中國計量院“新（xīn）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（jī）礎設施（shī）之一。“在國際單位（wèi）製規定的7個（gè）基（jī）本物理量中，時（shí）間的測量（liàng）準確度最高、應用最廣。每（měi）一次（cì）時間頻率測量（liàng）極（jí）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（fáng）芳（fāng）研究員介紹說。在計量領域，以原子鍾為代表的時（shí）間頻率基準引領了計量量子化時代：“原子秒”取（qǔ）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，也基於時間頻率進行（háng）了重新定義，獲得了更高的複（fù）現（xiàn）準確度。當前，高精（jīng）度時間頻率的應用（yòng）已經延伸到了國民經（jīng）濟各個重要領域，成為了通信、衛星導航、電力、交通、金融係統的有效運行的重要手段和基礎保障。
    

    近年來（lái），國防建設、空間技術和國民經濟的發展對時間（jiān）頻率的準確性（xìng）、穩定性、可（kě）靠性都提出了越來越高（gāo）的要求，科學技術的（de）進（jìn）步也給予了時間頻率測量以新（xīn）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（xìn）號的測量比（bǐ）對和傳遞研究，形成獨（dú）立自主的高性能時間頻率係統成為（wéi）了我國長（zhǎng）遠發展的迫切戰略需求。
    

    為此，中國計量院在成功（gōng）研製我國第一台銫原子噴（pēn）泉鍾的基礎上，在國家自然基金（jīn）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（guān）鍵技術與（yǔ）應用（yòng）研究。在（zài）李天初院士（shì）等老一輩時間頻率計量科學家的指導下（xià），以房芳、張愛（ài）敏等中青（qīng）年（nián）技術骨幹領銜的科（kē）研團隊，十年磨一劍，成功（gōng）自主研製出不確（què）定度2000萬年不差一秒的新一代國家秒長基準??NIM5噴泉鍾，改造了國家原子時標基準UTC（NIM）並大幅提高（gāo）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（ér）且獨立的時間頻率基準的國家之一。
    

    其中，NIM5噴泉鍾是集激光冷卻、微（wēi）波精（jīng）密測量等現代原子分子（zǐ）與光物理前沿技術複現（xiàn）“秒”定義的基準裝置。該裝置通過高精度3維激光-磁光（guāng）阱-光（guāng）學阻（zǔ）尼裝置一體化設（shè）計、微波（bō）相位補償以及係統頻率偏移評定等方麵的一係列創新，實現了1.5E-15的絕對頻率不確（què）定度，相當（dāng）於2000萬年不差一秒；同時提高（gāo）了整機運行的可靠性，創造了準（zhǔn）連續運行率（lǜ）99.2%的世界最高水平。
    

    在國家時標基準UTC（NIM）研究方麵，項目組提出（chū）並（bìng）實施了（le）全新的整體改造方案，使UTC（NIM）與協調世界時UTC的時差（chà）減小至優於?5ns，時間傳遞過程中的A類不確定度小（xiǎo）於0.3ns。2008年，項目組還首次在世界上實現了利用噴泉鍾直接駕馭守時鍾（zhōng）組產生地方原子時（shí）的方式，引領了（le）國際守時技術發展的（de）新趨勢。
    

    據了解，全世界統一使用的標準時間是（shì）協調世界時UTC，由國際計量局（jú）主導的國際原子時合作產生。在UTC的產生中，NIM5噴泉鍾和（hé）國家時標基準UTC（NIM）做出了重要（yào）貢獻。2014年，NIM5通過了國際（jì）頻率基準工作組的評審，成為我國唯一被國際計量局（jú）認可的基準鍾之一，與法、美、德、英（yīng）、意（yì）、俄（é）一起，參與駕馭國際原子時。這（zhè）標誌著我國在國際原（yuán）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、最小時差等方麵的顯著優勢，成為了參與國際原（yuán）子（zǐ）時合作的（de）所有實驗室（shì）中，具有最高（gāo）權重的10個本地原（yuán）子（zǐ）時標（biāo）之一。
    

    “目前國際上（shàng）約有80家守時實驗室，利用商品守時鍾產生準確度在5E-13量級的時標（biāo）；而通過參加國際原子（zǐ）時合作，這些（xiē）實（shí）驗室可以將時標的準確（què）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（shào）說：“平時，用NIM5噴泉鍾駕馭（yù）守時鍾組，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（shǐ）用，NIM5仍可以獨立駕（jià）馭守時鍾組，‘守住’中國原子時，使我（wǒ）國的時標係統的準確度保持在5E-15量級。”
    

    NIM5 噴泉鍾和 UTC（NIM）原子時標還（hái）在（zài）提高國內基礎科研能力、服務經濟社（shè）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（liàng）院一直為中（zhōng）央電視台提供時間溯源校（xiào）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（sì）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（háng）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（yán）院所和高端企業提供時間頻率的量（liàng）值溯源、校準和比對服務，滿足了其對高準（zhǔn）確度時間頻率的需求。