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国家时间频率计量基准相关介绍

    国家时间频率计量基准包括:秒长国家计量基准和原子时标国家计量基准

 

秒长国家计量基准:

    秒长国家计量基准是直接复现秒定义的实验装置,输出的标准频率具有最高计量学特性,它是经国家审查、批准作为统一全国秒长量值(频率量值)最高依据的计量器具,全国只有一套。1967年,秒定义从天文秒改为原子秒,定义在铯原子基态能级跃迁上。铯原子钟成为直接复现秒定义的实验装置。

    世界上第一台热铯束钟是英国国家物理实验室1955年研制完成的。中国计量科学研究院从70年代起开始了热铯束钟的研究,1981年研制完成的NIM3热铯束钟,相对频率不确定度达到3×10-13,成为中国第一代秒长国家计量基准。2003年,中国计量科学研究院研制完成了中国第一台激光冷却铯原子喷泉钟NIM4,不确定度达到8.5×10-15随后改进提高至5×10-15经国家质量监督检验检疫总局批准替代NIM3热铯束钟,成为中国第二代秒长国家计量基准。2014年,中国计量科学研究院研制完成的新一代NIM5铯原子喷泉钟,不确定度达到1.5×10-15,获批取代NIM4成为新的秒长国家计量基准。2014年8月,NIM5铯原子喷泉钟通过国际专家评审开始参加国际原子时合作驾驭国际原子时。2017年改进后的NIM5不确定度达到9×10-16

    秒长基准利用高稳晶振或者低温蓝宝石晶振等频率源,通过频率变换合成9192631770 Hz的微波信号。利用此微波信号激励铯原子产生钟跃迁,误差信号反馈给频率源将微波频率锁定到铯原子秒定义能级跃迁上。由于秒定义在不受任何外界场干扰的孤立的铯原子跃迁频率,因此世界各国计量院研制的基准钟复现秒定义都评定和修正一系列物理效应引入的钟跃迁频率偏移,包括外界场引入的频率偏移,如将原子周围温度引入的黑体辐射频移修正到0 K温度,将重力场引入的频率偏移修正到平均海平面水准。

    秒长国家计量基准作为国家时间频率计量体系的源头,复现秒定义输出基准频率,用来驾驭氢钟产生本地原子时,向国际计量局报送数据,驾驭国际原子时,也直接测量光钟等高性能原子钟的频率。

    随着科学技术的发展,秒定义可能被修改,其时,按新定义复现秒长的实验装置将成为新的秒长国家计量基准。

 

原子时标国家计量基准:

   中国计量科学研究院于1980年建立了原子时标,1983年经国家计量主管部门(原国家质量监督检验检疫总局)批准,由中国计量科学研究院(NIM)国家时间频率计量中心建立和保持的原子时标UTC(NIM)为原子时标国家计量基准,是统一全国时间频率量值的最高依据。

   原子时标国家计量基准由守时钟组、内部测量系统、溯源比对系统、数据处理系统、算法及控制系统等部分组成。守时钟组由不间断运行的多台商品氢原子钟和商品铯原子钟组成,产生连续稳定的时间频率信号;内部测量系统通过双混频时差测量得到中国计量科学研究院协调世界时UTC(NIM)与各守时原子钟之间的时差(相位差);溯源比对系统通过全球卫星导航系统(GNSS)及卫星双向时间频率传递(TWSTFT)技术使UTC(NIM)实现国际比对,参加国际原子时合作;数据处理系统对内部比对和国际比对数据进行存储、监测和处理;算法及控制系统对钟组相关数据进行计算产生本地原子时,利用中国计量科学研究院保持的铯喷泉钟秒长国家计量基准和国际原子时合作返回的UTC-UTC(NIM)数据对其进行驾驭(校准),产生准确稳定的UTC(NIM)。

   UTC(NIM)作为原子时标国家计量基准,其量值溯源至国际标准时间-协调世界时(UTC)并对UTC做贡献;同时作为国家时间频率量值的源头,保证国内时间频率测量量值的准确统一。与协调世界时(UTC) 实现全球卫星导航系统(GNSS)共视及载波相位时频传递,保证了UTC(NIM)参加TAI合作的高水平链接,与UTC偏差在±5 ns内,标准合成不确定度优于2 ns。

   中国计量科学研究院基于载波相位的链接于2013年成功主导了欧亚四国铯原子喷泉钟国际比对,标志中国第一次成功实现基准钟国际比对;实现时间传递链路校准技术及装置,2014年被BIPM指定为国际9家一类GNSS时间传递链路校准实验室,负责对亚太区域内二类实验室的校准。