北斗卫星系统的心脏——中国原子钟发展的历史

第一代原子钟

原子由原子核和电子组成，电子绕原子核高速旋转，有不同的旋转轨道。电子在不同的旋转轨道上具有不同的能量，这些能量是不连续的，称为能级。电子在不同的能级之间可以跃迁，当电子从一个高“能量态”跃迁至低“能量态”时它便会释放电磁波。这种电磁波的频率就是人们所说的共振频率。同一种原子的同种跃迁的共振频率是一定的，例如铯133的一个共振频率为9192631770赫兹。由于共振频率非常稳定，利用它制作的计时仪器就可以非常准确了。原子钟的出现是人类计时史上的一次革命，它使时间计量标准由传统的天文学的宏观领域过渡到一个崭新的微观领域。自此，人类的时间测量和授时工作进入了一个崭新的历史阶段。

现在用在院子中里的元素有氢、铯和铷等，他们制成的原子钟分别以这些元素的名字命名，如铯原子钟等。针对不同的用途，用不同的元素开发出不同的原子钟。现在最小的原子钟只相当于一粒大米的大小，而最大的原子钟长度超过5米；最便宜的原子钟约1万元人民币，最贵的原子钟价值超过一百万元人民币。这些原子钟在各行各业都发挥着巨大的作用。

1967年，第13届国际计量大会上通过了以无干扰的铯133原子基态的两个超精细能级之间的跃迁辐射的9192631770个周期的持续时间为1秒的定义，这就是原子秒。

我国从20世纪50年代末开始研究原子频标，1960年后，中国科学院上海天文台和北京电子所先后开始研制氨分子钟光抽运钠汽室频标。1963年秋，在王义遒教授的主持下，北京大学与电子工业部第十七所合作，开始研制光抽铯汽室频标，并于1965年完成三台样机。经两两比对，稳定度为5×10-11。这是我国第一台原子钟，为我国国防、航天、通信、计量等事业做出了重要贡献。

王义遒教授还主持研制了我国第一批批量生产的“光抽运铷原子钟”，这项高科技成果在我国若干国防科研试验中发挥了重要作用，于1978年被全国科学大会授予重大成果奖。王义遒教授因首创激光抽运铯束频标的长期稳定性能而获得1993年中国物理学会饶毓泰物理奖。

20世纪70年代发展情况

1972年，在电子工业部的要求下，北京大学汉中分校恢复了量子频标研究。1973年初，在电子工业部组织下，北京大学与电子工业部北京大华无线电仪器厂和国营707厂共同研制批量生产铷汽室频标。同年，北京大学恢复了波谱学及量子学专业，由于当时频标人才的急需，该专业被命名为“频标专业”。

1973年，中国科学院上海光学精密器械研究所在国荣灯具厂的协作下研制成功了国内第一台桌上仪器型光抽运铷汽室频标，这是我国首次将国产原子钟付诸实用，与此同时，成都星华仪器厂与北京大学合作，也小批量生产铷原子钟。这期间，电子工业部第十七所与第十二所合作的铯束频标样机也取得成功。上海天文台和上海计量局各自研制的氢激射器样机也相继成功。中国科学院武汉物理研究所也成功研制了氢激射器，并小批量生产。

在此基础上，由中国科学院牵头，于1976年在北京召开的全国原子钟会议，对全国原子钟的研制生产做出了全面部署，落实了各工程急需的频标研制生产任务。当时确定的研制任务和生产单位是：（1）铯束频标。研制单位为电子工业部第十二所和第十七所、北京大学、国营4404厂和国营768厂（隶属于电子工业部）。（2）铷汽室频标。生产单位为国营768厂与北京大学汉中分校，上海国荣灯具厂与中国科学院上海光学精密机械研究所，国营867厂，电子工业部第二十七所。（3）氢激射器。由国营4404厂与中国科学院武汉物理研究所合作生产。