主讲：梅彪彪 组员：汪世斌
王治樊 乔梁
01 • 原子钟的工作原理
• 原子钟发展历史
02
原子钟的工作原理
• 综合原子综系合统时原组系子成时统的定（义及拓展） 03
综合原子时的归算
原子钟以原子共振频 率标准来计算及保持
时间的准确。
原子钟里的
元素有氢、铯、 铷等。
尽管市面上有形形色色的各种原子钟，但这些
原子钟的原 理都是相同的，其主要差别在于使 用的元素，以及能级变化时间的检测方式。
第一阶段： 由铯原子组成的气体，被
引入到时钟的真空室中，用6 束相互垂直的红外线激光
（黄线）照射铯原子气，使之 相互靠近而呈球状，同时激光
减慢了原子的运动速度并将 其冷却到接近绝对零度。此 时的铯原子气呈现圆球状气 体云。
综合原子时数据库不仅包
括了国内各守时实验室的主钟和其
它艳钟、氢钟、铆钟的比对结 果, 包括了长波、电视、微波 和卫星等多种同步技术的比对结
果, 还包括了国外主要守时中心, 如
美国海军天文台, 日本东京天文 台、日本电波研究所、巴黎天文 台、加拿大国家研究委员会等的
测量结果。
远距离同步
内部比对
综合原子时数据库Байду номын сангаас
预处理系统
M O W A 算法
协调补偿
原子时
协调时
综合原子时公报
综合原子时系统组成：
综合原子时预处理系统是一
种拟处理方式的设计, 能够成批计算大 量各实验室的原子钟的有关性能参数,
有效地处理原子钟中时有发生的相位 和频率的阶跃问题, 自动解决数据处 理中出现的满刻度、过零和软盘 转换等问题. 特别是该系统实现了电 视比对结果的自动补偿, 克服了错帧、 错场、错行或错用均衡脉冲等问
NBS-4于1968年完工，它是世界上最稳定的铯原子钟， 到二十世纪九十年代为止，它一直是NIST时间系统的重 要组成部分。
1999年
2014年 2015年
NIST-F1开始投入使用，其误差为1.7×10-15 ，即精度 约为2000万年偏差1秒，是有史以来最精确的时钟。但它
并不能直接显示钟点，它的任务是提供“秒”这个时间
定期进行的搬运艳原子钟的测
量精度一般均优于10ns，利用全 球定位系统的比对目前是每小时一 次, 逐日之间的噪声起伏小于30ns 短期的相位起伏在20ns以内。
实验室钟组
远距离同步
内部比对
综合原子时数据库
预处理系统
M O W A 算法
协调补偿
原子时
协调时
综合原子时公报
综合原子时系统组成：
实验室钟组
微波部分地改变了铯原子的 原子状态。
第四阶段： 在微波腔的出口处，另一束激光射向铯原子气，探测器将
对辐射出的荧光的强度进行测量。当在微波腔中发生状态改变 的铯原子与激光束再次发生作用时就会放射出光能。
同时，一个探测器（右）对这一荧光柱进行测量。整个过
程被多次重复，直到达到出现最大数目的铯原子荧光柱。这一 点定义了用来确定秒的铯原子的天然共振频率。
第二阶段： 两束垂直的激光轻轻地将
这个铯原子气球向上举起，形
成“喷泉”式的运动，然后
关闭所有的激光器。这个很小 的推力将使铯原子气球向上举
起约1m高，穿过一个充满微 波的微波腔，这时铯原子从
微波中吸收了足够能量。
第三阶段：
在地心引力的作用下，
铯原子气球开始向下落，再 次穿过微波腔，并将所吸收 的能量全部释放出来。同时
国家标准局（NBS），现称美国国家标准技术协会，简 称NIST）宣告开发了全球第一台将氨分子用做振荡源的 原子钟；1952年，该机构宣告开发了第一台将铯原子用 做振荡源的原子钟，即NBS-1。
英国国家物理实验室制造出了第一台可用做振荡源的铯
束原子钟。在其后的十年中，越来越多的先进时钟相继 问世。
第13届度量衡大会在铯原子振荡技术的基础上制定了SI 秒，从此，全球的计时系统不再以天文学技术为基础。
题带来的困难, 使电视比对结果的处理
大为简化; 另外对长波接收比对设计
了专门的数字滤波, 方便了对Loran一C 台时间频率控制的监测。在钟性能计
算中, 可以任意选定多种抽样时间,
也可以分别进行时间和频率特性的分 析, 以及有关参数的计算.
实验室钟组
远距离同步
内部比对
综合原子时数据库
预处理系统
M O W A 算法
协调补偿
原子时
协调时
综合原子时公报
并为国际、国内的时间同步提供了统一的依据。
综合原子时系统组成：
各个实验室的原子钟都是相
对于本地主钟进行时差测量, 自
动化比对系统每隔1h 或2 h , 也有 的每隔6h 测量一次, 精度为1 ns , 个别实验室为10ns各实验室的主
钟之间通过长波和电视同步技 术进行逐日比对。长波接收至少
每6h 比对一次, 短期的噪声起伏约 为士20ns,电视比对一般每天二次, 单次测量的精度约为士50ns，不
单位的准确计量。这一计时装置安放在美国科罗拉多州 博尔德的国家标准和技术研究所（NIST）物理实验室。
美国科罗拉多大学天体物理学研究所联合实验室研发出
锶晶格原子钟，能够在50亿年之内不会走快一秒或者走
慢一秒。
美国科学家研制出高精度新型原子钟，能够检测精确到2 厘米的海拔高度变化，未来或可用于探测暗物质。
上述过程将多次重复进行，而
每一次微波腔中的频率都不相同。由
此可以得到一个确定频率的微波，
使大部分铯原子的能量状态发生相应 改变。这个频率就是铯原子的天然共
振频率，或确定秒长的频率。
1945年 1949年 1955年 1967年
哥伦比亚大学物理教授Isidor Rabi建议采用他在二十世
纪三十年代开发的原子束磁共振法制造时钟。
定义：
综合原子时是根据国内各守时实验室的许多台铯钟、氢钟和实验室 铯束频标之间的比对、利用长波吸收、电视比对、卫星同步和搬 运钟等多种技术的测量结果，按照MOWA算法建立的一个均匀、准确的
时间标准，它与夭文观测确定的世界时( U TC ) 相结合, 构成了实时的协调
( U T C ) 基准，这就为天文、大地测量、数字通讯、卫星跟踪、时 频计量和导航等各种理论研究和实际应用提供了准确的时间和频率,