中國計量院“新一代國家時間頻率基準的關鍵技術與應用”項目

    計量是世界公認的現代國家基礎設施之一。“在國際單位制規定的7個基本物理量中，時間的測量準確度最高、應用最廣。每一次時間頻率測量極限的突破，都推動著基礎科學的發展，影響著人們對物質世界的認知深度。” 項目主要完成人、中國計量院房芳研究員介紹說。在計量領域，以原子鐘為代表的時間頻率基準引領了計量量子化時代：“原子秒”取代“天文秒”，將秒長的測量不確定度提高了6-7個數量級；長度單位米和電壓單位伏特，也基于時間頻率進行了重新定義，獲得了更高的復現準確度。當前，高精度時間頻率的應用已經延伸到了國民經濟各個重要領域，成為了通信、衛星導航、電力、交通、金融系統的有效運行的重要手段和基礎保障。
    

    近年來，國防建設、空間技術和國民經濟的發展對時間頻率的準確性、穩定性、可靠性都提出了越來越高的要求，科學技術的進步也給予了時間頻率測量以新的推動力。建立我國自主秒長基準和時標基準，開展時間頻率信號的測量比對和傳遞研究，形成獨立自主的高性能時間頻率系統成為了我國長遠發展的迫切戰略需求。
    

    為此，中國計量院在成功研制我國第一臺銫原子噴泉鐘的基礎上，在國家自然基金委、科技部和質檢總局的支持下，開展了新一代國家時間頻率基準關鍵技術與應用研究。在李天初院士等老一輩時間頻率計量科學家的指導下，以房芳、張愛敏等中青年技術骨干領銜的科研團隊，十年磨一劍，成功自主研制出不確定度2000萬年不差一秒的新一代國家秒長基準??NIM5噴泉鐘，改造了國家原子時標基準UTC（NIM）并大幅提高了其關鍵技術指標，使我國成為世界上少數幾個擁有不僅準確、而且獨立的時間頻率基準的國家之一。
    

    其中，NIM5噴泉鐘是集激光冷卻、微波精密測量等現代原子分子與光物理前沿技術復現“秒”定義的基準裝置。該裝置通過高精度3維激光-磁光阱-光學阻尼裝置一體化設計、微波相位補償以及系統頻率偏移評定等方面的一系列創新，實現了1.5E-15的絕對頻率不確定度，相當于2000萬年不差一秒；同時提高了整機運行的可靠性，創造了準連續運行率99.2%的世界最高水平。
    

    在國家時標基準UTC（NIM）研究方面，項目組提出并實施了全新的整體改造方案，使UTC（NIM）與協調世界時UTC的時差減小至優于?5ns，時間傳遞過程中的A類不確定度小于0.3ns。2008年，項目組還首次在世界上實現了利用噴泉鐘直接駕馭守時鐘組產生地方原子時的方式，引領了國際守時技術發展的新趨勢。
    

    據了解，全世界統一使用的標準時間是協調世界時UTC，由國際計量局主導的國際原子時合作產生。在UTC的產生中，NIM5噴泉鐘和國家時標基準UTC（NIM）做出了重要貢獻。2014年，NIM5通過了國際頻率基準工作組的評審，成為我國唯一被國際計量局認可的基準鐘之一，與法、美、德、英、意、俄一起，參與駕馭國際原子時。這標志著我國在國際原子時合作中不僅有話語權，而且第一次擁有了“表決權”。UTC（NIM）也因其在穩定性、最小時差等方面的顯著優勢，成為了參與國際原子時合作的所有實驗室中，具有最高權重的10個本地原子時標之一。
    

    “目前國際上約有80家守時實驗室，利用商品守時鐘產生準確度在5E-13量級的時標；而通過參加國際原子時合作，這些實驗室可以將時標的準確度提高100倍，達到5E-15量級。” 項目組負責原子時標相關研究的張愛敏研究員介紹說：“平時，用NIM5噴泉鐘駕馭守時鐘組，可以改善地方原子時的準確度；非常時期，一旦GPS信號不能使用，NIM5仍可以獨立駕馭守時鐘組，‘守住’中國原子時，使我國的時標系統的準確度保持在5E-15量級。”
    

    NIM5 噴泉鐘和 UTC（NIM）原子時標還在提高國內基礎科研能力、服務經濟社會發展和國防建設中發揮了重要支撐作用。自 2012 年 10 月至今，中國計量院一直為中央電視臺提供時間溯源校準，保證其發布時間的準確可靠。中國計量院還通過 GNSS 比對鏈路、高保真伺服鎖定的光纖鏈路、以及直接比對等多種方法，為北京衛星導航中心、中科院武漢物理數學研究所、清華大學等多家重點單位、科研院所和高端企業提供時間頻率的量值溯源、校準和比對服務，滿足了其對高準確度時間頻率的需求。