我国自主研制成功铯原子喷泉钟 时间“精度”提高到600万年不差1秒
从国家质检总局举行的表彰会上获悉,中国计量科学研究院研制成功“铯原子喷泉钟”,实现了600万年不差一秒,达到世界先进水平。据介绍，铯原子喷泉钟采用的是1997年获得诺贝尔物理学奖的“激光冷却和囚禁原子原理和技术”。我国成为继法、美、德之后,第四个自主研制成功铯原子喷泉钟的国家,成为国际上少数具有独立完整的时间频率计量体系的国家之一。
铯原子喷泉钟全称为“NIM4激光冷却—铯原子喷泉时间频率基准”。该课题组在荣获2006年度国家科技进步一等奖不久,今天又荣获“全国质检科技兴检突出贡献奖”。国家质检总局局长李长江希望质检科技工作者们向课题组学习,发扬“科技兴检”的精神,创造一流业绩。据悉,更先进的“NIM5可搬运铯原子喷泉钟”正在研制中。
铯原子喷泉钟研制成功的意义非同一般,对我国经济建设、基础科研,特别是国防安全都极为重要。1967年国际计量大会将秒的定义从天文秒改为原子秒。上世纪末,美国研制成功了GPS全球卫星定位系统,在军事、科研、计量、航空、航天、通讯、气象、资源、环境、大地测量各领域中,发挥着巨大的作用。铯原子喷泉钟是GPS的基础支撑技术。目前全世界GPS的时间体系,全部依赖美国军方原子时,并溯源到美国标准技术院(NIST) 的铯原子喷泉钟。由于时间频率基准关系到国家核心利益,而铯原子喷泉钟是一个国家独立时间频率体系的源头,因此发达国家纷纷加大投入研制改进一代又一代的铯原子喷泉钟。我国有了自己的铯原子喷泉钟,在非常时期,一旦美国关闭GPS,可以保证中国原子时独立准确运行,满足国家各方面需要。
我国铯原子喷泉钟研制中实现了一系列国际首创,主要有:提出铯原子喷泉钟运行率的概念,将铯原子喷泉钟运行可靠性用定量表述,并在 2003年率先达到运行率95%;用单根光纤传输四束水平装载—冷却光,改善对射光功率平衡;利用选态微波功率控制原子密度,改善冷原子碰撞频移评定;提出并成功实现正负交替采样,改善频率锁定稳定度。
为了适应我国现代化建设对时间频率基准的新要求，1996年，在国家科技部、自然基金委支持下，中国计量科学研究院承担了我国新一代铯原子喷泉基准钟的研制任务。课题组的科技人员面对国际时间频率快速发展的形势和我国高科技发展的需要，奋发图强，刻苦攻关，自行设计研制了基准装置的主要硬件和软件，经过6年多的努力，研制成功了有我国自主知识产权的高精度铯原子钟。
NIM4激光冷却-铯原子喷泉时间频率基准装置的研究
时间频率是计量七个基本量中准确度最高, 使用最广的一个。建立独立自主的时间频率计量体系关系到国家基础科学、 国民经济、 国防建设的核心利益。
1967年基于铯原子超精细能级微波跃迁辐射的原子秒定义取代了传统天文秒。从此, 铯原子钟复现秒定义, 成为时间频率计量体系的溯源源头。
铯喷泉钟集中了当代国际一系列最新科学技术成果。中国继法、美、德之后于2003年自主研制成功NIM4铯喷泉钟。NIM4铯喷泉钟实现了喷泉钟运行率、 单根光纤传输水平光、交替采样、改变选态功率评估原子碰撞频移等一系列重要创新, 综合性能指标达到国际先进水平:
- 迄今已经准连续运行1000余天, 去除外部因素造成的停顿, 运行率达到95%；
- 频率不确定度5E-15。
2004年NIM4铯喷泉钟被批准作为国家时间频率基准运行: 校准中国计量院(NIM)守时钟组, 在平时提高NIM原子时在国际原子时协作中的权重; 一旦非常时期美国全球定位系统(GPS)关闭, NIM4铯喷泉钟可以独立校准中国计量院原子时, 保障中国时间频率体系独立准确运行。
卫星导航是时间频率计量最重要的应用。目前我国正在自主研制卫星导航系统 -- 北斗二号。中国计量科学研究院研制的可搬运激光冷却-铯原子喷泉钟将为中国卫星导航系统提供独立自主的时间频率溯源。
NIM4铯喷泉钟的研制成功推动了中国实验冷原子物理的发展, 表明我国时间频率基准研究进入当今世界先进水平, 标志着中国成为国际少数具有独立完整时间频率体系的国家之一。
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