1、時間頻率計量楊會兵時間頻率的概念時間頻率的基準時間頻率的傳遞時間頻率計量的發(fā)展時間頻率計量時間的定義在人類對客觀世界的感覺和抽象思維中,最難捉摸的就是時間。它看不見,摸不著;既無開頭,也沒終點,且長流不息,永恒向前。時間是最難定義的客觀存在，不以人們的意志為轉(zhuǎn)移有人說:時間不就是幾時、幾分、幾秒嗎?其實不然,幾時、幾分、幾秒是利用鐘表計量時間的單位和尺度,并不是時間的含義。沒有鐘表,時間照樣存在?？v觀人類對時間認識的發(fā)展過程,許多物理學家、數(shù)學家和哲學家都試圖給時間下一個定義,但都有“不識廬山真面目,只緣身在此山中”的感覺。然而,人類是具有抽象思維能力的,因此我們不僅創(chuàng)造了計量時間的歷法和計量

2、時間的鐘表,而且還利用最新的科學手段不斷地以更有效的方式探索時間本身的奧秘。人們最直觀的感知是日出、日落,因此就有了“日”的概念。月亮的變化,如新月、上弦、滿月、下弦、殘月給人們計量時間“月”提供了依據(jù),慢慢地人們把“月”分為大月或小月。人類最早認識“年”不是根據(jù)天象,而是根據(jù)大地的自然現(xiàn)象,比如河水泛濫、草木枯榮,鳥獸遷徒,寒暖交替等等,這些自然現(xiàn)象被人們命名為“物候”。“離離原上草,一歲一枯榮”,在春、夏、秋、冬的無限循環(huán)中,人類逐漸總結(jié)出了用“年”來計。日 月 年時標時標-時間參數(shù)坐標系時間是連續(xù)不斷地流逝的自然現(xiàn)象,因此,不僅需要保持準確的時間單位“秒”長度,而且需要由某些具體實物鐘和

3、表。從適當取定的某一原點開始,對時間單位秒長進行連續(xù)積累,構(gòu)成一個完整的“時間參數(shù)座標系”,我們把它稱為時標。在這種時間坐標上的任何一點稱為時刻,座標原點稱為“歷元”,也就是時刻的起點。這兩個時刻之差,即為時間間隔。因此,某一時刻表示該時刻與歷元之間的時間間隔。時間指的是時刻和時間間隔。頻率和時間互為倒數(shù)，它是時間的導出量。時間計量和頻率計量統(tǒng)稱為時間頻率計量。秒的變遷1820年1960年的140年間,一直使用著稱為平太陽秒的定義,其穩(wěn)定度在 左右。（以地球自轉(zhuǎn)的周期）1960年1967年間,用歷書秒代替平太陽秒作為秒的定義。其穩(wěn)定度為 ，但需要用3年時間觀測。第三次定義使用銫原子量子躍遷的頻

4、率,進入了用量子力學原理作為計量基本單位定義的新時代,使時間和頻率單位成為所有物理量中測量準確度最高的物理量,為其他基本單位或重要導出單位的定義奠定了基礎。1967年,第十三屆國際計量委員會(CIPM)通過的原子秒定義為:“秒是銫原子基態(tài)的兩個超精細能級之間躍遷所對應輻射的9192631770個周期所持續(xù)的時間。”秒的分類真太陽秒：地球自轉(zhuǎn)一周的時間8 6400。平太陽秒：一年內(nèi)地球自轉(zhuǎn)時間的平均值8 6400。歷書秒：地球公轉(zhuǎn)周期3155 6925.9747。原子秒：銫原子基態(tài)的兩個超精細能級之間躍遷所對應輻射周期91 9263 1770。原子秒測量時間，總是利用自然界中的周期性運動，并利用

5、其運動周期導出時間單位。這種運動周期不僅要盡可能穩(wěn)定，同時也要易于復現(xiàn)，及在現(xiàn)實條件下容易得到。以銫原子躍遷時發(fā)射或吸收電磁波的周期為基礎。a.原子能級應盡可能簡單；（能量值計算的準確度取決于能級結(jié)構(gòu)的復雜程度）；b. 所處能級上的原子數(shù)盡可能多（判斷躍遷是否發(fā)生，是通過檢測躍遷原子數(shù)進行判斷的）c. 所選定的原子容易得到，純度較高d.兩個能級盡量靠近，能量盡可能小激勵信號（電磁振蕩）發(fā)生器躍遷器（原子諧振器）復現(xiàn)的裝置包括兩個部分原子秒的定義和復現(xiàn)原子諧振器 銫爐NSSNA磁鐵B磁鐵R諧振腔IE2E1E1E1E1E2E2E2原子秒的獲得 1s原子諧振器放大器調(diào)制信號分頻器頻率變換控制器晶體振

6、蕩器解 調(diào)協(xié)調(diào)世界時(UTC)世界時（UT）地球角位置用于與地球有關的一些領域（例：天文、大地測量、衛(wèi)星發(fā)射、天體導航）原子時（AT）世界時和原子時是兩個獨立的時標,兩者出現(xiàn)偏差時,盡管地球自轉(zhuǎn)有快有慢影響了世界時的精度,但是原子時還是要遷就地球自轉(zhuǎn)為基礎的時標,這樣才能保證時間與季節(jié)的協(xié)調(diào)一致,不會“陰差陽錯”。為此,就產(chǎn)生了第三種時標,稱為協(xié)調(diào)世界時,它所采用的時間計量單位仍是原子秒。在時刻上規(guī)定與世界時平太陽秒超過0.9秒時,做1秒整數(shù)調(diào)整撥快或撥慢1秒,稱為閏秒?？山o出準確的時間間隔。時間頻率的概念時間頻率的基準時間頻率的傳遞時間頻率計量的發(fā)展時間頻率計量時間頻率的基準人類應用量子躍遷

7、這個物理效應,將某種物質(zhì)的原子在特定能級之間躍遷時輻射的電磁波頻率,作為標準頻率,并用頻率導出時間、由此制成“原子鐘”。它的精度主要取決于微粒子的內(nèi)部構(gòu)造和運動,這種運動的頻率極為穩(wěn)定,所以具有相當高的準確度。在20世紀50年代初,原子鐘發(fā)明以后的20年中,實驗和實踐表明只有銫、氫、銣三種原子頻標具有生命力。經(jīng)過幾十年的技術改進,銫、氫兩種原子頻標成為各國時頻基準實驗室的守時鐘或基準頻標,其中實驗室型銫束頻標的主要功能是提供SI秒長;小型商品銫鐘和氫鐘則主要作為守時鐘;銣原子頻標作為一種實用性頻標,盡管其性能較差,但因其體積小、價格低、功耗小等特點,主要應用于機載、星載和其他戰(zhàn)略武器。時間裝置

8、 1.磁選態(tài)原子鐘 不確定度=(12)10-142.光抽運原子鐘 不確定度= (12)10-143.噴泉式原子鐘 不確定度= 10-1510-164.氫原子鐘 不確定度= 10-125.銣原子鐘 不確定度= 10-11擺鐘一天快慢為千分之一秒石英鐘一天誤差為萬分之一秒磁選態(tài)原子鐘不確定度=(12)10-14光抽運原子鐘不確定度= (12)10-14噴泉式原子鐘不確定度= 10-1510-163000萬年不差1秒氫原子鐘 不確定度= 10-12被動型氫原子鐘導航衛(wèi)星上首次搭載的氫原子鐘上海天文博物館時間頻率超精密計量的意義近十年來,與時間頻率標準有關的四個里程碑實驗都獲得了諾貝爾物理獎。-198

9、9年,Dehmelt與Pauli的離子阱和Ramsey的分離場技術;-1993年,Taylor的脈沖星穩(wěn)定周期;-1997年,朱棣文、Cohen -Tannoudji和Phillips的激光冷卻與捕陷原子,他們使原子溫度降到 10-10 K量級,也就是說,原子呈現(xiàn)出明顯的波動性,從而開辟了“原子光學”這一新領域;-2005年,霍爾、格勞伯和亨施研究出的基于激光的精確光譜能極精確的分辨出原子和分子光的顏色。這種技術可以用來研究隨著時間變化自然恒量的穩(wěn)定性,用于研究極其精確的時鐘,改進GPS技術。飛船、衛(wèi)星的發(fā)射、人軌、制導、重返大氣層、安全著陸回收,每一個過程,每一環(huán)節(jié),都需要精確的時間計量,否

10、則后果將不堪設想。發(fā)射衛(wèi)星時,各種復雜的測量儀器和控制設備,放在不同距離的位置上,它們必須在規(guī)定的時間內(nèi)同時開始工作,并且運行中的時差不能超過幾萬分之一秒;衛(wèi)星回收時,要嚴格控制反推火箭的點火時間,否則就“差之毫厘,謬以千里”,落下來的衛(wèi)星就不知道跑到哪里去了。這些都需要精確的時間信號來保證。對于導彈,或使用全球定位系統(tǒng)的飛行器來說,要使定位誤差控制在3米之內(nèi),計時精度就要十億分之一秒?？萍家l(fā)展，計量需先行 -聶榮臻時間頻率的概念時間頻率的基準時間頻率的傳遞時間頻率計量的發(fā)展時間頻率計量時間頻率的傳遞利用艷原子鐘可以獲得準確度非常高的時間秒長度,但是必須把準確的時間在盡可能保持計量與測試技術

11、原有精度的情況下傳遞給用戶,我們習慣把這種傳遞稱為“授時”。授時的方法很多,聲光報時古代已用之,現(xiàn)在主要利用無線電波、通信衛(wèi)星和電視傳遞標準時間和頻率。短波是憑借電離層的反射進行傳播,但由于電離層的高度有周日變化和季節(jié)變化,還有與太陽活動有關的各種變化,影響時間信號的穩(wěn)定性。授時精度不過千分之一秒。長波是沿地面?zhèn)鞑サ?穩(wěn)定性比短波好的多。目前,我國無線電波授時精度已達到了百萬分之一秒。由于覆蓋區(qū)有限,之后利用彩色負載波發(fā)播時間頻率。利用衛(wèi)星發(fā)播標準時間頻率,是目前國際上先進國家采用的最新辦法,它具有高精度,覆蓋面廣、傳遞距離遠等優(yōu)點。中國計量科學研究院從1979年起聯(lián)合有關單位利用德國和法國“

12、交響樂”衛(wèi)星在國內(nèi)外進行時鐘同步實驗,達到億分之一秒的精度。1982年至1986年利用我國衛(wèi)星進行多次實驗取得成功。時間授時不確定度小于3納秒。數(shù)字通道時間傳遞不確定度小于1納秒。測距不確度小于0.5米。比短波授時提高了一百萬倍，比長波授時提高了一千倍。時間頻率的概念時間頻率的基準時間頻率的傳遞時間頻率計量的發(fā)展時間頻率計量時間頻率計量的發(fā)展2001年,美國國家標準與技術研究所研制成功了“光學傳動裝置”,這種新式的“鐘”比銫原子鐘的精確度要高3個量級(即1 000倍)。但是,不同光波之間和某一光波與銫微波頻標之間的頻差測量都是極其龐大復雜、價格昂貴的大科學工程。未來當用光頻標取代目前實用的銫原子微波頻率基準時,對秒的定義將會再次發(fā)生改變。隨著光學頻率標準和飛秒頻率綜合發(fā)生器或光頻率梳的發(fā)展,將有可能在這些精度水平上建造一種功能光學原子鐘,這一進展無疑將導致新發(fā)現(xiàn)與新見識?；陲w秒脈沖激光梳技術的時間頻率計量標準品質(zhì)因數(shù)Q值(參考譜線的中心頻率0和譜線的線寬的比值)。在譜線寬度相當?shù)那闆r下,光學頻率比微波頻率高5個數(shù)量級,因此在光波區(qū)域內(nèi)的Q值要比微波區(qū)域的大得多,也就是光頻標比微波頻標具有更高的穩(wěn)定度和精確度。光學頻率綜合發(fā)生器為新一代原子光鐘的研制鋪平了道路。它的功能如同一個光學齒輪,能實現(xiàn)不同光頻間以及光