1.基本原理
原子频率标准简称原子钟，是根据原子物理学及量子力学的原理制造的高准确度和高稳定度的振荡器。在通信领域的数字同步网中作为第一级基准时钟，是同步网中向数字设备提供同步标准信号的最高基准源。
1.1原子的能态和能级跃迁
物质由原子组成。原子中含有原子核和外层电子。由于粒子的运动，一个原子可能处于多种状态，并与其所具有的能量相对应。具有最低能量的状态叫基态，受外界影响（如磁场、电磁波辐射等）能量随之而变化的状态叫受激态。根据原子处于基态及受激态所具有的能量不同有不同的能量等级。原子能量等级的改变称为能级跃迁。能级跃迁有以下三种方式。
一、电子能级跃迁
由于质子和电子的相互作用，电子运行轨道半径的变好，通常看作是在电子能级之间的电子跃迁。
二、精细结构跃迁
通常包括电子自旋的偶极矩和由于电子对原子核的轨道运动的磁场之间的相互作用的能级跃迁。其能量变化约为第一种能级跃迁的1/50。
三、超精细结构跃迁
由于电子的两个磁极对原子核的交互作用，当电子的磁极受到感应而反转时发生超精细结构跃迁，这种很弱的交互作用称为超精细结构跃迁。约为精细结构跃迁的千分之一。
1.2 能级跃迁与原子谐振特性
当原子由受激状态变到低能量状态时，释放的电磁能称为光子，反之如果原子吸收了电磁辐射能或光子，也将从低能态跃到高能态。量子力学研究证明，不同能态的能量差与其谐振频率的关系是：
f=(E2-E1)/h (普郎克定律）
式中E2-E1为高低能态的能量差；
f为谐振频率（电磁辐射能的谐振频率）；
h为普郎克常数（6.6252E-34*J*s)
从上式可以看出，如果两个固有的能级在不受外界感应时是不变的，h为常数，则两能级之间跃迁产生的频率是固定的。由于这种特性，可以得到准确而固定的频率。
用上述原理制成的原子钟有几种不同的类型：
。原子（使用的元素）类型选择，有氢钟、铯钟及铷钟等。
。有源（或自激）型原子钟，其输出信号是由原子发生的辐射电磁波导出，类似于振荡器。
。无源（或受激）型原子钟，原子谐振腔当作鉴频器，用以监测和控制压控晶体振荡器，使振荡器的输出频率锁定于原子谐振频率。
。原子束经过谐振腔后，有的不再使用，如铯钟，有的则包含在容器内，可反复使用，如铷钟。
1.3 磁场对能级的影响
原子的能级一般按其原子核和外层电子的相互动态关系划分，例如主能级与电子绕原子核的轨道半径有关，更细一些的划分要按照电子的自旋和原子核的自旋。原子的主能级状态变化通常是在电磁波频谱的红外线或高能区域，频率太高，不能用在实际的电子回路中，原子频率标准之所以能够实现，是因为原子的基态可以分离，再细分则是电子和原子核的自旋，称为超精细结构，如果再加外部磁场还可以再分出多个子能级，叫塞曼子能，所有的商用原子钟都是在超精细能级的基础上实现的。
1.4 能态的选择
按普朗克定律，要产生谐振频率必须有原子在两个能级之间的跃迁。一个原子吸收或释放的能量很小，无法检测出并加以利用，必须有足够数量的原子而且应该使原子在两个能态上的分布数量不同，具有高能态的原子数应该大大多于低能态的原子数。或者相反，既是使两个能态上的原子数有很大的差别。因为两个能态的原子数在温度不高时接近相等，当这种状态下的原子束受到电磁场辐射时，低能态电子吸收能量，高能量的电子放出能量，高、低能态的电子都发生跃迁，但原子数接近相等，总的能量没有什么变化，无法检测到谐振的信号。所以应当使占绝对多数的电子集中到一个能态上，以便在电磁波的作用下发生跃迁，用以检测谐振信号。
磁场选态：原子通过强的可变磁场，原子受到的力正比于磁场对距离的变化率，原子的能量随磁场的增强而增加，低能态的原子向磁场强的区域偏转，而那些随磁场增强而降低了能量的高能态电子则向相反方向偏转。通过磁场后已将高、低能态的原子分成两束，每束中具有一种能态的原子占绝大多数，完成了选态过程。
光抽运选态，使用光学的办法选态，也要用光学的办法检测原子谐振情况。铷原子钟内就采用此种办法，
1.5 原子谐振的检测
经过选态的原子已具有一定的能级，在微波谐振腔中接收电磁波的辐射，当电磁波信号的频率与能级跃迁的频率相等时则产生原子谐振。对谐振的检测方法分述如下：
1.经过能级跃迁的原子，已由高能态变到低能态，再经过不均匀的磁场，将跃迁后的低能态原子引导到检测装置，当激励信号的频率等于原子谐振频率时，则跃迁的原子最多检测装置收到原子数量多，说明已达到了谐振状态，完成了原子选态检测。
2.产生原子谐振的谐振腔有其自身的谐振频率，其频率由腔体的材料和尺寸决定。如果原子由高能态跃迁到低能态，则释放能量；当进谐振腔的电磁级信号的频率与原子谐振频率相等时，如腔中原子为高能态，跃迁后将释放能量，如产生的能量大于谐振腔的损耗，则将产生自激振荡，或增加外加信号的能量。如腔中原子为低能态，则将吸收能量，减小电磁波的能量，检测外加信号的电平变化则可测得原子谐振的状态。
3.用光抽运选态后的原子经电磁波辐射后产生跃迁，如产生原子谐振，则对激励原子跃迁的入射光产生衰耗，在光检测器上的信号最小，用光检测器（一般用光电池）检出的信号变化可反映原子谐振的状态。
2 铯钟
铯钟即铯束原子频率标准，是一种高准确度的频率发生器，在各种频率系统中作为标准频率源，是一种被动型（即受激型）原子束频率标准。
2.1 铯束管
铯钟的基本元件是铯束管，利用铯原子的物理特性，用能级跃迁的谐振特性产生固定的频率。铯钟选择的能态是其超精细结构中的（F=4，m=0)及（F=3，m=0），其中F为无外加磁场时的超精细能级，m为有外加磁场后分出的塞曼子能级。这两个超精细能级之间跃迁频率对磁场的变化最不敏感，因而被选用，并被用来定义原子秒，其频率为9192631770HZ。
铯元素在加热器中被加热到100度左右，即产生铯原子束，温度可由内附的热敏电阻监测。原子在进入谐振腔之前先经过选态磁场，将高能态及低能态的原子分开。否则高、低能态的原子数接近相等，近半数的低能态原子吸收微波能量，另一半高能态原子放出能量，能态也随之产生跃迁，总的效果互相抵消，观测不到谐振效应。原子经过磁场时，高能态原子经过足够大的不均匀磁场将向磁场场强H减小的方向运动，而低能态的原子则向H增加的方向运动，如此则将高、低能态的原子分开，高（或低）能态的原子占绝大多数，进入微波谐振腔，并在一段确定的时间内使进腔内的原子受到微波信号的辐射。当激励信号的频率与原子跃迁的频率相同时，就将原子激发产生跃迁，其能态也随之改变。原子在谐振腔内受激并伴之能态改变后，再次穿过磁选态器，不同能态的原子的原子在空间上按其高、低能态分为两束，在铯束管内适当位置的检测器只能收到相应能态的原子，因而检测接收到的原子束是在案激励后产生能态变化的原子。激励信号频率与原子能态变化的谐振频率相同时，发生能级跃迁的原子数概率最大。这些原子撞击检测器产生电离，离子经质谱仪引至电子倍增器，将离子电流放大并进行检测。离子电流约1E-8A量级。
谐振腔的外面还包有长园形线圈，即在原子和微波电磁场相互作用的区域加一个固定的磁场，称为“C场”，可对谐振频率进行微调。对整个铯素管要进行严格的磁屏蔽，一般用双层屏蔽，以免受到外界磁场干扰。
在原子束经过的路径上有低频线圈，提供低频电磁场，约几十千赫，可以产生塞曼频率，约为42.794Khz，用以测量作用区内的固定磁场。
铯束管输出检测电流，送至外部的电子回路组合中。
2.2 铯钟的频率变换及误差校正
铯束管中提供的谐振频率为9192631770
HZ，已属微波波段，不适于实际应用，因此需经过一套伺服系统，经过误差检测，使5MHZ的高稳定度压控石英振器被锁定在铯束管的谐振频率上，使用锁频环路。
5MHZ压控振荡器的一路输出送至倍频器，第一级倍频器的倍频数为36，同时加入137HZ的相位调制，输出为180MHZ。第二级倍频器的信频数为51次，输出为9180MHZ，5MHZ压控振荡器的另一路输出进入缓冲放大器，放大器的一路输出引至铯钟组，另一路经过频率综合器送至压控振荡器，生成12.631...MHZ的信号，与上部倍频器的9180MHZ信号综合成为9180+12.631...=9192631...MHZ，即铯原子跃迁的频率。
当锁频回路闭环时，利用负反馈的原理，对压控振荡器进行频率控制，频率误差的检测利用137HZ的调制信号（选择137HZ是为避免谐波的干扰），通过伺服回路，如频率较标准为高，则检测结果换点为负电压送至压控振荡器，以降低其频率反之则回控电压为正，增高其频率，输出频率正确时，则回控电压为0，频率不做调整。
2.3 铯时钟组（铯束频率标准系统）
铯时钟主要作频率基准使用。为了安全可靠，实用的铯频标系统一般由3套铯钟组及相应的2048KHZ处理器、转换回路及输出放大接口电路组成，各套铯钟组可以独立工作，也可以互相倒接，另外还有相位比较器及纪录仪，能画出随时间变化的相位情况，可以看出相对的相位变化。对铯钟输出信号作比较。此外还有告警及监测系统。可用多数取决方式选用任一套铯钟的输出基准信号。标称输出为2048MHZ,但也可以根据使用要求配置64KZ、1MHZ、5MHZ及10MHZ信号。
另外，铯时钟组还可另接GPS接收机，接收GPS标准信号，并与本系统铯钟信号进行比对。
3 铷钟
铷钟的基本工作原理与铯钟相似，都是利用能级跃迁的谐振频率作为基准。铷钟利用光抽运的办法进行原子选态，谐振的检测则是利用光检测器（光电池）去测量经谐振腔的抽运光（激励原子跃迁）的传递衰减来完成。当微波频率在跃迁概率的峰值时，传递的光波大概降低1%~10%。铷钟的体积小，预热时间短，长期的老化率为2.0E-10/年，如果为改进性能参数而加大体积，则与铯钟同样大小的铷钟也会具有几乎与铯钟一样的性能。1
4 氢钟
又称氢-微波激射器（MASER，Microwave amplification by stimulated emission of
radiation)用铯钟、铷钟产生原子谐振的原理，将经提纯的氢气即分子状态的氢气导入装在谐振腔内的球形容器内，与腔内的微波电磁场相互作用产生原子能级跃迁。氢原子的超精细能级的跃迁频率为1.420...GHz。内壁有涂层的球形容器能允许原子特长时间的相互作用，用微波电磁场包住容器，以减少由于原子碰撞容器壁而引起的扰动。微波的作用使高能态的原子跃迁到低能态，释放出能量，当容器内有足够的原子密度，释放出的能量比谐振腔的损失大时，则可产生自激振荡，称为有源（自激）氢-微波激射器，实际上成为振荡器。当容器的原子跃迁不足以维持振荡时，则需外加激励能量使原子产生跃迁，称为无源（或受激）氢-微波激射器，不能成为自举振荡器，其工作原理与铯钟或铷钟方式相同。
自激型微波激射器相当于振荡器，对晶体压控振荡器信号用相位锁定，所以能有较好的短期频率稳定度，而被氢-微波激射器对压控晶体振荡器则为频率锁定，故其短期频率稳定度不如自激型的。
5 不同类型时钟的比较
铷钟与铯钟和氢钟相比，体积较小，重量较轻，耗电较少。有比较好的短期频率稳定度，在时间常数小于1000S时优于铯钟。老化率优于晶体钟，预热时间也较短。价格比铯钟低。
铯钟长期频率稳定度性能非常好，没有老化现象，但能耗高、体积较大，价格贵而且铯束管的寿命为3~5年，届时需更换。
氢钟具有极高的频率稳定度，但体积大，能耗高，价格也高，7年左右需更换氢元素。