（苏）ВНПипуныров 著   张遐龄 译

原子钟(续一)
谐振器  谐振器是被动的仪器，是原子和分子钟不可缺少的部分，它起着高稳定频率鉴频器的作用。当原子或分子束射向仪器时，在主控石英振荡器作用下，这里产生电磁场，然后，这个电磁场和振子——原子束相互作用。

谐振器可以对被测量的接入自动调整线路的原子束谐振频率和主控石英振荡器频率进行比较，在单独比较之间保持联系和连续性。谐振器与无线电波工作这样调整，使它在超高频区域能够成为振荡电路。

在将谐振器调整在一定波长条件时，电磁能在其中的传播将有不大的阻尼。由自感线圈和电容器组成的一般电路，不能在高频振动区域用来作为振荡电路。

振子在现代原子和分子钟里，用原子或分子〈量子〉频率标准作为振子。原子铯钟、铷钟、铊钟的标准频率源都具有钝性，因为当相应原子束从一个量子状态谐振跃迁至另一个状态时，它的运行是借助吸收频谱线调整的。其他类型标准频率源具有活跃性质，如众所周知的量子振荡器。它们当中研究得最多的是氢原子束的氢量子振荡器和氨分子束的分子量子振荡器，都具有受激发射能力(效应)。

为了显出铯原子固有频率，利用了谐振吸收效应，是在主控石英振荡器产生的电磁场作用下发生的。当铯原子固有振动频率和由石英稳定的无线电技术振荡器控制的交流电频率重合时，谐振效应将达到最大。如果磁振荡频率距铯原子固有频率较远，原子束不相互作用。

铯原子固有振荡频率具有非常高的稳定性，因此，可以用来自动调整和稳定石英振荡器，其频率在不稳定因素——老化——作用下，可能发生根本性变化。

振荡器 制造振荡器的前提是，用这样或那样办法得到具有称之为活跃分子或处于高能级分子的分子系统，这时，就可以得到由于受激发射结果而激励振动的系统。这个任务比其他方面的问题都解决的早，就是用氨NH3分子束来制造脉泽。在分子系统里，利用这些分子束，成功地消除了首先是多波列尔效应引起的一系列不稳定的相互作用。

制造分子和原子钟是非常复杂的技术问题，因为不得不用复杂的和寿命不长的器件——特殊用途的电子管，使真空和温度维持在一定水平的装置和必须防护和装置的壁和器件可能产生的不可控制的物理——化学反应。

分子钟最大的缺点是，必须用经常冷凝氨的办法和使用连续作用的预冷系统，以便在调节箱里维持真空。

铯原子钟 "原子钟"名称开始时给予了1948年的氨钟，虽然实质上它是分子钟。其实，原子钟出现在公元1955年。这只钟是基于应用铯的磁超细结构频谱线，叫铠原子钟，而在美国的"原子钟、“摆钟”这些钟里都应用的是铯原子。

原子钟装置与利用原子能，也就是与原子裂变没有联系，与光波相比，这些原子能量很小。这就产生了一个问题，在铯原子没有裂变的情况下，怎样从物质内部得到信号。由于利用了铯原子的特殊性质，从困难中得到了结论。

铯原子是由许多电子围绕的核组成，而在其外层只有一个电子。铯原子核拥有自然磁性，外层电子同样也具有磁性。铠原子能量与磁力矩之间相互取向、原子核和电子自旋有关。

在非均匀磁场里，每一个原子开始相当于一块小磁铁。根据原子核和电子自旋的相互取向，铯原子的状态特性也将发生变化。当电磁场量子产生发射或吸收时，自旋取向向相反方向变化，这时，外磁场将使原子向相反方面偏移。对于量子无线电技术来说，最感兴趣的是这种跃迁，即当原子从一个能态跃迁至另一个能态时，其频率与磁场无关。

利用铯原子束磁性质，在将电路调整得与原子束，固有振动频率同步的基础上，成功地取得了谐振吸收效应。这样，，也就得以制造铯原子钟。

在这条道路上，最大的困难主要不是用电子仪器调整电路，而是找到有效手段来利用铯原子的磁性质，以便得到谐振吸收效应。为了制造与这个要求完全相符的原子束真空管，许多国家都进行了不断的研究，其中，美国哥伦比亚大学完成了光辉的工作。这些研究涉及到分子和原子在不同状态时的特性。Л•爱森指出了所有这些研究工作的国际性质。这些成果可用一简单系统图形式来表达（图1 )。这个系统图是以在原子钟里用作谐振器的带有原子束的原子发射管装置为基础的。这个系统接入自动调频线路，起着高稳定鉴频器的作用，振荡电路的当量品质因数为5 ×106。
原子发射铜管真空度很高，长1524毫米，它的两端安装在支座上(图2 )。在管的开始部位(见图1 )放置铅原子源，装在微型电炉1里。这里，铯原子处于加热状态(到200°) ，然后通过分成许多通道的缝隙2。这样，就可以保证形成非常窄的铯原子束。

离开炉子，原子束继续保持在此之前的方向和速度，即相对原子核电子磁矩有两种可能取向。但在通过磁场3之后，原子束分为二：具有大能量的原子被磁铁的北极吸引，沉降在管壁上，同时，拥有小能量的原子从磁铁3北极向空腔谐振器4方向脱开，在两个谐振器之间通过。要有两个分散某一距离的谐振器，是为了保证原子束的窄频谱线。

如果谐振器里电磁振荡的频率距铯原子固有频率较远，束原子之间不相互作用。铯线频率靠近9192兆赫兹，因此，必须激发这个频率的可变磁场，不仅如此，如果要求分辨率为10-10，那么，激发频率应是单色的，精度到1赫兹。为此，调