外界电磁场对铯原子钟的性能影响探讨

外界电磁场对铯原子钟的性能影响探讨

逄路军

（中国船舶集团公司第七一○研究所，湖北 宜昌 443003）

摘 要：本文分析了铯原子钟的相关数据，并认为外部电磁干扰对铯原子钟性能有影响。在铯原子钟运行环境中使用适当的电磁屏蔽是减轻这种影响的有效方法。

关键词：电磁场；铯原子

1 有关铯的性质概述

地球上最活跃和稀有金属：铯（Cs），是一种碱金属，它位于元素周期表的左下角，只有钫的活性可能比铯高，但是钫是一种放射性元素，我们可以得到的实验量可以忽略不计。由于铯具有很高的活性， 因此必须将其存储在特殊的安瓶（玻璃硼硅酸盐）中，安瓶中具有大量保护气体，例如氩气和氢气。从外部来看，铯具有淡黄色的金属光泽，但铯的价格高于金，铯很难购买，其化学性质非常活跃，铯的价格可以达到每克 100 欧元以上。铯很不寻常，因为它的熔点非常低，只有 28.44 摄氏度（341.53K）。如果您手中有一个装有铯的容器，用手握着该容器，在一段时间后您会发现固体铯会很快溶解。那时，您可以尝试将液态铯放在室内并冷却一会儿后，其中的一些会开始凝固，以非常漂亮的纯铯晶体沉淀下来。同时，很明显铯的凝固减小了它的体积，并且安瓶中的铯凝固成漏斗形。当将液态铯从充足的铯倒入充满煤油的烧杯中时，铯元素会迅速失去其金色光泽，并且其表面会覆盖一层氧化物和过氧化物，原因是煤油中含有水和氧的杂质，在此过程中不要将铯暴露在空气中。特别地，铯在固化后易于切割，它不仅是最活跃的，而且也是硬度较低的金属，这种柔软性使人联想到食用人造黄油。将铯放在木板上时，氧气氧化产生的热量会使铯熔化并自燃，铯原子会发出美丽的淡紫色火焰，将其附着在餐巾纸上也会出现同样的现象。

2 提出的问题
   温度，湿度和电磁场等外部因素会导致原子钟所有不确定因素， 这些不确定因素称为非模型因素，尽管在控制这些因素实践上有种种的困难，但是这些因素对原子钟性能的影响还是得到了人们的普遍关注。有关这些影响因素的文献很多分析。但是只有模型数据分析是定性和半定量的研究，而不是定量的研究。有专家说，在目前情况下由于环境因素的巨大变化，几乎不可能进行定量研究，建立一个复杂而定量的模型是十分困难的，只可以建立定性或半定量进行大致研究的模型。同时目前的流程在此工艺水平上，无法完全消除外部环境因素的影响，原子钟一种用于维持高精度时间和频率的设备。原子钟内部核心设备在特定的工作磁场中运行后，有效出色的电磁屏蔽可减少并消除外部电磁场的影响。从理论上讲，对外部磁场的影响被认为可以忽略不计。例如，屏蔽罩将地球磁场减小了 100，000 倍或减小到更小的值，这里我们以铯束频率标准为例，解释外部电磁场的影响。铯束频率标准的输出是通过原子状态选择，C 场作用，微波跃迁，检测， 伺服放大等经过多步物理和技术处理后的原子跃迁频率，每一步可能会引入偏差。一般来说，它受频率精度的影响原因是由于手表本身的物理因素和缺陷。前者主要包括：环境因素，黑体辐射的影响以及自旋耦合和磁冲击效应等；后者主要包括：相邻状态的跃迁效应，伺服电路不完整等因素。因为原子钟更加贵，所以在普通实验室中，实验室无法进行任何更改外部电磁场强度用于研究手表的性能。对于一台正在运行中的钟，只能对获取的数据进行理性分析。另外，需要一个好的电磁屏蔽（尤其是电磁屏蔽）需要很多钱，并非所有实验室都能取得成果优秀的电磁屏蔽。然后使用简单的物理模型，该模型描述了电磁场如何影响原子频率标准的物理机制。利用 NTSC 时钟室 5 年数据的分析和处理，以解释外部电磁现场对 NTSC 铯原子钟性能的影响。

3 电磁场对钟性能影响的物理机制
3.1 频标的简化模型
   原子核周围的电子跳跃以吸收或释放能量，电子在移动的过程中 以非常稳定的频率发射电磁波。根据这个物理性质，人们选择它作为频率标准并称其为原子的频率标准。这种类型的辐射也可以表示为两  个稳态原子的能级分别为 En，Em 且 En>Em，在跃迁的时候，吸收或释放辐射频率是唯一的。即存在频率条件：
     hv=En-Em
其中， h 是普朗克常数，v 是辐射频率。使用这个原子共振频率（原子的辐射频率在特定能级之间转换）控制实用的标准频率发生器和计时设备称为原子钟。在铯原子频率标准中，参考标准为（（F=4，mF=0）-（F = 3，mF=0））能级跃迁。通过量子频率标准的基本原理，人们经常采取原子频率标准的过渡辐射过程简化为直观的线性谐波振荡器或原子钟摆模型来仔细考虑该问题。当简化为三维各向同性线性谐波振荡器时，频率标准在平衡位置的微小振动，使量子更易于使用。力学知识解释了外部电磁场对频率的干扰影响。
3.2 物理机制
   为了简单起见，我们将不讨论原子钟的内部结构。假设原子频率标准 C 磁场暴露于附加磁场 B，根据原子频率标准的线性谐波振荡器模型，带电荷q 的谐波振动器受其他磁场的影响， 可以用微扰法求体系的定态能量，谐波振荡器的能量本征值问题如下，利用海森堡的矩阵动力学和狄拉克的算子代数方法进行解决，我在这里将不再解释它。选择不同的量子数，可以清楚地看到 3D 共振薄弱领域的能级划分情况。这样我们可以清除楚的认为原子频率标准 B 附加磁场的影响，改变了其物理性质。因此，它也可以解释频率标准暴露于弱电场的情况。

    铯原子钟由于其高可靠性，出色的精度和低漂移率而被用作第一 级频率标准。在 20 世纪，美国和俄罗斯的导航系统成功地实施了磁选铯钟卫星。从使用角度来看，导航系统使用铯原子钟。这不仅降低了星座联网时原子钟的通信能力，而且降低了导航系统对地面站的依赖性。

4 总 结
   在目前的技术水平上，外部电磁场仍会影响铯原子钟的频率精度和频率会和稳定性，因此在时钟室环境中进行电磁屏蔽是减少外部电磁场对手表性能影响的有效方法，并且屏蔽措施不可忽略。我们需要注意这种效果并做进一步的研究，需要更全面地分析其他各种环境因素的影响。

参考文献
[1] 王义遒．频率标准在中国的发展[J]．宇航计测技术，2007，（z1）： 1—5．
[2] 王义遒．建设我国独立自主时间频率系统的思考．宇航计测技术[J]，2004，24（1）：1—10．