十年一劍 再鑄輝煌中國(guó)計(jì)量院“新一代國(guó)家時(shí)間頻率基準(zhǔn)...

1月9日，2016年度國(guó)家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)在人民大會(huì)堂隆重召開(kāi)。由中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院（以下簡(jiǎn)稱“中國(guó)計(jì)量院”）承擔(dān)完成的“新一代國(guó)家時(shí)間頻率基準(zhǔn)的關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用”項(xiàng)目榮獲2016年度國(guó)家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。這是中國(guó)計(jì)量院自2006年后，再度憑借在時(shí)間頻率基準(zhǔn)研究方面取得的突出成果和顯著社會(huì)效益獲此殊榮。

計(jì)量是世界公認(rèn)的現(xiàn)代國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施之一。“在國(guó)際單位制規(guī)定的7個(gè)基本物理量中，時(shí)間的測(cè)量準(zhǔn)確度最高、應(yīng)用最廣。每一次時(shí)間頻率測(cè)量極限的突破，都推動(dòng)著基礎(chǔ)科學(xué)的發(fā)展，影響著人們對(duì)物質(zhì)世界的認(rèn)知深度。” 項(xiàng)目主要完成人、中國(guó)計(jì)量院房芳研究員介紹說(shuō)。在計(jì)量領(lǐng)域，以原子鐘為代表的時(shí)間頻率基準(zhǔn)引領(lǐng)了計(jì)量量子化時(shí)代：“原子秒”取代“天文秒”，將秒長(zhǎng)的測(cè)量不確定度提高了6-7個(gè)數(shù)量級(jí)；長(zhǎng)度單位米和電壓?jiǎn)挝环兀不跁r(shí)間頻率進(jìn)行了重新定義，獲得了更高的復(fù)現(xiàn)準(zhǔn)確度。當(dāng)前，高精度時(shí)間頻率的應(yīng)用已經(jīng)延伸到了國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)重要領(lǐng)域，成為了通信、衛(wèi)星導(dǎo)航、電力、交通、金融系統(tǒng)的有效運(yùn)行的重要手段和基礎(chǔ)保障。

近年來(lái)，國(guó)防建設(shè)、空間技術(shù)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對(duì)時(shí)間頻率的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性、可靠性都提出了越來(lái)越高的要求，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步也給予了時(shí)間頻率測(cè)量以新的推動(dòng)力。建立我國(guó)自主秒長(zhǎng)基準(zhǔn)和時(shí)標(biāo)基準(zhǔn)，開(kāi)展時(shí)間頻率信號(hào)的測(cè)量比對(duì)和傳遞研究，形成獨(dú)立自主的高性能時(shí)間頻率系統(tǒng)成為了我國(guó)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的迫切戰(zhàn)略需求。

為此，中國(guó)計(jì)量院在成功研制我國(guó)第一臺(tái)銫原子噴泉鐘的基礎(chǔ)上，在國(guó)家自然基金委、科技部和質(zhì)檢總局的支持下，開(kāi)展了新一代國(guó)家時(shí)間頻率基準(zhǔn)關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用研究。在李天初院士等老一輩時(shí)間頻率計(jì)量科學(xué)家的指導(dǎo)下，以房芳、張愛(ài)敏等中青年技術(shù)骨干領(lǐng)銜的科研團(tuán)隊(duì)，十年磨一劍，成功自主研制出不確定度2000萬(wàn)年不差一秒的新一代國(guó)家秒長(zhǎng)基準(zhǔn)——NIM5噴泉鐘，改造了國(guó)家原子時(shí)標(biāo)基準(zhǔn)UTC（NIM）并大幅提高了其關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，使我國(guó)成為世界上少數(shù)幾個(gè)擁有不僅準(zhǔn)確、而且獨(dú)立的時(shí)間頻率基準(zhǔn)的國(guó)家之一。

其中，NIM5噴泉鐘是集激光冷卻、微波精密測(cè)量等現(xiàn)代原子分子與光物理前沿技術(shù)復(fù)現(xiàn)“秒”定義的基準(zhǔn)裝置。該裝置通過(guò)高精度3維激光-磁光阱-光學(xué)阻尼裝置一體化設(shè)計(jì)、微波相位補(bǔ)償以及系統(tǒng)頻率偏移評(píng)定等方面的一系列創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了1.5E-15的頻率相對(duì)不確定度，相當(dāng)于2000萬(wàn)年不差一秒；同時(shí)提高了整機(jī)運(yùn)行的可靠性，創(chuàng)造了準(zhǔn)連續(xù)運(yùn)行率99.2%的世界最高水平。

在國(guó)家時(shí)標(biāo)基準(zhǔn)UTC（NIM）研究方面，項(xiàng)目組提出并實(shí)施了全新的整體改造方案，使UTC（NIM）與協(xié)調(diào)世界時(shí)UTC的時(shí)差減小至優(yōu)于±5ns，時(shí)間傳遞過(guò)程中的A類不確定度小于0.3ns。2008年，項(xiàng)目組還首次在世界上實(shí)現(xiàn)了利用噴泉鐘直接駕馭守時(shí)鐘組產(chǎn)生地方原子時(shí)的方式，引領(lǐng)了國(guó)際守時(shí)技術(shù)發(fā)展的新趨勢(shì)。

據(jù)了解，全世界統(tǒng)一使用的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間是協(xié)調(diào)世界時(shí)UTC，由國(guó)際計(jì)量局主導(dǎo)的國(guó)際原子時(shí)合作產(chǎn)生。在UTC的產(chǎn)生中，NIM5噴泉鐘和國(guó)家時(shí)標(biāo)基準(zhǔn)UTC（NIM）做出了重要貢獻(xiàn)。2014年，NIM5通過(guò)了國(guó)際頻率基準(zhǔn)工作組的評(píng)審，成為我國(guó)唯一被國(guó)際計(jì)量局認(rèn)可的基準(zhǔn)鐘之一，與法、美、德、英、意、俄一起，參與駕馭國(guó)際原子時(shí)。這標(biāo)志著我國(guó)在國(guó)際原子時(shí)合作中不僅有話語(yǔ)權(quán)，而且第一次擁有了“表決權(quán)”。UTC（NIM）也因其在穩(wěn)定性、最小時(shí)差等方面的顯著優(yōu)勢(shì)，成為了參與國(guó)際原子時(shí)合作的所有實(shí)驗(yàn)室中，具有最高權(quán)重的10個(gè)本地原子時(shí)標(biāo)之一。

“目前國(guó)際上約有80家守時(shí)實(shí)驗(yàn)室，利用商品守時(shí)鐘產(chǎn)生準(zhǔn)確度在5E-13量級(jí)的時(shí)標(biāo)；而通過(guò)參加國(guó)際原子時(shí)合作，這些實(shí)驗(yàn)室可以將時(shí)標(biāo)的準(zhǔn)確度提高100倍，達(dá)到5E-15量級(jí)。” 項(xiàng)目組負(fù)責(zé)原子時(shí)標(biāo)相關(guān)研究的張愛(ài)敏研究員介紹說(shuō)：“平時(shí)，用NIM5噴泉鐘駕馭守時(shí)鐘組，可以改善地方原子時(shí)的準(zhǔn)確度；非常時(shí)期，一旦GPS信號(hào)不能使用，NIM5仍可以獨(dú)立駕馭守時(shí)鐘組，‘守住’中國(guó)原子時(shí)，使我國(guó)的時(shí)標(biāo)系統(tǒng)的準(zhǔn)確度保持在5E-15量級(jí)。”

NIM5 噴泉鐘和 UTC（NIM）原子時(shí)標(biāo)還在提高國(guó)內(nèi)基礎(chǔ)科研能力、服務(wù)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和國(guó)防建設(shè)中發(fā)揮了重要支撐作用。自 2012 年 10 月至今，中國(guó)計(jì)量院一直為中央電視臺(tái)提供時(shí)間溯源校準(zhǔn)，保證其發(fā)布時(shí)間的準(zhǔn)確可靠。中國(guó)計(jì)量院還通過(guò) GNSS 比對(duì)鏈路、高保真伺服鎖定的光纖鏈路、以及直接比對(duì)等多種方法，為北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心、中科院武漢物理數(shù)學(xué)研究所、清華大學(xué)等多家重點(diǎn)單位、科研院所和高端企業(yè)提供時(shí)間頻率的量值溯源、校準(zhǔn)和比對(duì)服務(wù)，滿足了其對(duì)高準(zhǔn)確度時(shí)間頻率的需求。

目前，中國(guó)計(jì)量院正在開(kāi)展新一代銫原子噴泉鐘NIM6的研制，頻率測(cè)量不確定度預(yù)期將達(dá)到6000萬(wàn)年不差一秒，有望使我國(guó)步入國(guó)際時(shí)間頻率研究的“第一梯隊(duì)”；該院還將繼續(xù)推進(jìn)利用光纖鏈路和 GNSS 鏈路建設(shè)，將國(guó)家時(shí)間頻率基準(zhǔn)的優(yōu)質(zhì)資源與社會(huì)共享。（中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院）

(原標(biāo)題：十年一劍 再鑄輝煌中國(guó)計(jì)量院“新一代國(guó)家時(shí)間頻率基準(zhǔn)的關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用”項(xiàng)目榮獲國(guó)家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)）