原子钟授时：消防物联网实战

原子钟是一种计时装置,精度可以达到每2 000万年才误差1 s,它最初是由物理学家用于探索宇宙本质的。

人们平时所用的钟表,精度高的大约每年会有1 min的误差,这对日常生活是没有影响的,但在要求很高的生产、科研中就需要更精确的计时工具。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。由于这种电磁波非常稳定,再加上利用一系列精密的仪器进行控制,原子钟的计时就可以非常准确了。现在用在原子钟里的元素有氢(Hydrogen)、铯(Cesium)、铷(rubidium)等。原子钟的精度可以达到每2 000万年才误差1 s。这为天文、航海、宇宙航行提供了强有力的保障。

根据原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9 192 631 770 Hz。因此铯原子便用作一种节拍器来保持高度精确的时间。

(1)铯原子钟

铯原子钟将铯原子内部的电子在两个能级间跳跃时辐射出来的电磁波作为标准,控制校准电子振荡器,进而控制钟的走动。这种钟的稳定程度很高,目前,最好的铯原子钟达到2000万年才相差1 s。现在国际上,普遍采用铯原子钟的跃迁频率作为时间频率的标准,广泛使用在天文、大地测量和国防建设等各个领域中。

(2)氢原子钟(www.xing528.com)

氢原子钟是一种精密的计时器具。氢原子钟是在现代的许多科学实验室和生产部门广泛使用一种精密的时钟,它是利用原子能级跳跃时辐射出来的电磁波去控制校准石英钟,但它用的是氢原子。这种钟的稳定程度相当高,每天变化只有十亿分之一秒。氢原子钟亦是常用的时间频率标准,被广泛用于射电天文观测、高精度时间计量、火箭和导弹的发射、核潜艇导航等方面。氢原子钟首先在1960年为美国科学家拉姆齐研制成功。氢原子钟是种高精度的时间和频率标准,在国防、空间技术和现代科学试验中有着重要的应用。

(3)铷原子钟

铷原子钟是所有原子钟中最简便、最紧凑的一种。这种时钟使用一玻璃室的铷气,当周围的微波频率刚好合适时,就会按光学铷频率改变其光吸收率。3种原子钟——铯原子钟、氢微波激射器和铷原子钟,都已成功应用于太空、卫星以及地面控制。现今为止,在这三类中最精确的原子钟是铯原子钟,GPS卫星系统最终采用的就是铯原子钟。此外,还可以通过使用激光束来防止铯原子前后高速移动,从而可以减少因多普勒效应而产生的轻微频率变化。

(4)CPT原子钟

CPT原子钟是利用原子的相干布居囚禁原理而实现的一种新型原子钟,也是目前从原理上唯一可实现微型化的原子钟,其体积、功耗比目前体积、功耗最小的铷原子钟相比还要小得多。最小的CPT原子钟可为手表尺寸,并用纽扣电池供电。由于这些特点,CPT原子钟在远程通信系统定时、大范围通信网络同步、武器装备的便携化等军、民应用方面具有很好的应用前景。例如,CPT频标应用于GPS接收机,可以显著提高导航定位精度。欧美等西方国家已经把便携式和微型化CPT频标的研发列入国家战略发展目标。美国已经有两种商品CPT频标上市。