十年一劍 再鑄輝煌中國計量院“新一代國家時間頻率基準...

1月9日，2016年度國家科學技術(shù)獎勵大會在人民大會堂隆重召開。由中國計量科學研究院（以下簡稱“中國計量院”）承擔完成的“新一代國家時間頻率基準的關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用”項目榮獲2016年度國家科技進步一等獎。這是中國計量院自2006年后，再度憑借在時間頻率基準研究方面取得的突出成果和顯著社會效益獲此殊榮。

計量是世界公認的現(xiàn)代國家基礎(chǔ)設(shè)施之一。“在國際單位制規(guī)定的7個基本物理量中，時間的測量準確度最高、應(yīng)用最廣。每一次時間頻率測量極限的突破，都推動著基礎(chǔ)科學的發(fā)展，影響著人們對物質(zhì)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(lǐng)域，以原子鐘為代表的時間頻率基準引領(lǐng)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(shù)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(fù)現(xiàn)準確度。當前，高精度時間頻率的應(yīng)用已經(jīng)延伸到了國民經(jīng)濟各個重要領(lǐng)域，成為了通信、衛(wèi)星導(dǎo)航、電力、交通、金融系統(tǒng)的有效運行的重要手段和基礎(chǔ)保障。

近年來，國防建設(shè)、空間技術(shù)和國民經(jīng)濟的發(fā)展對時間頻率的準確性、穩(wěn)定性、可靠性都提出了越來越高的要求，科學技術(shù)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(tǒng)成為了我國長遠發(fā)展的迫切戰(zhàn)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(chǔ)上，在國家自然基金委、科技部和質(zhì)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(shù)與應(yīng)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(dǎo)下，以房芳、張愛敏等中青年技術(shù)骨干領(lǐng)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(guān)鍵技術(shù)指標，使我國成為世界上少數(shù)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(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(shè)計、微波相位補償以及系統(tǒng)頻率偏移評定等方面的一系列創(chuàng)新，實現(xiàn)了1.5E-15的頻率相對不確定度，相當于2000萬年不差一秒；同時提高了整機運行的可靠性，創(chuàng)造了準連續(xù)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(xié)調(diào)世界時UTC的時差減小至優(yōu)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(xiàn)了利用噴泉鐘直接駕馭守時鐘組產(chǎn)生地方原子時的方式，引領(lǐng)了國際守時技術(shù)發(fā)展的新趨勢。

據(jù)了解，全世界統(tǒng)一使用的標準時間是協(xié)調(diào)世界時UTC，由國際計量局主導(dǎo)的國際原子時合作產(chǎn)生。在UTC的產(chǎn)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(quán)，而且第一次擁有了“表決權(quán)”。UTC（NIM）也因其在穩(wěn)定性、最小時差等方面的顯著優(yōu)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(quán)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(chǎn)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(guān)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(tǒng)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(nèi)基礎(chǔ)科研能力、服務(wù)經(jīng)濟社會發(fā)展和國防建設(shè)中發(fā)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(fā)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(wèi)星導(dǎo)航中心、中科院武漢物理數(shù)學研究所、清華大學等多家重點單位、科研院所和高端企業(yè)提供時間頻率的量值溯源、校準和比對服務(wù)，滿足了其對高準確度時間頻率的需求。

目前，中國計量院正在開展新一代銫原子噴泉鐘NIM6的研制，頻率測量不確定度預(yù)期將達到6000萬年不差一秒，有望使我國步入國際時間頻率研究的“第一梯隊”；該院還將繼續(xù)推進利用光纖鏈路和 GNSS 鏈路建設(shè)，將國家時間頻率基準的優(yōu)質(zhì)資源與社會共享。（中國計量科學研究院）

(原標題：十年一劍 再鑄輝煌中國計量院“新一代國家時間頻率基準的關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用”項目榮獲國家科技進步一等獎）