（苏）ВНПипуныров 著   张遐龄 译


20世纪四十年代之前，计时仪器仅仅是建立在应用机械振子——摆、摆轮游丝和石英振子的基础上。这些和其他振子的尺寸都比较大，固有振荡频率在很大程度上取决于一系列不稳定因素(温度、大气压力、材料老化程度，等等) ，因此，它们不能具有精密计量时间所需要的高稳定性。

基于天文确定的时间标准和频率，同样不是常量。曾经证实，地球转动的角速度也是变化的，其结果是一年之内昼夜的延续时间可能偏离年平均值±0.001秒钟， 因此，不得不放弃作为时间标准的度量单位——秒钟（太阳昼夜的1/86400）。

最近十年，原子物理和微波无线电频谱学的发展，导致在原子常量基础上建立起完全新的频率和时间标准，制造了分子和原子钟。这些钟应用的振子是分子和原子，它们在微观世界的振动频率是严格稳定的，与外界作用无关，而且对于它们量子力学的定律是真实的。在分子钟里，用分子团作为振子，而在原子钟里，则是用单个原子团。此外，根据选用的振子钟类，这些量子力学的计时仪器可以分为氨的、铯的、氢的、铷的和其他的。

这些计时仪器的出现和发展，在计量时间领域引起了一场革命，也是20世纪科学技术革命重要方向之一。

量子振动精密计时发展到今天，可以分为两个阶段：开始阶段是准备和制造第一只分子钟（氨），这是在公元1948年。第二阶段是一直到今天，因为在最近三十年已经制造出所有型号的分子和原子钟。

公元1948年的第一只分子钟   在分子里可能有这样的能量状态，对于它扪来说，引入保尔(Бор)方程的能量变化（En-Em）是如此之小，使得对应于这些能量差的频率仍处于毫米和厘米波的区域里。

对无线电波的厘米波段系统的研究，开始于公元1946年由于雷达学的发展，最后完成了对这个波段的研究。声无线电波毫米和厘米波段对气态氨射频频谱的研究，对制造第一只分于钟有着特殊的意义。气态氨对1.25厘米波有较强的选择性吸收，还有一系列频率，也使其发生这样的吸收。对稀薄气体吸收的波段是如此之窄，只能构成吸收频谱线。颇谱线之和给出气体的射频频谱。

公元1947年，氨吸收频谱线用来稳定反射速调管的频率，当时，反射速调管广泛用于发生厘米波段无线电波的电子管，在公元1948年用于制造氨分子钟。在分子里原子的振动，其频率相对小些，因此，也比较容易同指示时间的机械和电系统相联系起来。以此来懈释为什么首先出现的是分子钟，而不是原子钟。

标志制造分子钟、作为时间和频率标准常量可能性的第一个实际结果，设在华盛顿的国家标准委员会利用加罗尔德•莱昂斯（Гарольд Лайонс）原理的基础上取得的，他是微波科学研究实验室的研究员。

用试验的方法曾经发现，在充有氨的波导管里，当大气压力为10-2，也就是在很稀薄情况下，对1.25厘米波可以得到相当窄的氨吸收频谱。在气体方面第一个指出这种现象的，是克列叶顿(Клеетон)和维利亚姆斯(Вильямс)，在公元1934年。

当这种吸收频谱显而易见地可以成为新的频率和时间标准的可靠基础时，华盛顿的国家标准委员会的科学家们开始寻找应用这个频谱的办法，用于实现检验无线电技术振荡器，它也可以用来作为钟表的原动机。

这样，曾试图用根据氨吸收频谱线自动修正来代替天文观测办法修正石英钟的走时。给这个装置起了个自命不凡的、但也不完全准确的名称"原子钟"。

在第一只分子钟里应用的量子系统，是由气态氨NH3组成的。它的原子在空间的分布是在设想的三稜锥体的各顶点，氢原子在底部的角上，氮原子在锥体的顶点。氮原子相对三个氢原子可以占据两个端点位置。分子的这两个位置是以电偶极矩在处于磁场中的分子旋转轴上投影的符号来区分的。氢原子的振动频率与旋转分子的能量有关。

氨分手的固有振动频率为23870.14兆周，对应于1.25厘米波长，因此，它的振荡周期为二千四百万分之一秒钟。这个频率比照明用交流电频率高百万倍，比一般无线电广播传递应用的，接近于光波的频率高千倍。

第一只分子钟是由高频石英振荡器组成，装有频率自动调整到控制振子的——这里指的是分子的——自振频率。调整好的石英振荡器信号频率，预先倍增n倍，以使它约等于氨的固有振动频率。修正石英振荡器振动频率的装置，称之为鉴频器，将振荡器频率和氨分子固有振动频率进行比较，当这些频率存在差别时将给出“误差信号”。错误信号从鉴频器输出端传递到调整振荡器，借助特殊装置来修正它的振动频率，使它们和除以n倍的分子振子频率进行比较，结果得到时间信号，它的频率比控制振子的信号频率低n倍，而功率大大地增加了。

归根到底，在分子钟里是氨分子起着测量时间装置，也就是"摆"的作用。

钟的所有部分(组合体)安装在格架形式的标准柜里。在两箱格架的上边装有同步钟和波导管，后者实际上是长方形截面（12.7×6.35毫米2）的、螺旋形的铜管，长9.14米。在波导管的空腔里装有非常稀薄状态的氨气。在已经采用的频率为100赫兹的石英振荡器形成的磁场作用下，激励和维持分子在波导管里的振动。借助真空电子管和硅晶体二极管，100赫兹的频率预先倍增和放大，石英频率的谐频之一输到波导管。

如果这个电磁源的频率对应于氨频谱线之一的频率，也就是频率为23870130190赫兹的线，在波导管里将被氨强烈地吸收，相反，和这个频率甚至区别上1000 赫兹的无线电波，也不能有足够吸收。

当用倍增和放大石英振荡器频率办法得到的微波信号，将按吸收频谱频率调整好振荡器和氨吸收频谱不变频率联锁起来。达到接收机的无线电波功率，恰恰取决于传向接收机路途上对无线电波的吸收，因此，可以判断，传来的无线电波振荡频率是不是23870130190赫兹或者是另外的。

氨分子钟系统，如图1 所示。在石英振荡器A产生的频率信号，传给频率倍增器B 的线路。经过若干级倍增2700倍的石英振荡器频率，也就是到270兆赫兹，和由振荡器按锯形振荡调频±0.12兆周的13.8兆周频率混合起来。这个混合和以后倍增11倍，是在速调管D1帮助下边行的，在它的输出端形成按频率调整好的频率为2983.8±0.12兆周的电压。这个电压进而接向硅晶体二极管D2，它形成被输送电压的谐频。传递电压的八分之一谐频频率为23870±0.96兆周，传送给波导管F，这里将发生放大的谐振吸收，由此产生剧烈的脉冲，它出现在波导管端部的检波器之后。第二个脉冲从电压频率为12.7兆周的第一个倍增器分支产生，同时，也从频率为13.8±0.12兆周的频率调整电压产生，并且在混频器和其他检波器之后取得。两个脉冲都输到鉴频器，在它的输出端组成直流电电压，其数值与两个脉冲之间的时间位移成比例。

根据所采用的系统不同，这些脉冲能够重合或有一定之差。无论在什么样情况下它们都是具有氨固有频率的石英振荡器倍增一频率线路调整程度的度量。与位移成比例的直流电电压，接入自动控制石英振荡器的电抗管。这样，石英振荡器产生的振动频率导致与氨分子固有振动频率相对应。

在己指出的系统，分频器借助一系列级降低频率，取得等于1 赫兹的电流频率，以便驱动同步电机。

在氨分子钟里，于公元1948年已经原则上做到了氮分子固有振荡和石英振荡的匹配，但是，在频谱线频率约为24千兆赫兹左右时，对于气态氨难以得到小于100千赫兹的线宽。相应地频谱线的品质因数
Q=(24×106) /100=2.4×105
这个氨钟品质因数的数值，不优于未同步化石英钟的品质因数。公元1956年瑞士纽沙泰尔天文台对各种时间标准精度参数进行比较的结果也证实了这一点（见表）。在表中，△f/f——频率不稳定性，用频率变化与频率名义值之比来表示。

标准  
Q △f/f Q Q ×10 
石英钟
氨分子钟
天文摆钟
精密计时器 10-9
2×10-9
10-7
10-5 106
2.4×105
104
102 1
0.48
1
1

氨分子钟实际上达到的走时精度（2×10-9），对应于230天差1秒钟。虽然这个指标不优于石英钟的走时精度，但氨分子仍然有一个优点，它的走时在不定的长时间里是稳定的，在同样的时间里，石英钟的走时随着时间的流逝将发生变化。 

众所周知，石英片"老化"，它的振荡周期也将发生变化；而氨分子没有老化问题，它的性质也不改变，因此，它们的振荡是调整、稳定和检测石英振子的可靠手段。让100000赫兹石英频率每秒钟减少一次振动，那么在倍增之后，振动数将减少238720，其结果是将不吸收任何无线电波。甚至如果石英振荡在100秒钟里偏离已给的频率一次振动，也可以发现这个数值，因为在仪器的专门部分——鉴频器——会出现"误差信号"。

在第一只分子钟（公元1948年）里，未能成功地完空消除氨吸收频谱线宽展的原因，特别是多卜勒（Допплер）效应对这一点影响很大。后者的产生是由于必须同时利用很大数量的氨分子，而不是单独一个分子作为振子。这些分子的相互作用(碰撞),无论在彼此之间还是与仪器壁之间，引起频谱线宽展,与此同时，引起振子固有振动频率的变化。这种相互作用导致这样一种效应，就象在机械振子存在摩擦一样，使品质因数下降，同时，使实际的分子钟走时稳定性下降。

如果可以使唯一的一个分子可靠地和仪器联系在一起，那它将有非常稳定的频率，在各种外界条件的影响下，它都不会变化。氨振荡频率只取决于分子的老化和性质，与外界因素的影响无关。装有这样振子的钟，其走时精度比一般分子钟的走时精度高若干数字级。

但是，制造用只有一个分子作为振子的分子钟，实际上是不可能的。没有找到一种办法，来有效地减小氨频谱线的宽度。

现代原子和分子钟的制造   用原子束来制造现代原子钟和用分子束（代替气态氨）来制造分子钟，这种办法成功地避开了公元1948年制造的