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   我国自主研发铯原子喷泉钟 1500万年不差一秒

  由中国计量科学研究院自主研制的“NIM5可搬运激光冷却—铯原子喷泉时间频率基准”日前通过国家质检总局组织的专家鉴定。经鉴定,这台铯原子喷泉钟频率不确定度达到2×10-15,相当于1500万年不差一秒,并在国际上首次实验实现喷泉钟直接驾驭氢钟产生地方原子时,这标志着我国时间频率基准的研究跨上了一个新的台阶。

  计量院首席研究员、NIM5铯原子喷泉钟负责人李天初告诉科技日报记者:“作为基准钟,它将构成我国时间频率体系的源头,保证在任何时候,即使非常时期美国关闭GPS的信号,仍可用NIM5钟定期校准守时钟组,使我国时标系统保持1×10-14的高准确度。”

  ———— 寻找时间的源头 ————

  一秒钟到底有多长

  当今社会,谁能离开准确的时间呢?

  日常生活中,时间精确到分就够了。国民经济、科学研究和国防建设等部门要求时间精确到千分之一秒,百万分之一秒,甚至十亿分之一秒。如果没有统一的时间基准,社会将一片混乱……

  1小时等于60分钟,1分钟等于60秒。那么“秒”又是什么概念呢?在了解NIM5铯原子喷泉钟之前,我们先来认识一下秒。

  时间单位秒(s)是国际计量单位制(SI)的7个基本物理量中准确度最高、最重要的一个。1967年,第十三届国际计量大会(CGDM)为 “秒”下了新定义:改天文秒为原子秒,即“秒是铯133原子基态两个超精细能级之间跃迁对应辐射的9192631770个周期所持续的时间。”从此,实验室型铯原子钟复现秒定义,成为时间频率计量的基准装置。

  铯原子钟是一个国家独立时间频率体系的源头

  “作为目前最准确的基本物理量,时间频率的准确度已经进入10-15量级。”李天初研究员告诉科技日报记者,“许多其他物理量,例如长度的米、电学的电压都可由时间频率导出。”

  实验室型铯原子钟作为复现秒定义的手段,成为时间频率的计量基准装置,是一个国家独立时间频率体系的源头。我们日常用到的各种各样的钟表,电视台的时间信号,无线电通信或者卫星、导弹的发射所运用的时间最终都要溯源到这个基准装置。

  由于涉及国家核心利益,几十年来发达国家在研制实验室型铯原子钟上都投入巨大。1997年,中国计量院开始激光冷却—铯原子喷泉钟第一阶段的研制工作。2003年,“NIM4 激光冷却—铯原子喷泉时间频率基准”通过鉴定,频率不确度达到8.5×10-15(相当于350万年不差一秒);2004年,NIM4铯喷泉钟被批准作为国家时间频率基准运行,2005年,改进后的NIM4铯喷泉钟频率不确定度达到3×10-15(相当于 600万年不差一秒)。而NIM5铯原子喷泉钟的研制成功为建设我国独立、完整和更准确的时间频率体系奠定了技术基础。

  ———— 解开时间的秘密 ————

  红外激光激发时间“喷泉”

  在中国计量科学院,记者眼前的这台NIM5基准钟由激光光学、真空物理和微波测控三部分构成,各部分之间通过光纤和电缆连接。这台长相“奇特” 的基准钟耗费了科研团队5年心血。李天初表示:“严格来说,这其实是一个钟的核心部分。一个普通意义上的钟应该由振荡器、显示器和计数器三部分组成,而后两部分相对比较简单,NIM5喷泉基准装置只是振荡器,它向外输出一个准确基准频率。”

  铯冷原子钟又被人们形象的称作“喷泉钟”,因为铯原子钟的工作过程是铯原子像喷泉一样的“升降”。这一运动使得频率的测量更加精确。这个过程可以分割为四个阶段:

  第一阶段 在真空室中的铯原子气体,由3对相互垂直的红外线激光照射,运动速度不断降低,温度随之降低,最终被冷却到接近绝对零度。此时的铯原子气是一团极冷的圆球状气体云。

  第二阶段 两束垂直的激光轻轻地将这个铯原子气球向上抛出,形成“喷泉”式的运动,然后关闭所有的激光器。这个很小的推力将使铯原子气球向上举起约1m高,穿过一个充满微波的铯原子钟的微波腔,这时铯原子从微波中吸收了能量,原子从超精细能级低态被激发到量子叠加态。

  第三阶段 在地心引力的作用下,铯原子气球开始向下落,再次穿过微波腔,与微波相互作用完成一次超精细能级跃迁。实现了微波对铯原子的原子状态的部分改变。

  第四阶段 在微波腔的出口处,另一束激光射向铯原子气,探测器将对辐射出的荧光的强度进行测量。当在微波腔中发生状态改变的铯原子与激光束再次发生作用时就会

  放射出光能。同时,一个探测器对这一荧光柱进行测量。

  上述过程将多次重复进行,而每一次微波腔中的频率都不相同,直到达到出现最大数目的铯原子荧光柱。这个频率点即是用来确定秒定义的铯原子的天然共振频率。

  为了锁定这个频率,上述喷泉过程将重复进行。长时间平均可以得到一个稳定度和准确度很高的微波频率。这个频率就是复现的铯原子的天然共振频率,或确定秒长的频率。

  ———— 掌控时间的意义 ————

  精确“授时”,保持社会稳定有序

  “滴——现在是北京时间7点整。”每天,我们都能从广播上或电视上听到或看到这样的报时信号。通过这些时间信号我们来校准自己的手表和时钟。这样准确、稳定的报时信号最终溯源到基准钟。

  在日常生活中,时间频率的作用远不止报时、校准那么简单。“和我们生活息息相关的两个方面就是电厂发电和高速通讯。”李天初告诉科技日报记者。

  由于我们的发电厂输送的都是交流电,要使两个电厂输送的电不相互抵消,就要求发电厂配备时标保证双方在同样的频率、同样的相位上同步发电。而时标的精确与否取决于基准钟的性能。

  高速通讯方面也是如此,为了避免出现异地通讯“信号打架”的现象,数字信号的发射必须同步。

  打破美国时间“垄断”,为北斗卫星做基准校时

  计量学的高端科研成果从来都是与科学研究和军事服务相互促进的。NIM5铯原子喷泉钟也不例外。

  上世纪八十年代,卫星技术与时间频率结合产生了全球卫星导航定位系统。它能为地球表面和近地空间的各类用户提供全天候、全天时、高精度的位置、速度和时间等信息服务,具有极高的应用价值。经过短短三十年的发展,以美国全球定位系统(GPS)为代表的卫星导航定位技术以惊人的速度和重要性成为现代国防重要基础技术支撑。在海湾战争和北约空袭南联盟过程中GPS系统更是发挥了不可替代的作用。

  近年来GPS更直接进入计量、科学研究和国民经济的各个领域,甚至涉及人们的日常生活,发挥着难以估量的政治、社会和经济效益。

  目前全世界GPS的时间体系全部依赖美国军方原子时,并溯源到铯原子喷泉钟。美国对GPS持向全世界全面开放免费使用的政策,其潜在战略目的是要让全世界全面永久依赖GPS。

  针对这一现实情况,我国于2005年决定发展独立自主的北斗二号卫星导航定位系统(BDII),预计2012年覆盖亚太地区,2020年建成覆盖全球。“高度准确的时间频率是现代导航技术的基础技术支撑,NIM5的一个重要作用就是为我国的北斗卫星提供时间频率计量的技术支持。”李天初研究员告诉科技日报记者。

  ——连线专家——

  中国计量科学研究院首席研究员、NIM5铯原子喷泉钟负责人李天初

  “作为基准钟,它将构成我国时间频率体系的源头,保证在任何时候,即使非常时期美国关闭GPS的信号,仍可用NIM5钟定期校准守时钟组,使我国时标系统保持1×10-14的高准确度。”

  ——新闻链接——

  世界上最精确的钟:37亿年误差不超一秒

  原子钟是世界上最精确的时钟,常用的原子钟使用铯原子。后来,美国科学家开始用汞离子来制作更精确的原子钟。今年2月份,科学家们造出一台使用铝离子的原子钟。它比汞离子制作的还要精确两倍以上,成为有史以来“最精确”的钟。这个原子钟的制造者在《物理评论》上发表论文称,即使再过去37亿年,它的误差都不会超过1秒。

  美国国家标准和技术研究所(NIST)的铝原子钟,也被称为“量子逻辑钟”,因为它们的原理来源于实验室量子计算机的逻辑决策制定技术。这种原子钟由激光所操作,照射在铝离子上的激光频率比目前基于铯原子标准的原子钟上使用的微波频率高,因此,其准确度也更高。

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