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十年一剑 再铸辉煌
中国计量院“新一代国家时间频率基准的关键技术与应用”项目
荣获国家科技进步一等奖

        1月9日,2016年度国家科学技术奖励大会在人民大会堂隆重召开。由中国计量科学研究院(以下简称“中国计量院”)承担完成的“新一代国家时间频率基准的关键技术与应用”项目荣获2016年度国家科技进步一等奖。这是中国计量院自2006年后,再度凭借在时间频率基准研究方面取得的突出成果和显著社会效益获此殊荣。

图为项目负责人房芳研究员在颁奖现场

        计量是世界公认的现代国家基础设施之一。“在国际单位制规定的7个基本物理量中,时间的测量准确度最高、应用最广。每一次时间频率测量极限的突破,都推动着基础科学的发展,影响着人们对物质世界的认知深度。” 项目主要完成人、中国计量院房芳研究员介绍说。在计量领域,以原子钟为代表的时间频率基准引领了计量量子化时代:“原子秒”取代“天文秒”,将秒长的测量不确定度提高了6-7个数量级;长度单位米和电压单位伏特,也基于时间频率进行了重新定义,获得了更高的复现准确度。当前,高精度时间频率的应用已经延伸到了国民经济各个重要领域,成为了通信、卫星导航、电力、交通、金融系统的有效运行的重要手段和基础保障。

        近年来,国防建设、空间技术和国民经济的发展对时间频率的准确性、稳定性、可靠性都提出了越来越高的要求,科学技术的进步也给予了时间频率测量以新的推动力。建立我国自主秒长基准和时标基准,开展时间频率信号的测量比对和传递研究,形成独立自主的高性能时间频率系统成为了我国长远发展的迫切战略需求。

        为此,中国计量院在成功研制我国第一台铯原子喷泉钟的基础上,在国家自然基金委、科技部和质检总局的支持下,开展了新一代国家时间频率基准关键技术与应用研究。在李天初院士等老一辈时间频率计量科学家的指导下,以房芳、张爱敏等中青年技术骨干领衔的科研团队,十年磨一剑,成功自主研制出不确定度2000万年不差一秒的新一代国家秒长基准——NIM5喷泉钟,改造了国家原子时标基准UTC(NIM)并大幅提高了其关键技术指标,使我国成为世界上少数几个拥有不仅准确、而且独立的时间频率基准的国家之一。

        其中,NIM5喷泉钟是集激光冷却、微波精密测量等现代原子分子与光物理前沿技术复现“秒”定义的基准装置。该装置通过高精度3维激光-磁光阱-光学阻尼装置一体化设计、微波相位补偿以及系统频率偏移评定等方面的一系列创新,实现了1.5E-15的频率相对不确定度,相当于2000万年不差一秒;同时提高了整机运行的可靠性,创造了准连续运行率99.2%的世界最高水平。

        在国家时标基准UTC(NIM)研究方面,项目组提出并实施了全新的整体改造方案,使UTC(NIM)与协调世界时UTC的时差减小至优于±5ns,时间传递过程中的A类不确定度小于0.3ns。2008年,项目组还首次在世界上实现了利用喷泉钟直接驾驭守时钟组产生地方原子时的方式,引领了国际守时技术发展的新趋势。

        据了解,全世界统一使用的标准时间是协调世界时UTC,由国际计量局主导的国际原子时合作产生。在UTC的产生中,NIM5喷泉钟和国家时标基准UTC(NIM)做出了重要贡献。2014年,NIM5通过了国际频率基准工作组的评审,成为我国唯一被国际计量局认可的基准钟之一,与法、美、德、英、意、俄一起,参与驾驭国际原子时。这标志着我国在国际原子时合作中不仅有话语权,而且第一次拥有了“表决权”。UTC(NIM)也因其在稳定性、最小时差等方面的显著优势,成为了参与国际原子时合作的所有实验室中,具有最高权重的10个本地原子时标之一。

        “目前国际上约有80家守时实验室,利用商品守时钟产生准确度在5E-13量级的时标;而通过参加国际原子时合作,这些实验室可以将时标的准确度提高100倍,达到5E-15量级。” 项目组负责原子时标相关研究的张爱敏研究员介绍说:“平时,用NIM5喷泉钟驾驭守时钟组,可以改善地方原子时的准确度;非常时期,一旦GPS信号不能使用,NIM5仍可以独立驾驭守时钟组,‘守住’中国原子时,使我国的时标系统的准确度保持在5E-15量级。”

        NIM5 喷泉钟和 UTC(NIM)原子时标还在提高国内基础科研能力、服务经济社会发展和国防建设中发挥了重要支撑作用。自 2012 年 10 月至今,中国计量院一直为中央电视台提供时间溯源校准,保证其发布时间的准确可靠。中国计量院还通过 GNSS 比对链路、高保真伺服锁定的光纤链路、以及直接比对等多种方法,为北京卫星导航中心、中科院武汉物理数学研究所、清华大学等多家重点单位、科研院所和高端企业提供时间频率的量值溯源、校准和比对服务,满足了其对高准确度时间频率的需求。

        目前,中国计量院正在开展新一代铯原子喷泉钟NIM6的研制,频率测量不确定度预期将达到6000万年不差一秒,有望使我国步入国际时间频率研究的“第一梯队”;该院还将继续推进利用光纤链路和 GNSS 链路建设,将国家时间频率基准的优质资源与社会共享。(陈杭杭)