十年一劍 再鑄輝煌

“新一代國家時間頻率基準(zhǔn)的關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用”項目榮獲國家科技進步一等獎

□ 陳杭杭

1月9日，2016年度國家科學(xué)技術(shù)獎勵大會在人民大會堂隆重召開。由中國計量科學(xué)研究院（以下簡稱中國計量院）承擔(dān)完成的“新一代國家時間頻率基準(zhǔn)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。這是該院自2006年后，再度憑借在時間頻率基準(zhǔn)研究方面取得的突出成果和顯著社會效益獲此殊榮。

“在國際單位制規(guī)定的7個基本物理量中，時間的測量準(zhǔn)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(xué)的發(fā)展，影響著人們對物質(zhì)世界的認(rèn)知深度?！表椖恐饕瓿扇?、中國計量院房芳研究員說。在計量領(lǐng)域，以原子鐘為代表的時間頻率基準(zhǔn)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(zhǔn)確度。當(dāng)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(zhǔn)確性、穩(wěn)定性、可靠性都提出了越來越高的要求，科學(xué)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(zhǔn)和時標(biāo)基準(zhǔn)，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(yuǎn)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(zhǔn)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(xué)家的指導(dǎo)下，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(zhǔn)——NIM5噴泉鐘，改造了國家原子時標(biāo)基準(zhǔn)UTC（NIM）并大幅提高了其關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，使我國成為世界上少數(shù)幾個擁有不僅準(zhǔn)確，而且獨立的時間頻率基準(zhǔn)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(zhǔn)裝置。該裝置通過高精度3維激光-磁光阱-光學(xué)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1.5×10-15的絕對頻率不確定度，相當(dāng)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(zhǔn)連續(xù)運行率99.2%的世界最高水平。

在國家時標(biāo)基準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)基準(zhǔn)UTC（NIM）做出了重要貢獻。2014年，NIM5通過了國際頻率基準(zhǔn)工作組的評審，成為我國唯一被國際計量局認(rèn)可的基準(zhǔn)鐘之一，與法、美、德、英、意、俄一起，參與駕馭國際原子時。這標(biāo)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(biāo)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(zhǔn)確度在5×10-13量級的時標(biāo)；而通過參加國際原子時合作，這些實驗室可以將時標(biāo)的準(zhǔn)確度提高100倍，達到5×10-15量級”，項目組負(fù)責(zé)原子時標(biāo)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(zhǔn)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(biāo)系統(tǒng)的準(zhǔn)確度保持在5×10-15的量級?！?/p>

NIM5噴泉鐘和UTC（NIM）原子時標(biāo)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(zhǔn)，保證其發(fā)布時間的準(zhǔn)確可靠。中國計量院還為北京衛(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(zhǔn)和比對服務(wù)，滿足了其對高準(zhǔn)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(zhǔn)的優(yōu)質(zhì)資源與社會共享。 《中國質(zhì)量報》