氨鐘

氨鐘（ammonia clock），又稱氨分子鐘，氨鐘的主體是氨分子振盪器，它又叫氨脈澤（MASER），是受激輻射放大（Microwave Amplication by Stimulated Emission of Radiation）頭一個字母拼成的新名詞。

氨鐘是最早的一類原子鐘。1954年，美國哥倫比亞大學的湯斯使來自氨分子源的氨分子束經過加有非均勻電場的焦聚器，氨分子束髮生偏轉，分離出高能級的氨分子，然後把這些分子引入諧振腔內發生受激輻射，產生電磁波激射（發射）和放大，其激射頻率僅僅取決氨分子能級類型和本身的特性，因而具有極高的穩定度，其值為10^-11，這相當於在數百年內誤差僅為1秒，是一個理想的時間標準，即氨分子鐘，又因為它的激射波長為1.25厘米，落在微波段之內，所以也稱為激波激射器。

氨鐘的研製成功，使天文台的計時設備步入原子鐘時代。

基本介紹

• 中文名：氨鐘
• 外文名：ammonia clock
• 發明人：湯斯（C.H.Townes）
• 發明時間：1953
• 又名：氨分子鐘、激波激射器
• 作用：精確計時
• 頻率穩定度：10-11

工作原理

氨鐘是一種原子鐘，其中石英振盪器的頻率被受激氨分子產生的振動所控制。氨分子（NH₃）呈錐形，尖項上為一個氮原子，底部三角形的每個角上有一氫原子，當這種氨分於被激活時，每20.9微秒，氮原於通過底部形成另一側的錐形，20.9微秒以後，它返回原來的位置，這樣來回振動的頻率為23870Hz。氨氣只在這一頻率吸收激勵能。利用一個晶體振盪器（crystal oscillator）將能量饋送給氨氣和一適宜的反饋機件．振盪器就可準確地鎖定在這一頻率上。

氨鐘的研製歷程

1948年到1949年，美國國家標準局研製成功世界上第一台完整的“原子鐘”，這台原子鐘主要包括一個石英晶體振盪器和一根充滿氨氣的波導管。這根管子盤繞鐘面，放在儀器頂部。用氨分子的吸收譜線來穩定石英振盪器的頻率，並分頻後驅動50Hz的鐘。

1953年美國哥倫比亞大學的湯斯（C.H.Townes）研製成功第一台氨鐘，頻率穩定度值為10^-11數量級，相當於在幾千年的時間內誤差小於1秒。這一成功，誕生了量子電子學，並使湯斯獲得了諾貝爾獎，同時也導致了1960年雷射的獲得。我國科學家王天眷參加了第一台氨鐘的研製工作。

1964年3月19日，上海天文台研製成我國第一台氨分子振盪器。

發明靈感和背景

湯斯發明氨分子鐘的經歷頗具傳奇色彩。他是在1961年春天華盛頓的一次學術會議期間得到最初構想的；一天早上，他醒得很早，為了不驚動同室的朋友，他走到了旅館附近的公園，在一條長凳上坐了下來，也許是早晨清新的空氣使他豁然開朗，他想起了利用分子體系可以實現電磁波的振盪和放大。對於湯斯的此番經歷，人們總愛說成是他在華盛頓得到了“神的啟示”，這使得氨分子鐘及以後雷射器的發明都多少帶上了神秘的色彩，以致今天還把雷射譽為“神光”。

湯斯本人在朋友們說起“神的啟示”時總是報之一笑，直到40年以後的今天，當我們讀到湯斯寫的回憶文章時，才會感到他這一笑的意味深長，湯斯取得成功並非輕易，而是經歷了艱辛和坎坷。湯斯在第二次世界大戰期間曾在軍隊里服役，從事雷達的研製工作，縮短雷達波的波長以提高靈敏度一直是軍方追求的目標。戰後，湯斯擔任了海軍毫米波諮詢委員會主席，產生更短波長的雷達波成為他主攻的課題。幾年過去了，沒能取得重大突破，這使他深感困惑，正如他在文章里所回憶的那樣。“我和其他一些人試用了許多不同的技術，去製造能產生更短波長的振盪器。經歷了某些失望的歲月以後，我打算在華盛頓召開的一次會議上，報告獲得這種振盪器的潛在可能性。”正是在這次會議期間，湯斯取得了實質性的進展，對此他有如下的描述：“我坐在附近公園的長凳上，苦苦思索我們過去失敗的原因所在。有一點是清楚的：即需要一種製造得非常小的精密的振盪器的方法。這意味著。任何現實的希望都必須建立在尋找利用分子的方法上！或許正是清新的早晨空氣使我豁然開朗，這樣做是可能的。”

發明意義

氨分子鐘的成功，為以後更準確和更穩定的原子鐘，如氫原子鐘、銫原子鐘的出現奠定了基礎，更為重要的是，它把量子力學中受激輻射的概念套用到無線電電子學中，實現了激射和放大電磁波，導致了一門新學科——量子電子學的誕生。