原子钟频率标准
原子钟的原理
原子钟的原理
原子钟是一种利用原子的振动频率来测量时间的精密仪器。
它的原理基于原子
内部的能级跃迁，利用原子的振动频率来稳定地计量时间。
原子钟的原理可以追溯到上世纪50年代，当时由于原子钟的高精度和稳定性，被广泛用于国际时间标准
的制定以及导航系统的精确定位。
在原子钟中，原子的振动频率是非常稳定的，这是因为原子内部的能级结构是
固定的，不受外界影响。
比如，氢原子的能级结构是通过光谱线的观测得到的，而铯原子钟则是利用铯原子的超精细结构来测量时间。
原子的振动频率非常稳定，可以达到每秒钟数以千万计的振动次数，因此原子钟的时间测量精度非常高，可以达到几千亿分之一秒的精确度。
原子钟的主要原理是利用原子内部的能级跃迁来稳定地计量时间。
在原子钟中，原子的振动频率是通过外加的电磁场来激发的，当原子受到电磁场的作用时，原子会发生能级跃迁，从而产生特定频率的辐射。
这个频率就是原子的振动频率，利用这个频率来稳定地计量时间。
原子钟的原理基于原子的振动频率非常稳定这一特性，它可以作为时间的标准
来使用。
在实际应用中，原子钟通常会和地面上的标准时间进行比对，从而保证时间的准确性。
原子钟的高精度和稳定性使得它在科学研究、导航系统、通信系统等领域都有着重要的应用价值。
总的来说，原子钟的原理是利用原子内部的能级跃迁来稳定地计量时间。
原子
钟的高精度和稳定性使得它在现代科技领域有着广泛的应用，成为了当今世界上时间测量的标准。
随着科技的不断发展，原子钟的精度和稳定性还将进一步提高，为人类社会的发展和进步提供更加精准的时间标准。
铷原子钟的工作原理
铷原子钟的工作原理一、引言铷原子钟是一种高精度的时间测量工具，其精度可以达到每天误差不到1秒。
它是利用铷原子的超精细结构来实现时间测量的。
本文将详细介绍铷原子钟的工作原理。
二、铷原子的超精细结构超精细结构是指由于电子自旋和核自旋相互作用而导致的能级分裂。
在铷原子中，一个电子围绕着一个核自旋为I=3/2的核心运动。
这个电子具有自旋量子数S=1/2，因此它有两个可能的取向：向上或向下。
当这个电子处于基态时，它会填充最低能级（n=5）。
这个能级在没有外界干扰时会被分裂成两个亚能级，分别对应着电子自旋向上和向下两种取向。
这两个亚能级之间的距离非常小，只有约6.8 GHz。
三、铷原子钟的基本组成部分铷原子钟由以下几部分组成：激光器、腔体、微波源、控制电路和计数器。
四、激光器激光器是产生激光束的装置。
铷原子钟中使用的激光器通常是半导体激光器。
这种激光器可以产生高度单色性的激光，其波长为780 nm左右，与铷原子的D2线非常接近。
五、腔体腔体是一个封闭的空间，其中包含铷原子蒸汽和反射镜。
当激光束进入腔体时，它会被反射镜反射回来，并与铷原子发生作用。
这个过程称为吸收。
吸收后，铷原子会从基态跃迁到第一激发态（n=6），并释放出一个光子。
这个光子会沿着与入射激光束相反的方向逃逸出腔体。
六、微波源微波源是产生微波信号的装置。
它可以产生频率为6.8 GHz左右的微波信号，用于刺激铷原子中两个亚能级之间的跃迁。
七、控制电路控制电路用于控制整个系统的运行。
它可以调节激光器和微波源的输出频率，并计算出当前时间。
八、计数器计数器用于记录铷原子钟的输出信号。
它可以精确地测量微波信号的频率，并将其转换为时间单位。
九、铷原子钟的工作原理当激光束进入腔体时，它会与铷原子发生作用，使得铷原子从基态跃迁到第一激发态。
这个过程中释放出的光子具有特定的频率，称为共振频率。
当微波信号的频率与共振频率相等时，就会刺激铷原子中两个亚能级之间的跃迁。
铯原子钟频率
铯原子钟频率一、引言铯原子钟是一种高精度的时间测量设备，其频率稳定性达到了非常高的水平。
铯原子钟的频率是如何产生的呢？本文将从铯原子钟的基本原理、频率产生机制和应用等方面进行详细介绍。
二、铯原子钟的基本原理1. 原子能级和跃迁在物理学中，一个原子由一些带有不同能量的电子组成。
当电子吸收或释放能量时，它们会从一个能级跃迁到另一个能级。
这些跃迁会导致辐射或吸收电磁波。
2. 铯原子钟的基本结构铯原子钟由两个主要部分组成：振荡器和计数器。
振荡器负责产生一个稳定的电磁波，而计数器则用于测量这个电磁波与铯原子之间发生跃迁时所需的时间。
3. 铯原子钟中使用的稳定振荡器在铯原子钟中，使用微波振荡器来产生一个稳定且精确的信号。
这种振荡器通常由晶体管或其他半导体材料构成，并通过反馈电路来保持其频率稳定。
4. 铯原子钟中的计数器铯原子钟中的计数器通常使用频率计或万用表来测量振荡器产生的电磁波与铯原子之间发生跃迁所需的时间。
这个时间就是一个秒的定义。
三、铯原子钟中频率产生机制1. 铯原子能级结构铯原子有一个非常特殊的能级结构，其中一个基态被称为超精细结构能级。
这个能级可以被分为两个亚能级，其中一个比另一个高大约9.2 GHz。
2. 超精细结构跃迁当一个稳定的微波信号与铯原子碰撞时，它会导致超精细结构能级之间发生跃迁。
当这种跃迁发生时，会产生一个非常准确且稳定的频率信号，该信号可以用于测量时间。
3. 频率锁定在铯原子钟中，使用反馈电路将微波振荡器锁定到铯原子超精细结构跃迁产生的频率上。
这种锁定可以保持微波振荡器输出信号的稳定性，并确保其与标准秒之间的误差非常小。
四、铯原子钟的应用1. 时间测量铯原子钟是一种非常准确的时间测量设备，其频率稳定性可以达到每秒不到一纳秒。
这使得它在科学实验、GPS导航和通信系统等领域中得到广泛应用。
2. 精密测量由于其极高的频率稳定性，铯原子钟也可以用于其他精密测量应用，例如重力波探测器和惯性导航系统。
量子测量术语-最新国标
量子测量术语1 范围本文件规定了量子测量相关的基本术语和定义。
本文件适用于量子测量相关标准制定、技术文件编制、教材和书刊编写以及文献翻译等。
2 规范性引用文件本文件没有规范性引用文件。
3 通用基础3.1量子测量quantum measurement利用量子的最小、离散、不可分割特性及量子自旋、量子相干、量子压缩、量子纠缠等特性，大幅提升经典测量性能的测量。
3.2量子计量quantum metrology基于基本物理常数定义国际单位制基本单位，利用量子系统、量子特性或量子现象复现测量单位量值或实现直接溯源到基本物理常数的测量，可用于其他高精度测量研究。
3.3量子传感quantum sensing利用量子系统、量子特性或量子现象实现的传感技术。
3.4量子态quantum state量子系统的状态。
3.5量子费希尔信息quantum Fisher information量子费希尔信息是经典费希尔信息的扩展，表征了量子系统状态对待测参数的敏感性，可用于确定参数测量的最高精度。
3.6海森堡极限Heisenberg limit根据海森堡不确定性关系，在给定的量子态下，量子系统的某个指定的可观测物理量受其非对易物理量测量不确定性的制约所能达到的测量精度极限。
3.7标准量子极限standard quantum limit由量子力学原理决定的噪声极限，即多粒子系统处于真空态时两个正交分量的量子噪声相等且满足海森堡最小不确定关系。
3.8散粒噪声shot noise散粒噪声，或称泊松噪声，是一种遵从泊松过程的噪声。
对于电子或光子，其散粒噪声来源于电子或者光子离散的粒子本质。
3.9量子真空涨落quantum vacuum fluctuation真空能量密度的随机扰动，是海森堡不确定原理导致的结果。
3.10量子噪声quantum noise测量过程中由于量子系统的海森堡不确定性引发的噪声。
3.11量子投影噪声quantum projection noise测量过程中由于量子投影测量结果的随机性所引发的噪声。
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，在英国国家物理实验室建成了第一台铯原子钟。
1960年，拉姆齐(N．Ramsey)等人成功研制出第一台氢原子钟，通常人们把它叫做氢微波激射器（H maser）。
原子钟的几种常见类型
光谱灯发出的共振光经透镜聚焦后，通过置于谐振腔内的汽室被吸收，并在光电检测器上得到一定电平的光电信号。这相当于光抽运下原子在两个基态超精细能级上建立稳态分布时的信号，当谐振腔内电磁场频率与超精细跃迁相符时，原子在两个超精细能级之间发生跃迁，打破了原有的原子在能级上的平衡分布，又会发生新的光吸收，产生跃迁的光检测信号，即原子钟信号。
冷原子喷泉钟的基本想法如图7所示，搭建一个竖立的真空装置，真空中充
有工作介质(铷或铯)的饱和蒸汽，利用激光俘获原子并将其冷却，将原子上抛。原子在上抛和下落的过程中只受到重力作用，它两次穿过微波腔，与时间上的分离振荡场作用，产生钟跃迁，然后探测不同能级的原子。最后获得与Ramsey钟跃迁相应的荧光信号。这样极大减小了传统结构中两个振荡场不同所造成的相位频飘而且两次与微波振荡场作用时的速度等值反向，消除了一阶多普勒频移。[2]图7
积分球冷却原子钟积分球冷却原子钟的基本思想是把原子钟的所有相互作用(原子冷却、原子制备、微波探测和检测)都在同一地方发生，应用时序将各个阶段的作用分开。从而该钟可以减小到几升的体积。
积分球冷却原子钟的物理部分是由激光焊接的钛材做成，真空室由2L/s的离子泵维持在9* mPa。外面罩两层磁屏蔽。
为了满足冷却过程的需要，球形紫铜腔须光学抛光到λ/14的精度以便储存激光和产生各向同性的光场以供捕获和冷却原子用。同时，这个微波腔调谐在9。192GHz 模式，用于激励“钟”跃迁。微波腔内有一Cs原子储存泡，保持真空度在 乇。含泡腔的Q=3000。
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。
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。
一种原子钟频率稳定度的估计方法
一种原子钟频率稳定度的估计方法王玉琢;张爱敏;张越;杨志强【摘要】为了更合理地评估处于相同实验条件下原子钟的绝对频率稳定度,以理论视角分析了算法模型及求解过程,研究了噪声相关条件下绝对频率稳定度的估计方法.用3台原子钟仿真数据对该方法进行了评定,假设噪声独立条件下随着噪声相关性的增强测试结果不断偏离频率稳定度真值;考虑噪声相关条件下测试结果与频率稳定度真值相对误差不超过1.7％.该方法被进一步应用到中国计量科学研究院实验室4台铯原子钟,360天实际测量数据验证了其有效性.%To evaluate reasonably the absolute frequency stability of atomic clocks in the same experimental condition,the algorithm model and solving process theoretically were analyzed and the method for estimating absolute frequency stability waw studied when correlated noises exsisted.It is evaluated by the simulated data of three atomic clocks.Under the assumption of independent noises,the deviation between the test result and theoretical value became larger with the increase of the noise correlation.Considering the noise correlation,the relative error of the test result is always less than 1.7％.The effectiveness of the method was further proved with 360-day real data of four cesium clocks in NIM (National Institute of Metrology) time keeping lab.【期刊名称】《计量学报》【年(卷),期】2018(039)003【总页数】4页(P397-400)【关键词】计量学;原子钟相关性;频率稳定度;协方差矩阵;阿伦方差【作者】王玉琢;张爱敏;张越;杨志强【作者单位】中国计量科学研究院,北京100029;中国计量科学研究院,北京100029;中国计量科学研究院,北京100029;中国计量科学研究院,北京100029【正文语种】中文【中图分类】TB9391 引言时间是关系到国防建设、国民经济和基础科研的重要物理量，它在精密计时、现代通信、导航定位以及自动控制等领域地位凸显[1～3]。
时频计量
• • • •
基准1：铯原子束时间频率基准装置 基准2：原子时标基准装置 标准1：标准频率检定装置 标准2：短期频率稳定度检定装置检定装置
国外发展趋势
• • • • • • 研制第2台铯喷泉钟 铯喷泉钟参加守时 铷喷泉—第2秒定义 光钟 GPS P3码时间频率比对技术 更多实验室使用卫星双向法参加国际原 子时合作
电话时间服务
• • • • • 利用电话网络传递时间 设备：计算机和调制解调器 标准格式和用户服务程序 传递不确定度：10ms 计量院网页可下载用户服务程序
时间频率计量主要内容
• 时刻计量 • 时间间隔计量 • 频率计量 频率准确度，频率稳定度，频率漂移
时间公式：T=T0+at+bt2+e(t)
-9 -10
Log (y())
-11
-12
-13
-14
-15
-16 -3.0
-2.0
-1.0
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
Log (), seconds
1 day 1 month
• 准确度与稳定度
• 原子时标--UTC(NIM)的原理 框图
UTC-UTC(NIM)数据 2002.7—2003.12
时间频率测量基础
• 频率偏差：频率实际值与标称值之差，一般用相对 值表示， f x fo y fo
•
• •
频率准确度：频率偏差的最大范围。表明频率实际 值靠近标称值的程度。 频率稳定度：描述平均频率随机起伏程度的量，平 均时间称为取样时间，为一重要参数。不同的稳定 度量值对应不同的取样时间。 频率漂移：表征频率源连续工作时频率随时间慢变 化程度。
原子钟的基本原理与应用
原子钟的基本原理与应用1. 引言原子钟是一种利用原子的稳定振动频率来测量时间的高精度钟表。
它采用了精密的原子物理技术，具有非常高的准确性和稳定性。
本文将介绍原子钟的基本原理和其在现代科学、导航系统和通信领域的应用。
2. 原子钟的基本原理2.1 原子振荡器•原子钟的基础是原子的稳定振荡器，通常使用铯、铷或氢等原子作为振荡器。
•这些原子具有明确的共振频率，称为“原子振荡频率”。
2.2 原子与外界的相互作用•原子与外界电磁波的相互作用会导致原子能级的变化。
•当频率与原子振荡频率相等时，原子吸收或发射电磁波并发生能级跃迁。
•这种频率稳定的相互作用是原子钟工作的基础。
2.3 反馈系统•原子钟利用反馈系统将原子振荡频率与一个参考频率对比。
•当两者频率不同，反馈系统调整原子振荡器的频率直到与参考频率相等。
•反馈系统确保原子振荡器始终保持稳定的频率。
3. 原子钟的应用3.1 科学研究•原子钟的极高精确度使其成为一种重要的科学工具。
•在相对论、引力波探测、宇宙学等领域，原子钟的时间测量精度至关重要。
•原子钟被广泛应用于实验室研究和科学计算。
3.2 导航系统•原子钟在全球定位系统（GPS）中起到关键作用。
•GPS系统利用卫星上的原子钟提供准确的时间信号，用于测量地球上任意位置的准确位置。
•定位和导航系统的精确性依赖于原子钟的准确性。
3.3 通信领域•原子钟在通信领域的应用也日益重要。
•通信网络中需要精确的时间同步，原子钟可提供高精度的时间标准。
•原子钟在电信、金融交易等行业中起到关键作用，确保全球通信的准确性和可靠性。
4. 总结原子钟基于原子的稳定振荡频率，利用反馈系统保持精准的时间测量准确性。
其应用范围广泛，包括科学研究、导航系统以及通信领域。
原子钟的高精确性和稳定性使其成为现代技术发展中必不可少的工具，推动了科学研究和技术进步的发展。
以上是对原子钟的基本原理和应用的介绍，通过了解原子钟的工作原理和广泛的应用领域，我们更加认识到了原子钟在现代社会中的重要性和价值。
铷原子钟知识
铷原子钟知识一、概述（一）用途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用和商用领域，还可以在晶振生产中用作频率基准。
（二）特点铷频率标准不需要真空系统、致偏磁铁和原子束，因而体积小、质量小、预热时间短、价格便宜，但准确度差、频率漂移比较大，仅能用作二级标准。
铷频率标准可通过GPS进行快速驯服和外秒同步，克服铷振荡器本身的漂移，可被看作是一个基本的同步时钟单元。
通过设计和工艺的改进，产品的可靠性和批量生产也得到保证，现已具备产业化的条件。
可以预计，这种带外秒驯服的高性能小型化铷钟将应用于无人值守等苛刻环境，将大大拓展铷钟的应用领域。
铷原子频率标准常常被分为普通型、军用型、航天型。
（三）产品国内外现状目前在我国研制生产铷原子钟的单位有：石家庄数英仪器、北京大华无线电仪器厂、四川星华时频技术公司等单位。
目前美国研制的GPS 上Block IIA、IIR/IIRM 铷钟处于世界领先水平，美国Perking Elmer公司已经研制出天稳指标达到10-15世界最高水平铷钟。
（四）技术发展趋势●更低的相噪特性和功耗是铷原子频率标准追求的技术目标；●秒极频率稳定度高、天频率漂移小是铷钟的追求目标；●发展与恒温晶体振荡器大小接近的小体积铷原子频率标准。
二、基本工作原理图 2 铷钟电路系统原理框铷原子钟主要由单片机电路、伺服电路、微波倍频电路、频率调制、倍频综合电路几个模块组成，系统原理框如图2所示。
铷频标是一种被动型原子频率，利用的是基态超精细能级之间的跃迁，相应的跃迁频率为6834.682614MHz。
原子迁跃对微波信号起鉴频作用而产生误差信号，通过锁相环路伺服晶振的频率，使激励信号频率锁定到原子跃迁频率，实现晶振输出频率的高度稳定和准确。
原子钟
原子钟基本原理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。
发现人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。
比普通钟表更精确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。
目前世界上最准确的计时工具就是原子钟，它是20世纪50年代出现的。
原子钟是利用原子吸收或释放能量时发出的电磁波来计时的。
原子钟的精确值
原子钟的精确值原子钟是一种利用精确的原子振荡频率来测量时间的仪器。
它是现代科学和技术领域中最精确的时间标准之一。
原子钟的精确值是以一个实际的原子频率来定义的，通常是通过气体或固体中的原子核或电子的特定能级间的跃迁频率来实现的。
原子钟的精确值通常以秒为单位，定义为国际单位制中的基本单位。
目前，世界上最准确的原子钟是通过测量铯（Cs）原子的振荡频率来实现的，其精确值为每秒9,192,631,770次跃迁。
铯原子钟的工作原理基于铯-133同位素的性质。
在一个典型的铯原子钟中，铯原子会被冷却至接近绝对零度（-273.15摄氏度）并被捕获在一个恒温的腔体中。
然后，通过激光束或微波辐射来激发铯原子内的能级跃迁。
铯原子钟中的精确值通过以下过程实现：首先，激光或微波辐射会激发铯原子从基态跃迁到高能级的超精细能级。
然后，一个周期性的微波信号被施加到铯原子中，使其内部的电子从高能级回退到基态。
当微波信号的频率等于特定跃迁的频率时，原子会吸收这个信号的能量并发生辐射跃迁。
通过测量微波信号的频率，我们可以确定铯原子内特定跃迁的频率。
通过比较这一频率与国际标准定义的秒数，我们可以得到原子钟的精确值。
国际上的原子钟被公认为是最准确的时间标准，它们可以在实验室、天文台和卫星等场所使用。
原子钟的精确值对于现代社会的许多方面至关重要。
它们用于卫星导航系统、电信网络、金融交易和科学研究等领域。
在导航系统中，原子钟通过提供高精度的时间信息，使得卫星能够精确确定地面位置。
在电信网络中，原子钟用于确保精确的数据传输和同步。
在金融交易中，原子钟可以提供精确的时间戳，以确保交易的准确性和安全性。
在科学研究中，原子钟用于测量时间间隔、粒子的速度和天体运动等。
虽然原子钟被认为是最准确的时间测量仪器，但它们也存在一些局限性。
其中一个问题是原子钟的体积和复杂性。
目前的原子钟主要是实验室级别的设备，其尺寸较大且不能轻松移动。
此外，原子钟也需要特殊的环境条件和高度的技术要求，以保持其精确度和稳定性。
原子钟工作原理
原子钟工作原理
原子钟的工作原理是基于原子的稳定振荡特性。
原子钟通常使用了一种名为铯（Cs-133）的原子。
其工作原理如下：
1. 原子钟中包含一个原子腔，里面充满了铯原子的蒸汽。
原子腔的设计使得铯原子能够保持在一个高度稳定的状态。
2. 原子钟中还有一个高稳定性的微波振荡器。
这个振荡器会发射出一个特定频率的微波信号。
3. 微波信号通过铯原子腔的光栅（grating）进行分割，其中只有特定频率的微波信号能够与铯原子共振。
共振是指微波信号与铯原子内部的电子能级之间发生相互作用。
4. 当微波信号与铯原子发生共振时，铯原子的能级会发生特定的跃迁。
这个跃迁会导致铯原子腔内的光强发生变化。
5. 这个变化会被原子钟中的探测器检测到，并与振荡器中的参考信号进行比较。
6. 根据比较结果，调整振荡器的频率，使其与铯原子发生共振的频率保持一致。
由于铯原子的电子能级跃迁是非常精确和稳定的，所以原子钟的频率也非常稳定。
通常情况下，原子钟的频率稳定度可以达到每天几十亿分之一的误差范围内。
这使得原子钟成为非常精
确的时间标准，广泛应用于科学研究、导航系统、通信网络等领域。
时间频率产品的定义及简介
时间频率产品的定义及简介频率是与时间密切相关的一个量，通常称为时间的倒数，这反应了频率的含义来自于对周期时间的测量的这个事实。
频率和时间的显著特征是基本定义的高度准确和测量的高度精密，他们的准确度和测量的精确度在过去的二十多年中提高极快，远远超过了所有其他物理量。
一、时间专业术语世界时：是以地球自转为记仇的一种时标，全年内每日平均长短的1/86400，定义为1s。
由于地球自转存在长期减慢和不规则起伏现象，以世界时的“秒”的实现准确度不高，只能达10的-8~10的-9量级。
原子时：是以铯原子内部超精细能级间跃迁辐射震荡9192631770周所持续的时间，定义为1s、铯原子的能级跃迁频率有极高的稳定性，其运行的周期就非常准确和稳定。
因此1967年10月起，国际计量会议通过了以原子时来定义秒。
协调世界时：由于地球转动的不均匀性，每天并非都是精确的86400原子秒，就导致世界时与实际时间约每18个月产生1s的误差，为了纠正误差国际上决定采用协调世界时报时。
作为再用的时间标准。
即以原子时的秒来计时，而当发现用天象观测来测定的时间时与原子时相差超过0.9秒时，便在年中或年底的最后一秒加上一个闰秒来协调，对协调世界时做一整秒的调整。
授时：利用无线电波发播标准时间信号的工作称为授时，国外称为时间服务，根据授时手段的不同分为短波授时、长波授时、卫星授时、互联网授时和电话授时等。
短波授时的基本方法是由无线电台发播时间信号，用户用无线电接收机接受信号，然后进行本地对时。
长波授时利用长波的无线信号进行时间频率传递与校准，覆盖面要比短波宽的很多，校准的准确度更高的授时方法。
卫星授时可以实现发播信号大面积的覆盖，而且比起前两种授时方法，他的精度更高、根据卫星在授时中所起的作用卫星授时分为主动式和中转式，主动式卫星有精密时钟，可发播标准时间信号，中转式仅转发由地面时间基准通过卫星地面站送来的标准时间信号，网络授时和电话授时，采用用户询问方式向用户提供标准的时间信息。
铷原子频率标准tr2005c技术指标
铷原子频率标准TR2005C技术指标在现代科技发展日新月异的今天，高精度的时间频率标准已经成为各个领域不可或缺的重要工具。
铷原子频率标准TR2005C作为当前世界上最先进的原子钟之一，其技术指标和性能优势备受关注。
本文将从深度和广度两方面对铷原子频率标准TR2005C进行全面评估，并剖析其在现代科技中的重要地位。
一、铷原子频率标准TR2005C技术指标概述1.频率稳定度铷原子频率标准TR2005C的频率稳定度极高，达到了每秒10的负14次方的水平，这意味着其频率误差仅为每秒几个万亿分之一，可以满足各种高精度时间测量的需求。
2.频率准确度TR2005C的频率准确度非常高，可以稳定地输出特定的频率信号，通常误差在每秒几个十亿分之一以内。
这样的准确度使得其在卫星导航、通信网络以及科学研究领域有着广泛的应用。
3.短期稳定度TR2005C在短时间内的频率稳定度也很突出，可以在毫秒甚至微秒的时间尺度上保持高稳定的频率输出，这对于需要高速数据传输或者实时信号处理的应用至关重要。
4.长期稳定度除了短期稳定度外，TR2005C在长时间尺度上也能够保持出色的频率稳定性，这对于天文观测、卫星定位和导航系统的精准定位以及地震监测等方面具有重要意义。
二、铷原子频率标准TR2005C的应用领域1.卫星导航高精度的时间频率标准是卫星导航系统的核心，而TR2005C凭借其卓越的频率稳定度和准确度，成为了众多卫星导航系统的首选时钟设备，为全球定位系统（GPS）、北斗导航系统等提供了可靠的时间基准。
2.通信网络在高速通信网络中，精准的时间同步对于数据传输和网络安全至关重要。
TR2005C作为高稳定频率标准的代表，被广泛应用于各种通信基站的时间同步系统，保障了通信网络的高效运行。
3.科学研究在科学实验和研究中，时间频率的精准度直接影响着实验数据的准确性和科学结论的可靠性。
TR2005C在科学研究领域有着广泛的应用，为实验数据的采集和分析提供了可靠的时间基准。
原子时钟的数字时钟偏差
原子时钟的数字时钟偏差
原子时钟的数字时钟偏差小于1/10秒。
根据原子物理学的基本原理，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。
同一种原子的电磁波特征频率是一定的，可用作一种节拍器来保持高度精确的时间。
原子钟就是利用保持与原子的电磁波特征频率同步作为产生时间脉冲的节拍器。
2020年底，《自然》杂志刊载了一篇来自美国麻省理工学院研究人员的成果报道，这些研究人员利用量子纠缠现象新设计出一种原子钟，如果运行约140亿年（大约是当前宇宙的年龄），该原子钟可将时间精度保持在十分之一秒之内。
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客户端
节点时间同步链路 客户端时间同步链路
中国移动时钟网
• 北京，武汉，广州和沈阳4地各建一套以铯钟为基础的 基准钟PRC；
• 在其余的12个城市及北京皂君庙各建一套以卫星接收 机（GPS和GLONASS）为基础的区域性基准钟LPR； 带GPS的铷钟
• 在这16个城市建多个二级节点时钟BITS，BITS跟踪于 同城的PRC/LPR。 晶体振荡器
yes yes/no yes
时间频率标准的应用范围
• 测量和测试行业
– 研究所 – 企业
• 生产行业
– 电信部门 – 航空电子设备，导航设备制造企业 – 其他电子生产企业
• 服务行业
– 广播与电信网络运营商/安装商 – 军方 – 独立的校准/维护承包商
移动时钟网结构图
移动时间 同步网分
级
一级节点 二级节点
行滤除后照射进入谐振泡。
利用光抽运技术使得谐振泡
中的铷87发生能级跃迁。调
整微波腔的频率，当光电转 换电路的输出电流达到最大
超精细滤光 谐振泡 灯泡
的时候可得到铷的共振频率。
信号 光电检测
GPS的工作原理
GPS系统操作原理为:每 一颗卫星不断发射包含其位 置和精确到十亿分之一秒的 时间的数字无线电信号。 GPS的接收装置接收到来自 于四颗卫星的信号，然后计 算出在地球上的位置。接收 装置将接收时间与卫星发射 的时间进行比较，通过二者 之差计算出远离卫星的距离。 通过比较这个时间与其他三 个已知位置的卫星的时间， 接收装置便能够确定经纬度 及海拔高度。
波尔能量关系公式: E2 E1 h 0
铯钟的工作原理（铯束管）
1. 磁选态铯钟(德国PTB)：
利用磁偏转的方式将符
合工作要求的特定能量态的
铯原子选取出来，并将其输 入铯束管（微波谐振腔），
铯炉
铯束在微波谐振腔中与外部
受控震荡器相作用发生能级
跃迁。输出的铯束与高温金
属丝相作用形成铯离子电流，
• 发送系统 – 卫星无线电系统 • GPS, GLONASS, 伽利略 – 地面无线电系统 • Loran-C, DCF-77 – 光纤同步系统 • E1, T1 (SSU)
安
排
1. 钟的工作原理
2. 仪器常用指标及实现
3. 公司相关产品介绍 4. 其它竞争产品比较 5. 总结
仪器常用指标
• 频率准确度：表征信号的实际频率值与理想的或定义的频率值 （以UTC为标准的频率，实际是国际原子时ATI的频率）的偏离 或符合程度，一般用相对频率偏差来表示。
• 氢原子钟 – 短期稳定度高：1E-14~1E-15，但准确度较低（1E12）。
对于不同频率标准的一般性比较
铯
长期稳定性 ***
短期稳定性 ***
便携性
*
价格
*
是否需要校 no 准
铷
** *** *** ** yes
晶振 *
GPS ***
其它 Off-air
***
***
**
*
**
*
*
***
**
***
高性能的时间频率标准
Ideal for telecommunications, metrology and electronics industry.
安
排
1.钟的工作原理
2. 仪器常用指标及实现 3. 相关产品介绍 4. 其它竞争产品比较 5. 总结
钟的工作原理
根据量子物理学的基本原理，原子是按照 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。当原子从一个高“能量态”跃迁至低的 “能量态”时，它便会释放电磁波。这种电磁 波特征频率是固定的，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。
当铯离子电流输出达到最大 选态磁铁
的时候，谐振腔的可控震荡 器频率与铯的共振频率相同。
外部受控振 荡器
原子束 铯束管
铯钟的工作原理（铯束管）
2. 光抽运铯钟(法国
LPTF）：
第一光学
在光抽运铯束频标中，
作用区
利用激光（第一光学区）对 铯炉
外部受控振 荡器
铯束照射，使得不同能量态
的原子发生跃迁达到统一的 能量态。再利用谐振腔的受 控外部震荡器对铯束管中的 铯原子加以作用，形成能级 跃迁。最后发生跃迁的原子
i 1
2m
频率标准的准确度
频率标准的选择
Frequency Stability
(number of digits)Cesium Oscillator
13
12
GPS-controlled Rubidium Oscillator
11 10
Rubidium Oscillator
9
GPS-controlled Oven Oscillator
6688和6689的主要特点
以铷钟和高稳晶振作为参考标准 具有良好的性能与价格比，经济实惠 标准配置为5×10MHz和1×5MHz的频率标准输出 可选择的10×10MHz的频率输出 在十年之内的老化率为0.001ppm（铷时基频率标准） 便于携带，适用于通信测试和校准实验室
GPS的工作原理
• 铯钟或者铷钟
• 原子钟通过 NIST 和 USNO加以校准
• 每一个卫星传输时间和 位置编码信(1575.42MHz 的L1载波和频率为 1227.60HMz的L2载波)
• 所传送的GPS时间& 频率 基准对于NIST 和 UTC是 可追踪的。
已有的时间频率标准
• 独立工作源 – 首选标准 • 铯,氢钟 – 第二选择 • 铷, OCXO（高稳晶振）
8
7
Oven Oscillator
6
5
TCXO
4
Standard Crystal
3
Meas uring tim e = 10 s , 1-year calibration interval
频率标准的稳定度
• 铷原子钟 – 稳定度： 1E-11，体积小、重量轻，便于携带，可 作为工作基准。
• 铯原子钟 – 稳定度：1E-13~1E-14。 – 大铯钟，专用实验室高稳定度频率基准；小铯钟， 频率工作基准。
4×10-13 5×10-14 8×10-15 6×10-15 5×10-15
3×10-14 1.4×10-14/高斯
External signal
1.08×0.52×0.68
Ion pump
150
主要时间频率标准产品
• 铯钟： – Symmetricom
• 5071A • Cs4000 • CsIII • 4400 • 4500
GPS-12R的便携特点
可用于汽车运输的 12V DC 电源
可随处使用的电池 电源
频率稳定性和预热时间
高稳晶振 （OCXO）的环境稳定性
Well-known GPS-receiver vs house reference
rel freq offset
6E-11 5E-11 4E-11 3E-11 2E-11 1E-11
Cavity frequency switching
1.090.460.76
Ion pump
200
瑞士 T4science
1.5×10-13 2×10-14 5×10-15 2×10-15 2×10-15 2×10-15
5×10-15 1×10-14/高斯
？
0.950.60.8
？
100
中国 上海天文台
N
ti
i 1
为N次测量的测量时序平均值
仪器的常用指标
• 频率稳定度—阿伦偏差（Allan Deviation）:描
述输出频率受噪声影响而产生随机起伏程度的量，在 数学上用Allan(阿伦)方差的平方根值来加以表示。
其主要的计算公式为：
y ( )
1 f0
m ( fi1 fi )2
1×10-15 1×10-14/高斯
Cavity frequency switching
0.70.480.6
Getter pump
95
美国Symmetricom MHM- 2010
1.5×10-13 5×10-14 1.3×10-14 3.2×10-15 3×10-15 3×10-15
1×10-14 3×10-
激光器
第二光学作 用区
在第二光学区被加以检测，
以测定原子的共振频率。
铯钟的工作原理（喷泉钟）（美国
NIST）
1. 由铯原子组成的气体，被引入 到时钟的真空室中，用激光减 慢了原子的运动速度并将其冷 却到接近绝对零度。
2. 两束垂直的激光轻轻地将这个 铯原子气球向上举起，穿过微 波腔，形成“喷泉”式的运动。
带铷钟的6689 高稳恒温晶振的6688
高稳定度频率标准6688和6689
特点 振荡器类型
标准的频率输出
6688 高稳恒温晶振 OCXO
5x 10 MHz 1x 5MHz
6689 铷钟
5x 10 MHz 1x 5MHz
可选择的频率输 10x 10 MHz
出
1x 5MHz
10x 10 MHz 1x 5MHz
0 0
-1E-11 -2E-11 -3E-11 -4E-11 -5E-11 -6E-11 -7E-11 -8E-11 -9E-11 -1E-10
GPS控制的频率标准GPS-12R
Pendulum公司生产 的GPS-12R是一款便携 式、受GPS控制的超高 稳定度的铷钟基准源；