子鐘（铯原子噴泉），利用了“激光冷卻和囚禁原子原理和技術”，使原子鐘的水平又提高了一個數量級。世界上隻有法國、美國、中國、德國等少數幾個國家研制成功。
今天，名為NISTF-1的原子鐘是世界上最精确的鐘表，但它并不能直接顯示鐘點，它的任務是提供“秒”這個時間單位的準确計量。這一計時裝置安放在美國科羅拉多州博爾德的國家标準和技術研究所（NIST）物理實驗室的時間和頻率部内。1999年才建成的這座鐘價值約為65萬美元，可謂身價不菲。在2000萬年内，它既不會少1秒也不會多1秒，其精度之高由此可見一斑。這架昂貴的時鐘既沒有指針也沒有齒輪，隻有激光束、鏡子和铯原子氣。
工作過程
铯原子鐘又被人們形象的稱作“噴泉鐘”，因為铯原子鐘的工作過程是铯原子象噴泉一樣的“升降”。這一運動使得頻率的計算更加精确。左圖詳細的描繪了铯原子鐘工作的整個過程。這個過程可以分割為四個階段：
第一階段：由铯原子組成的氣體，被引入到時鐘的真空室中，用6束相互垂直的紅外線激光（黃線）照射铯原子氣，使之相互靠近而呈球狀，同時激光減慢了原子的運動速度并将其冷卻到接近絕對零度。此時的铯原子氣呈現圓球狀氣體雲。
第二階段：兩束垂直的激光輕輕地将這個铯原子氣球向上舉起，形成“噴泉”式的運動，然後關閉所有的激光器。這個很小的推力将使铯原子氣球向上舉起約1m高，穿過一個充滿微波的微波腔，這時铯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，铯原子氣球開始向下落，再次穿過微波腔，并将所吸收的能量全部釋放出來。同時微波部分地改變了铯原子的原子狀态。
第四階段：在微波腔的出口處，另一束激光射向铯原子氣，探測器将對輻射出的熒光的強度進行測量。當在微波腔中發生狀态改變的铯原子與激光束再次發生作用時就會放射出光能。同時，一個探測器（右）對這一熒光柱進行測量。整個過程被多次重複，直到達到出現最大數目的铯原子熒光柱。這一點定義了用來确定秒的铯原子的天然共振頻率。
上述過程将多次重複進行，而每一次微波腔中的頻率都不相同。由此可以得到一個确定頻率的微波，使大部分铯原子的能量狀态發生相應改變。這個頻率就是铯原子的天然共振頻率，或确定秒長的頻率。
中國研制
NIM4
為在研制铯原子噴泉鐘項目上取得突破，中國通過“派出去”、“請進來”等多種方式，與在這一領域技術水平領先的法國、美國和德國開展合作，解決了多項技術難點，最終保證了項目的順利完成。
2007年，中國計量科學研究院成功研制“铯原子噴泉鐘”，實現了600萬年不差一秒，達到世界先進水平。中國成為繼法、美、德之後，第四個自主研制成功铯原子噴泉鐘的國家，成為國際上少數具有獨立完整的時間頻率計量體系的國家之一。
中國铯原子噴泉鐘研制中實現了一系列國際首創，主要有：提出铯原子噴泉鐘運行率的概念，将铯原子噴泉鐘運行可靠性用定量表述，并在2003年率先達到運行率95%；用單根光纖傳輸四束水平裝載—冷卻光，改善對射光功率平衡；利用選态微波功率控制原子密度，改善冷原子碰撞頻移評定；提出并成功實現正負交替采樣，改善頻率鎖定穩定度。
NIM5
中國計量科學研究院自主研制的“NIM5可搬運激光冷卻—铯原子噴泉時間頻率基準”于2010年通過了國家質檢總局組織的專家鑒定。NIM5铯原子噴泉鐘采用國際最新一代铯鐘原理，獨立研制設計了噴泉鐘物理真空系統、激光光學系統和電子學系統，實現了多方面創新，達到性能指标：年運行超過300天，連續30天準連續運行率大于99%，頻率不确定度達到2×10，把中國時間頻率基準的準确度提高到2000萬年不差一秒，并在國際上首次實驗實現噴泉鐘直接駕馭氫鐘産生地方原子時，這标志着中國時間頻率基準的研究跨上了一個新的台階。
2014年8月，NIM5成為國際計量局認可的基準鐘之一，參與國際标準時間修正。這意味着一旦美國關閉GPS信号或不能使用國際校準數據，NIM5可獨立“守住”中國原子時。下一代NIM6将達6000萬年不差一秒。目前NIM6已經進入調試階段。
應用
NIM5已獲得了重要應用。在國際上首次實驗實現噴泉鐘直接駕馭氫鐘，産生中國計量院（NIM）原子時，既可以參與國際時間合作，在非常時期又可以獨立運行。噴泉鐘駕馭氫鐘産生NIM原子時，充分發揮了噴泉鐘準确度高和氫鐘可靠性高、穩定度好的優點，科學先進，資源利用合理。铯噴泉鐘也将為中國北鬥衛星的地面時間系統提供計量支持和服務。
