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原子钟_

标题:原子钟 原子钟是一种时钟设备,它使用原子电磁频谱的微波,光学或紫外区[2]中的电子跃迁频率作为其计时元件的频率标准。原子钟是已知最准确的时间和频率标准,并被用作国际时间分配服务的主要标准,用于控制电视广播的波频率以及全球导航卫星系统,如GPS。 原子钟的操作原理基于原子物理学;它使用原子中的电子在改变能级时发射的微波信号。早期的原子钟在室温下基于脉泽。目前,最准确的原子钟首先通过用激光减慢原子并在充满微波的腔体中的原子喷泉中探测它们来将原子冷却到接近绝对零度的温度。其中一个例子就是美国国家主要的时间和频率标准之一NIST-F1原子钟。 原子钟的精度取决于两个因素。第一个因素是样品原子的温度 - 较冷的原子移动得慢得多,允许更长的探测时间。第二个因素是电子转换的频率和固有宽度。更高的频率和更窄的线条提高了精度。 许多国家的国家标准机构都保持原子钟的网络,这些原子钟是相互比较的,并保持同步,每天的准确度为10-9秒(1014年约为1分钟)。这些时钟共同定义了一个连续和稳定的时间尺度,即国际原子时间(TAI)。在民用时间内,另一个时间尺度被分发,协调世界时(UTC)。 UTC来源于TAI,但通过闰秒大致与UT1同步,UT1基于地球相对于太阳时间的实际旋转。 1879年,开尔文勋爵提出了使用原子跃迁来衡量时间的想法。[3]磁共振在20世纪30年代由Isidor Rabi开发,成为了实现这一目标的实用方法[4]。 1945年,拉比首次公开表示,原子束磁共振可能被用作钟表的基础。[5]第一个原子钟是1949年在美国国家标准局(NBS,现为NIST)建造的23870.1MHz的氨吸收线装置。它比现有的石英钟不太准确,但是有助于证明这一概念。[6] 1955年,路易斯埃森和杰克帕里在英国的国家物理实验室建立了第一个精确的原子钟,这是一种基于铯-133原子的特定转变的铯标准[7] [8]。铯标准原子钟的校准通过使用天文时标天文历时间(ET)进行[9]。这导致了国际公认的最新SI秒的定义基于原子时间。第二秒钟(原子钟)SI秒的平等已经在1010秒内被验证在1分之内。[10]因此,SI秒继承了星历时间表的原始设计者的决定的影响,确定了ET秒的长度。 自20世纪50年代开始发展以来,原子钟一直基于氢-1,铯-133和铷-87的超精细转变。第一个商业原子钟是国家公司制造的Atomichron。 1956年至1960年间销售了50多个。这种体积庞大且价格昂贵的仪器随后被更小的机架式设备取代,如1964年发布的Hewlett-Packard型号5060铯频率标准。[4] 在20世纪90年代后期,有四个因素促成了钟表的重大进步:[11] 2004年8月,NIST科学家展示了一个芯片级原子钟。[12]据研究人员称,时钟被认为是其他任何大小的百分之一。它的功耗不超过125mW,[13]使其适用于电池驱动应用。这项技术在2011年商业化。[13]离子阱实验光学时钟比当前的铯标准更精确。 2015年4月,美国宇航局宣布计划在外层空间部署一个小型化,超精确的汞离子原子钟 - 深空原子钟(DSAC)。美国航空航天局表示,DSAC将比其他导航时钟稳定得多。[14] 自1967年以来,国际单位制(SI)将第二个定义为与铯-133原子的两个能级之间的过渡相对应的9192631770个辐射周期的持续时间。 1997年,国际计量委员会(CIPM)补充说,上述定义是指在绝对零度的温度下静止的铯原子。 这个定义使得铯振荡器成为时间和频率测量的主要标准,被称为铯标准。其他物理单位的定义,例如伏特和电表,取决于第二个的定义。[16] 原子钟的实际时间参考由一个以微波频率工作的电子振荡器组成。振荡器被布置为使得其频率确定部件包括可以由反馈信号控制的元件。反馈信号保持振荡器与铯或铷的电子跃迁的频率共振。 原子钟的核心是一个含有气体的可调谐微波腔。在氢脉泽时钟中,气体以超精细过渡发射微波(气体嗡嗡声),腔中的场振荡,腔调谐为最大微波振幅。或者,在铯或铷钟中,光束或气体吸收微波,并且谐振腔包含电子放大器以使其振荡。对于这两种类型,气体中的原子在将它们填充到空腔中之前在一种电子状态下制备。对于第二种类型,检测改变电子状态的原子的数量,并且谐振腔被调谐用于检测到的最大状态变化。 时钟的大部分复杂性在于这个调整过程。该调整尝试纠正不必要的副作用,例如来自其他电子跃迁的频率,温度变化以及由集成效应引起的频率扩展[需要澄清]这样做的一种方法是扫描微波振荡器的频率在窄范围内在检测器上产生调制信号,然后可以解调检测器的信号以应用反馈来控制射频的长期漂移。这样,除了少量的实验误差外,铯的原子跃迁频率的量子力学性质可用于将微波振荡器调谐到相同的频率。首次打开时钟时,振荡器稳定需要一段时间。实际上,反馈和监测机制要复杂得多。 其他许多原子钟方案正在用于其他目的。铷标准时钟因其低成本,小尺寸(商业标准小至17cm3)[13]和短期稳定性而备受好评。它们用于许多商业,便携式和航空航天应用。氢脉泽(通常在俄罗斯制造)与其他标准相比具有优越的短期稳定性,但长期精度较低。 通常使用一种标准来修复另一种标准。例如,一些商业应用使用由全球定位系统接收机周期性校正的铷标准(参见GPS纪律振荡器)。这实现了出色的短期准确性,其长期准确度等于(并可追溯至)美国国家时间标准。 标准的生命周期是一个重要的实际问题。现代铷标准管的使用寿命超过十年,价格可能低至50美元。[需要的参考]适用于国家标准的铯标准管目前可使用约七年,成本约为35,000美元。由于随着时间的推移腔体性能的变化,氢脉泽标准物的长期稳定性下降。 现代钟表使用磁光陷阱来冷却原子以提高精度。 原子钟的功耗随其大小而变化。单芯片规模的原子钟需要小于30毫瓦; [17]美国时间标准原子钟NIST-F1和NIST-F2等主要频率和时间标准使用的功率要远高于12 [12] [ 18] 国际计量局(BIPM)在线公布了各种主要频率和时间标准的评估准确性报告。截至2015年,几个频率和时间标准组报告的uB值在2×10-16到3×10-16的范围内[19]。 2011年,作为英国主要频率和时间标准的国家物理实验室(NPL)运行的NPL-CsF2铯喷泉计时器针对两个最大的测量不确定性来源 - 分布式腔相位和微波透镜频率转变。在2011年,这导致评估的频率不确定性从uB = 4.1×10-16降低到uB = 2.3×10-16; - 当时任何主要国家标准的最低值[20]。在这种频率不确定性下,预计NPL-CsF2在约1.38亿(138×106)年内既不会增加也不会失去一秒。[21] [22] [23] 由美国国家标准与技术研究院(NIST)运营的NIST-F2铯喷泉钟于2014年4月正式启动,作为美国新的民用频率和时间标准以及NIST-F1标准。 NIST-F2计划的uB性能等级为1×10-16。[24] “在这个计划的性能水平上,NIST-F2时钟在至少3亿年内不会失去一秒钟。”[25] NIST-F2是使用NIST-F1的经验教训设计的。与NIST-F1相比,NIST-F2的关键进步是垂直飞行管现在在-193°C(-315.4°F)的液氮容器内冷冻。这种循环冷却显着降低了背景辐射,从而减少了一些必须在NIST-F1中校正的非常小的测量误差。[26] [27] NIST-F2的第一次内部精度评估报告的uB为1.1×10-16 [28]。然而,对NIST F-2准确性评估的公开科学批评描述了其处理分布式腔相移和微波透镜频移的问题,[29]与大多数精确的喷泉时钟评估相比,其处理方式明显不同。 NIST-F2在2015年3月提交给BIPM的下一份报告再次报告了1.5×10-16的uB,但没有提到常规批评。 NIST-F2没有后续的BIPM报告,也没有发布最新的准确性评估报告。 应意大利标准组织的要求,NIST为NIST-F2的第二版制造了许多重复组件,称为IT-CsF2,由意大利都灵NIST的对口国家计量院(INRiM)负责管理2016年5月,10月和11月,IT-CsF2铯喷泉钟在BIPM主频标准评估报告中报告了1.7×10-16的uB。 大多数研究集中在使时钟变得更小,更便宜,更便携,更节能,更精确,更稳定和更可靠的常常相互冲突的目标上[33]。太空原子钟组合是时钟研究的一个例子。[34] [35] 国际计量局(BIPM)自2006年以来一直保留第二份次要申请的频率列表,并可在线查阅。该列表包含铷微波跃迁和几个光学跃迁的频率值和各自的标准不确定度。这些二次频率标准在10-18的部分级别是准确的;然而,列表中提供的不确定性在10-14-10-15的范围内,因为它们受到当前(2015)定义第二个铯基本标准的链接的限制。 对于上下文来说,飞秒(6985100000000000000×1×10-15秒)是一秒到一秒约3171万(7007317100000000000×31.71×106)年和阿秒(6982100000000000000×1×10-18秒)第二个是约317.1亿(7010317100000000000♠31.71×109)年。 21世纪的实验原子钟提供非铯基二次表示,它们变得非常精确,除了测量频率和时间外,它们还可以用作其他物体的极其灵敏的探测器。例如,原子钟的频率由于重力,磁场,电场,力,运动,温度和其他现象而稍微改变。实验时钟往往会继续改进,性能领导已经在各种类型的实验时钟之间来回切换。 2008年3月,NIST的物理学家描述了一种基于铍和铝独立离子的量子逻辑时钟。这个时钟与NIST的汞离子钟进行了比较,它们是最精确的时钟,它们都没有在10亿年内以超过一秒的速度增加或减少时间。[41] 2010年2月,NIST物理学家根据镁和铝的各个离子描述了量子逻辑时钟的第二个增强版本,2010年被认为是世界上最精确的时钟,其分数频率误差为8.6×10-18,它提供了两倍以上原件的精度。[42] [43] 实验量子时钟的精度已经被基于锶-87和镱-171的实验光学晶格时钟取代。 从微波作为钟表原子的“擒纵”到光学范围内的光(更难测量但提供更好的性能)的理论举措赢得了John L. Hall和Theodor W.Hänsch2005年的诺贝尔物理学奖。2012年的一次“诺贝尔物理学奖获得者David J. Wineland是利用陷阱中单个离子的特性开发最高稳定性的时钟的先驱。 新技术,如飞秒频率梳,光学晶格和量子信息,使下一代原子钟的原型成为可能。这些时钟基于光学而不是微波转换。开发光学时钟的主要障碍是直接测量光频的困难。随着自参考锁模激光器(通常称为飞秒频率梳)的发展,这个问题已经得到解决。在2000年进行频率梳理演示之前,需要采用太赫兹技术来消除无线电和光学频率之间的差距,而且这样做的系统非常繁琐和复杂。随着梳齿的改进,这些测量变得更容易获得,并且全世界正在开发众多的光学时钟系统。 如在无线电范围中一样,吸收光谱用于稳定振荡器 - 在这种情况下是激光器。当使用飞秒梳将光频率分成可计数的射频时,相位噪声的带宽也被该因子除。尽管激光相位噪声的带宽通常比稳定的微波源大,但在分割之后它更少。 正在考虑用于光频标准的主要系统是: 这些技术允许原子或离子与外部扰动高度隔离,从而产生极其稳定的频率参考。 考虑的原子系统包括Al ,Hg / 2 ,[45] Hg,Sr,Sr / 2 ,In / 3 ,Mg,Ca,Ca ,Yb / 2 / 3 ,Yb和Th / 3 。 [47] [48] [49] 稀土元素镱(Yb)的价值不在于其机械性能,而在于其内部能级的补充。 “在镱原子的特定跃迁中,波长为578纳米,目前提供了世界上最准确的光学原子频率标准之一,”玛丽安娜萨夫罗诺娃说,[50]估计的不确定度达到了Yb时钟的不确定度根据联合量子研究所(JQI)和特拉华大学2012年12月的科学家的统计,迄今为止,在宇宙的寿命中约有一百五十亿年。 2013年,光学晶格钟(OLC)显示出与铯喷泉钟相同或更好。包含约10 000个锶-87原子的两个光学晶格时钟能够以至少1.5×10-16的精度彼此保持同步,这与实验可以测量的一样精确[51]。这些钟表已被证明可以跟上巴黎天文台的所有三个铯喷泉钟表。有两个原因可能会提高精度。首先,使用比微波具有更高频率的光来测量频率,其次,通过使用许多原子,任何误差被平均化。使用镱-171原子,在2013年8月22日发布了一个稳定的新记录,精度为6982160000000000000♠1.6×10-18,历时7小时。在这种稳定性下,两个彼此独立工作的光学晶格时钟由NIST研究团队在宇宙年龄(7017435494880000000♠13.8×109年)上差异不到一秒钟;这比以前的实验要好10倍。时钟依赖于10 000个镱原子冷却到10微开尔文并被困在光学晶格中。 578纳米的激光激发两个能级之间的原子[53]。在建立了时钟的稳定性之后,研究人员正在研究外部影响并评估其余的系统不确定性,希望他们能够将时钟的精度降低到稳定水平。[54]一个改进的光晶格时钟是[2014] JILA在2015年评估了锶-87光学晶格时钟的绝对频率不确定度为2.1×10-18,这对应于2cm高度变化的可测量的重力时间膨胀(0.79根据JILA / NIST研究员Jun Ye的说法,“对于相对论大地测量非常有用”[56] [57] [58]。在这种频率不确定性下,这个JILA光学晶格光学时钟有望在超过150亿(15×109)年的时间内,不会获得或失去第二个。[59] [60] 2017年JILA报告了一种实验性3D量子气体锶光学晶格时钟,其中锶-87原子以先前的一维(1-D)时钟的密度的1,000倍填充到微小的三维(3-D)立方体中,像2015年的JILA时钟。在三维格子的两个区域之间的同步时钟比较在平均时间的1小时内产生了5×10-19的记录水平的同步。三维量子气体锶光晶格时钟的核心是一种不寻常的物质状态,称为简并费米气体(费米粒子的量子气体)。实验数据显示,3D量子气钟在大约两个小时内达到了3.5×10-19的精度。据叶军介绍,“这比以前的任何示范都有显着的改善。” Ye进一步评论说:“3D量子气体钟最重要的潜力是能够扩大原子数,这将带来巨大的稳定性增益。”和“放大原子数和相干时间的能力将使这款新一代时钟在性质上与上一代不同。”[62] [63] [64]在2018年,JILA报道3D量子气体钟达到了频率精度为2.5×10-19超过6小时。[65] [66]在这种频率不确定性下,这个3D量子气时钟是预计与宇宙年龄相比,在大约(126.84×912)年或者仅仅超过0.1秒时既不会增加也不会失去一秒。 目前光学钟(2018年)仍然是主要的研究项目,不如铷和铯微波标准成熟,它定期向国际计量局(BIPM)提供时间以建立国际原子时间(TAI)。由于光学实验时钟在精度和稳定性方面超越了微波相应器件,这使得它们能够取代目前的时间标准 - 铯喷泉钟。[45] [68] [69]在未来这可能导致重新定义基于铯微波的SI秒和其他新的传播技术,以最高准确度传输时钟信号,这将需要用于短程和长程(频率)比较之间的比较更好的时钟,并探索其基本局限性,而不会显着影响其性能。[45] [70] [71] [72] 2015年6月,英国Teddington的欧洲国家物理实验室(NPL)法国巴黎天文台时空参考系统部门(LNE-SYRTE);德国德国国家计量学院(PTB)在布伦瑞克;和都灵实验室的意大利国家仪器研究所(INRiM)已经开始测试,以将当前最先进的卫星比较的准确度提高10倍,但仍然将其限制在1×10- 16。这4个欧洲实验室正在开发和托管各种实验光学时钟,这些实验光学时钟利用不同实验装置中的不同元件,并希望将它们的光学时钟相互比较,并检查它们是否同意。在下一阶段,这些实验室力争通过光缆传输可见光谱中的比较信号。这将允许他们的实验光学时钟与类似于光学时钟本身的预期精度的精确度进行比较。其中一些实验室已经建立了光纤链路,巴黎和特丁顿以及巴黎和不伦瑞克之间的部分已经开始测试。美国NIST实验室和其合作伙伴实验室JILA之间也存在实验光学时钟之间的光纤链路,这两个实验室都位于科罗拉多州博尔德市,但这些光纤链路比欧洲网络的传输距离短得多,仅在两个实验室之间。根据PTB的物理学家Fritz Riehle的说法,“欧洲拥有世界上最好的钟表密度高的独特地位”[73]。 2016年8月,巴黎的法国LNE-SYRTE和德国不伦瑞克的PTB报告了两个完全独立的巴黎和布伦瑞克实验性锶格光学时钟的比较和一致性,其中不确定度为5×10-17,通过新建立的相位相干频率连接巴黎和布伦瑞克,使用1,415公里(879英里)的电信光纤。整个链路的分数不确定度被评估为2.5×10-19,可以比较更准确的时钟。[74] [75] 原子钟的发展导致了许多科学和技术的进步,例如精确的全球和区域导航卫星系统系统,以及因特网中的应用,这些取决于关键的频率和时间标准。原子钟安装在时间信号无线电发射机的地点。它们被用于一些长波和中波广播电台,以提供非常精确的载波频率。[原文见解]原子钟用于许多科学学科,例如射电天文学中的长基线干涉测量[76]。 由美国空军太空司令部运营的全球定位系统(GPS)提供非常准确的定时和频率信号。 GPS接收机的工作原理是测量来自最少四个,但通常更多的GPS卫星的信号的相对时间延迟,每个GPS卫星至少有两个板载铯和多达两个铷原子钟。相对时间在数学上转换为三个绝对空间坐标和一个绝对时间坐标。 GPS时间(GPST)是一个连续的时间标度,理论上精确到约14纳秒。然而,大多数接收器在解释信号时会失去准确性,并且只能精确到100 ns。[79] [80] GPST与TAI(国际原子时间)和UTC(协调世界时)有关,但不同。 GPST保持与TAI的恒定偏移量(TAI-GPST = 19秒),并且像TAI没有实现闰秒。对卫星上的星载时钟进行周期性校正,以保持它们与地面时钟同步。[81] [82] GPS导航信息包括GPST和UTC之间的差异。截至2015年7月,GPST比联合技术提前17秒,因为2015年6月30日UTC秒添加到UTC。[83] [84]接收器从GPS时间中减去此偏移量以计算UTC和特定时区值。 由俄罗斯航空航天国防军运营的全球卫星导航卫星系统(GLONASS)提供了全球定位系统(GPS)系统的替代品,并且是全球覆盖范围和精度相当的第二个导航系统。 GLONASS时间(GLONASST)由GLONASS中央同步器生成,通常优于1,000 ns。[85]与GPS不同,GLONASS时间尺度实现了闰秒,如UTC。[86] 伽利略全球导航卫星系统由欧洲GNSS机构和欧洲航​​天局运营。伽利略于2016年12月15日开始提供全球早期作战能力(EOC),提供第三个和第一个非军事运营的全球导航卫星系统,预计将于2019年达到全面运行能力(FOC)。[87] [88]伽利略系统时间(GST)是一个连续的时间尺度,它是由意大利Fucino的伽利略控制中心在地面上通过精确时间设施(Precise Timing Facility)在地面上产生的,基于不同原子钟的平均值,并由伽利略中心段保持并与TAI同步,标称偏移量低于50纳秒。[89] [90] [88] [88]根据欧洲GNSS机构,伽利略提供30 ns定时[92]欧洲GNSS服务中心的2018年3月季度业绩报告报告,UTC时间分发服务的准确度≤7.6 ns,通过累计前12个月的样本并超过≤30 ns的目标计算[93]。伽利略卫星有两个被动氢脉泽和两个铷原子钟用于机载定时[94] [95]。伽利略导航信息包括GST,UTC和GPST之间的差异(以促进互用性)[96] [97]。 北斗二号卫星导航系统在2017年正在建设中,但必须增加计划中的额外卫星,以实现全面覆盖全球的星座目标。北斗时间(BDT)是一个连续的时间尺度,从2006年1月1日UTC 0:00:00开始,并在100 ns内与UTC同步[98] [99]。 2011年12月,北斗在中国投入使用,有10颗卫星投入使用[100],并于2012年12月开始向亚太地区的客户提供服务。[101]北斗全球导航系统应在2020年前完成。[102] 无线电时钟是通过无线电接收器接收的政府无线电时间信号自动同步的时钟。许多零售商将无线电钟作为原子钟不准确地销售; [103]虽然他们收到的无线电信号源于原子钟,但它们本身不是原子钟。正常的低成本消费级接收机完全依赖于调幅时间信号,并使用窄带接收机(具有10Hz带宽)和小型铁氧体环形天线以及具有非最佳数字信号处理延迟的电路,因此只能预期确定开始秒的实际准确度不确定度为±0.1秒。这对于无线电控制的低成本消费级时钟和钟表而言是足够的,其使用标准品质的石英钟作为每日同步尝试之间的计时,因为它们在成功同步后立即是最准确的,并且从该点开始直到下一次同步。[104]仪器等级时间接收器提供更高的精度距无线电发射机每300公里(186英里)距离处,这些设备会产生大约1毫秒的传输延迟。许多政府都使用发射机进行计时。

posted @ 18-10-12 06:34  作者:admin  阅读量:

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