第12章 时间频率计量2

1、第十二章第十二章时间频率计量时间频率计量2精思国计细量民生第十二章第十二章 时间频率计量时间频率计量 时间的概念在物理学的发展中有着重要的时间的概念在物理学的发展中有着重要的地位，它用于描述事件之间的顺序，并与空间地位，它用于描述事件之间的顺序，并与空间概念一起用于描述事件之间的存在状态。频率概念一起用于描述事件之间的存在状态。频率是时间的导出量，它是周期运动复现的度量。是时间的导出量，它是周期运动复现的度量。 在当今科技发展的过程中，时间、频率的在当今科技发展的过程中，时间、频率的计量变得越来越重要。计量变得越来越重要。一一 时间、频率的定义时间、频率的定义 时间是一个基本物理量，是七个基本

2、单位之一时间是一个基本物理量，是七个基本单位之一 单位：单位：S S 频率描述的是在单位时间内某现象所重复的次频率描述的是在单位时间内某现象所重复的次数，它是时间的导出量数，它是时间的导出量 单位是单位是:Hz:Hz 二者关系：二者关系：f=1/Tf=1/T3精思国计细量民生第一节第一节 时间频率时间频率的基本名称与概念的基本名称与概念二二 时标时标1 1、世界时（世界时（UTUT）2 2、历书时（历书时（ETET）3 3、原子时（原子时（ATAT）、国际原子时）、国际原子时(TAI)(TAI)4 4、世界协调时（世界协调时（UTCUTC）4精思国计细量民生第一节第一节 时间频率时间频率的基本

3、名称与概念的基本名称与概念1 1、世界时世界时 具有很高的稳定度和重复性的周期可以用来具有很高的稳定度和重复性的周期可以用来定义时间单位定义时间单位 人们选择了地球的自转周期，人们把地球自人们选择了地球的自转周期，人们把地球自转一圈的时间称为一个地球日，把全年长短转一圈的时间称为一个地球日，把全年长短不一的地球日取平均值，得到一个平太阳日不一的地球日取平均值，得到一个平太阳日 世界时的秒定义世界时的秒定义:1s:1s等于平太阳日的等于平太阳日的8640086400分分之一之一 平太阳秒的准确度只有平太阳秒的准确度只有“ “ 1010-8-8 ” ”5精思国计细量民生第一节第一节 时间频率时间频

4、率的基本名称与概念的基本名称与概念世界时的得到世界时的得到 18841884年国际子午线会议决定，以通过英国格年国际子午线会议决定，以通过英国格林威治天文台的经线作为计算全球经度的起林威治天文台的经线作为计算全球经度的起点点(0(0),),每隔每隔1515定一条标准经线，在其两定一条标准经线，在其两侧各侧各7 73030的地区（时区）内均采用标准经的地区（时区）内均采用标准经线处的地方时，称为该地区的标准时（或区线处的地方时，称为该地区的标准时（或区时）时） 24 24个时区，相差一小时，世界时。个时区，相差一小时，世界时。 我国共跨越我国共跨越5 5个时区，北京时间为东八区个时区，北京时间为

5、东八区6精思国计细量民生第一节第一节 时间频率时间频率的基本名称与概念的基本名称与概念2 2、历书时历书时 基于地球公转基于地球公转 历书秒：历书秒：1s1s为为19001900年年1 1月月1010日历书时日历书时1212时起算时起算的回的回 归年的归年的1/31556925.97471/31556925.9747 缺点：测算复杂，使用不便缺点：测算复杂，使用不便 准确度准确度“ “ 1010-9-9 ” ”7精思国计细量民生第一节第一节 时间频率时间频率的基本名称与概念的基本名称与概念3 3、原子时（原子时（ATAT）、国际原子时（）、国际原子时（TAITAI） 原子或者分子跃迁的时候辐射

6、或吸收一定频原子或者分子跃迁的时候辐射或吸收一定频率的电磁波，这种电磁波的频率稳定性相当率的电磁波，这种电磁波的频率稳定性相当高，利用其定义秒可使秒的准确度大大提高高，利用其定义秒可使秒的准确度大大提高 国际原子时（国际原子时（TAITAI）的时间单位是原子秒。）的时间单位是原子秒。 国际原子时是以世界各国授权实验室所保持国际原子时是以世界各国授权实验室所保持的原子钟读数为依据，并经理论修正得到的的原子钟读数为依据，并经理论修正得到的 铯原子钟的准确度已经达到了铯原子钟的准确度已经达到了1010-15-15量级量级8精思国计细量民生第一节第一节 时间频率时间频率的基本名称与概念的基本名称与概念

7、 协调世界时由原子时和世界时结合而成。协调世界时由原子时和世界时结合而成。 出现原因：准确的时间间隔和不均匀的时刻出现原因：准确的时间间隔和不均匀的时刻之间的矛盾之间的矛盾 解决问题：闰秒解决问题：闰秒9精思国计细量民生4 4、协调世界时（协调世界时（UTCUTC）第一节第一节 时间频率时间频率的基本名称与概念的基本名称与概念 自从自从19671967年第年第1313届国际剂量大会将时间间隔单届国际剂量大会将时间间隔单位定义为原子秒以来，已经先后研制成功了三代铯位定义为原子秒以来，已经先后研制成功了三代铯原子基准装置，即：原子基准装置，即： 磁选态热束型磁选态热束型 光抽运热束型光抽运热束型

8、激光冷却铯原子喷泉型激光冷却铯原子喷泉型 三种基准的准确度均达到了三种基准的准确度均达到了1010-15-15量级量级10精思国计细量民生第第二二节节 时间频率时间频率的的基准基准一、铯原子时间频率基准的工作原理一、铯原子时间频率基准的工作原理 设法使原子或分子受到激励，使其产生能级设法使原子或分子受到激励，使其产生能级跃迁就能够得到其相应的稳定而又准确的频跃迁就能够得到其相应的稳定而又准确的频率率。 由于铯由于铯-133 -133 的能级十分稳定，利用铯的能级十分稳定，利用铯-133 -133 的某一固定跃迁，可以制成国际标准计时器的某一固定跃迁，可以制成国际标准计时器 特点：高度的可靠性和

9、可复制性特点：高度的可靠性和可复制性。11精思国计细量民生第第二二节节 时间频率时间频率的的基准基准第第二二节节 时间频率时间频率的的基准基准 磁选态热束型铯原子时间频率基准磁选态热束型铯原子时间频率基准 光抽运热束型铯基准光抽运热束型铯基准 激光冷却铯原子喷泉钟激光冷却铯原子喷泉钟精思国计细量民生13第第二二节节 时间频率时间频率的的基准基准精思国计细量民生14第第二二节节 时间频率时间频率的的基准基准铯原子钟铯原子钟（摘自百度）15精思国计细量民生第第二二节节 时间频率时间频率的的基准基准铯原子钟铯原子钟（摘自百度）16精思国计细量民生第第二二节节 时间频率时间频率的的基准基准铯原子钟铯原

10、子钟（摘自百度）17精思国计细量民生第第二二节节 时间频率时间频率的的基准基准激光冷却铯原子喷泉钟激光冷却铯原子喷泉钟 利用激光制冷的低温使得铯原子象喷泉一样“升降”而得名。 优点：信号的解析度比传统的铯原子钟高100倍以上，也使铯原子成为目前准确度最高的时频基准，准确度可以达到 甚至 量级1510161018精思国计细量民生第第二二节节 时间频率时间频率的的基准基准激光冷却铯原子喷泉钟激光冷却铯原子喷泉钟精思国计细量民生19第第二二节节 时间频率时间频率的的基准基准激光冷却铯原子喷泉钟的工作过程激光冷却铯原子喷泉钟的工作过程一一形成冷原子团形成冷原子团二二形成喷泉式运动形成喷泉式运动三三再次

11、吸收微波的能量再次吸收微波的能量四四铯原子跃迁铯原子跃迁五五铯原子回到基态能级铯原子回到基态能级 如此反复多次，取每一次微波谐振腔中的共振如此反复多次，取每一次微波谐振腔中的共振频率的平均值，可以得到一个确定频率的微波，使频率的平均值，可以得到一个确定频率的微波，使大部分铯原子的能量状态发生相应改变。这个频率大部分铯原子的能量状态发生相应改变。这个频率就是确定秒长的基础频率就是确定秒长的基础频率20精思国计细量民生第第二二节节 时间频率时间频率的的基准基准精思国计细量民生21第第二二节节 时间频率时间频率的的基准基准美国美国NISTNIST的钙原子钟的钙原子钟第第二二节节 时间频率时间频率的的

12、基准基准第第三三节节 时间频率时间频率的的传递和校准传递和校准 搬运钟搬运钟缺点：花费高，并且服务范围有限，现在缺点：花费高，并且服务范围有限，现在已经较少采用已经较少采用 有线时频传递有线时频传递优点：工作可靠、成本低廉、可满足中等优点：工作可靠、成本低廉、可满足中等准确度时间用户的要求准确度可达准确度时间用户的要求准确度可达1ms1ms第第三三节节 时间频率时间频率的的传递和校准传递和校准 无线时频传递无线时频传递1 1、专用时频传递系统、专用时频传递系统 短波短波 长波长波2 2、兼用时频传递系统、兼用时频传递系统第第三三节节 时间频率时间频率的的传递和校准传递和校准 卫星时频传递卫星时

13、频传递优点：覆盖面积广、受大气层和电离层干优点：覆盖面积广、受大气层和电离层干扰小、可靠性高、与导航、通信、气象扰小、可靠性高、与导航、通信、气象、电视广播等服务兼容。、电视广播等服务兼容。 它是目前潜力最大，受重视程度最高的它是目前潜力最大，受重视程度最高的时频传递技术时频传递技术利用卫星进行时频传递的实现方法利用卫星进行时频传递的实现方法 利用卫星进行时间频率对比的方法可以分为利用卫星进行时间频率对比的方法可以分为“有源有源”和和“无源无源”两类。两类。 无源又可分为单向法和双向法无源又可分为单向法和双向法 单向法准确度：单向法准确度：10105050s s 双向法分为两种：双向法分为两种

14、： 闭环两次转发闭环两次转发 开环一次转发开环一次转发26精思国计细量民生第第三三节节 时间频率时间频率的的传递和校准传递和校准精思国计细量民生27第第三三节节 时间频率时间频率的的传递和校准传递和校准总述总述 时间频率作为一个重要时间频率作为一个重要 的基本物理量在国民的基本物理量在国民经济、国防建设和基础科学研究中起着重要经济、国防建设和基础科学研究中起着重要作用，世界各国都十分关注时间频率计量的作用，世界各国都十分关注时间频率计量的发展和研究并不断投入巨资研究开发相关技发展和研究并不断投入巨资研究开发相关技术，以求保持领先地位。术，以求保持领先地位。28精思国计细量民生第第四四节节 时间

15、频率发展的现状时间频率发展的现状一一 各国铯原子时间频率基准研究现状各国铯原子时间频率基准研究现状 法国、美国和德国一直在时间频率的研究领域处于领法国、美国和德国一直在时间频率的研究领域处于领先地位。先地位。 法国拥有最好的铯原子钟。法国拥有最好的铯原子钟。 瑞士科学家研制出的铯原子钟准确度可达（瑞士科学家研制出的铯原子钟准确度可达（1 13 3）1010-15-15 我国的我国的“NIM4NIM4激光冷却激光冷却铯原子喷泉时间频率基准铯原子喷泉时间频率基准”准确度可达准确度可达5 51010-15-15获获20062006年度年度国家科技进步一等奖国家科技进步一等奖表明我国时间频率计量已经进入世界最先进水平的行列表明我国时间频率计量已经进入世界最先进水平的行列29精思国计细量民生第第四四节节 时间频率发展的现状时间频率发展的现状二二 新一代时间频率基准研究状况新一代时间频率基准研究状况 全光学原子钟全光学原子钟 新一代的新一代的1010-16-161010-17-17量级的新型时频装置也正量级的新型时频装置也正在被不断的研究在被不断的研究（1 1） 激光冷却铷原子喷泉钟激光冷却铷原子喷泉钟（2 2） 微重力作用下的冷原子钟（空间钟）微重力作用下的冷原子钟（空间钟）30精思国计细量民生第第四四节节 时间频率发展的现状