时间频率计量

1、时间频率计量杨会兵时间频率的概念时间频率的基准时间频率的传递时间频率计量的发展时间频率计量时间的定义在人类对客观世界的感觉和抽象思维中,最难捉摸的就是时间。它看不见,摸不着;既无开头,也没终点,且长流不息,永恒向前。时间是最难定义的客观存在，不以人们的意志为转移有人说:时间不就是几时、几分、几秒吗?其实不然,几时、几分、几秒是利用钟表计量时间的单位和尺度,并不是时间的含义。没有钟表,时间照样存在。纵观人类对时间认识的发展过程,许多物理学家、数学家和哲学家都试图给时间下一个定义,但都有“不识庐山真面目,只缘身在此山中”的感觉。然而,人类是具有抽象思维能力的,因此我们不仅创造了计量时间的历法和计量

2、时间的钟表,而且还利用最新的科学手段不断地以更有效的方式探索时间本身的奥秘。人们最直观的感知是日出、日落,因此就有了“日”的概念。月亮的变化,如新月、上弦、满月、下弦、残月给人们计量时间“月”提供了依据,慢慢地人们把“月”分为大月或小月。人类最早认识“年”不是根据天象,而是根据大地的自然现象,比如河水泛滥、草木枯荣,鸟兽迁徒,寒暖交替等等,这些自然现象被人们命名为“物候”。“离离原上草,一岁一枯荣”,在春、夏、秋、冬的无限循环中,人类逐渐总结出了用“年”来计。日 月 年时标时标-时间参数坐标系时间是连续不断地流逝的自然现象,因此,不仅需要保持准确的时间单位“秒”长度,而且需要由某些具体实物钟和

3、表。从适当取定的某一原点开始,对时间单位秒长进行连续积累,构成一个完整的“时间参数座标系”,我们把它称为时标。在这种时间坐标上的任何一点称为时刻,座标原点称为“历元”,也就是时刻的起点。这两个时刻之差,即为时间间隔。因此,某一时刻表示该时刻与历元之间的时间间隔。时间指的是时刻和时间间隔。频率和时间互为倒数，它是时间的导出量。时间计量和频率计量统称为时间频率计量。秒的变迁1820年1960年的140年间,一直使用着称为平太阳秒的定义,其稳定度在 左右。（以地球自转的周期）1960年1967年间,用历书秒代替平太阳秒作为秒的定义。其稳定度为 ，但需要用3年时间观测。第三次定义使用铯原子量子跃迁的频

4、率,进入了用量子力学原理作为计量基本单位定义的新时代,使时间和频率单位成为所有物理量中测量准确度最高的物理量,为其他基本单位或重要导出单位的定义奠定了基础。1967年,第十三届国际计量委员会(CIPM)通过的原子秒定义为:“秒是铯原子基态的两个超精细能级之间跃迁所对应辐射的9192631770个周期所持续的时间。”秒的分类真太阳秒：地球自转一周的时间8 6400。平太阳秒：一年内地球自转时间的平均值8 6400。历书秒：地球公转周期3155 6925.9747。原子秒：铯原子基态的两个超精细能级之间跃迁所对应辐射周期91 9263 1770。原子秒测量时间，总是利用自然界中的周期性运动，并利用

5、其运动周期导出时间单位。这种运动周期不仅要尽可能稳定，同时也要易于复现，及在现实条件下容易得到。以铯原子跃迁时发射或吸收电磁波的周期为基础。a.原子能级应尽可能简单；（能量值计算的准确度取决于能级结构的复杂程度）；b. 所处能级上的原子数尽可能多（判断跃迁是否发生，是通过检测跃迁原子数进行判断的）c. 所选定的原子容易得到，纯度较高d.两个能级尽量靠近，能量尽可能小激励信号（电磁振荡）发生器跃迁器（原子谐振器）复现的装置包括两个部分原子秒的定义和复现原子谐振器 铯炉NSSNA磁铁B磁铁R谐振腔IE2E1E1E1E1E2E2E2原子秒的获得 1s原子谐振器放大器调制信号分频器频率变换控制器晶体振

6、荡器解 调协调世界时(UTC)世界时（UT）地球角位置用于与地球有关的一些领域（例：天文、大地测量、卫星发射、天体导航）原子时（AT）世界时和原子时是两个独立的时标,两者出现偏差时,尽管地球自转有快有慢影响了世界时的精度,但是原子时还是要迁就地球自转为基础的时标,这样才能保证时间与季节的协调一致,不会“阴差阳错”。为此,就产生了第三种时标,称为协调世界时,它所采用的时间计量单位仍是原子秒。在时刻上规定与世界时平太阳秒超过0.9秒时,做1秒整数调整拨快或拨慢1秒,称为闰秒。可给出准确的时间间隔。时间频率的概念时间频率的基准时间频率的传递时间频率计量的发展时间频率计量时间频率的基准人类应用量子跃迁

7、这个物理效应,将某种物质的原子在特定能级之间跃迁时辐射的电磁波频率,作为标准频率,并用频率导出时间、由此制成“原子钟”。它的精度主要取决于微粒子的内部构造和运动,这种运动的频率极为稳定,所以具有相当高的准确度。在20世纪50年代初,原子钟发明以后的20年中,实验和实践表明只有铯、氢、铷三种原子频标具有生命力。经过几十年的技术改进,铯、氢两种原子频标成为各国时频基准实验室的守时钟或基准频标,其中实验室型铯束频标的主要功能是提供SI秒长;小型商品铯钟和氢钟则主要作为守时钟;铷原子频标作为一种实用性频标,尽管其性能较差,但因其体积小、价格低、功耗小等特点,主要应用于机载、星载和其他战略武器。时间装置

8、 1.磁选态原子钟 不确定度=(12)10-142.光抽运原子钟 不确定度= (12)10-143.喷泉式原子钟 不确定度= 10-1510-164.氢原子钟 不确定度= 10-125.铷原子钟 不确定度= 10-11摆钟一天快慢为千分之一秒石英钟一天误差为万分之一秒磁选态原子钟不确定度=(12)10-14光抽运原子钟不确定度= (12)10-14喷泉式原子钟不确定度= 10-1510-163000万年不差1秒氢原子钟 不确定度= 10-12被动型氢原子钟导航卫星上首次搭载的氢原子钟上海天文博物馆时间频率超精密计量的意义近十年来,与时间频率标准有关的四个里程碑实验都获得了诺贝尔物理奖。-198

9、9年,Dehmelt与Pauli的离子阱和Ramsey的分离场技术;-1993年,Taylor的脉冲星稳定周期;-1997年,朱棣文、Cohen -Tannoudji和Phillips的激光冷却与捕陷原子,他们使原子温度降到 10-10 K量级,也就是说,原子呈现出明显的波动性,从而开辟了“原子光学”这一新领域;-2005年,霍尔、格劳伯和亨施研究出的基于激光的精确光谱能极精确的分辨出原子和分子光的颜色。这种技术可以用来研究随着时间变化自然恒量的稳定性,用于研究极其精确的时钟,改进GPS技术。飞船、卫星的发射、人轨、制导、重返大气层、安全着陆回收,每一个过程,每一环节,都需要精确的时间计量,否

10、则后果将不堪设想。发射卫星时,各种复杂的测量仪器和控制设备,放在不同距离的位置上,它们必须在规定的时间内同时开始工作,并且运行中的时差不能超过几万分之一秒;卫星回收时,要严格控制反推火箭的点火时间,否则就“差之毫厘,谬以千里”,落下来的卫星就不知道跑到哪里去了。这些都需要精确的时间信号来保证。对于导弹,或使用全球定位系统的飞行器来说,要使定位误差控制在3米之内,计时精度就要十亿分之一秒。科技要发展，计量需先行 -聂荣臻时间频率的概念时间频率的基准时间频率的传递时间频率计量的发展时间频率计量时间频率的传递利用艳原子钟可以获得准确度非常高的时间秒长度,但是必须把准确的时间在尽可能保持计量与测试技术

11、原有精度的情况下传递给用户,我们习惯把这种传递称为“授时”。授时的方法很多,声光报时古代已用之,现在主要利用无线电波、通信卫星和电视传递标准时间和频率。短波是凭借电离层的反射进行传播,但由于电离层的高度有周日变化和季节变化,还有与太阳活动有关的各种变化,影响时间信号的稳定性。授时精度不过千分之一秒。长波是沿地面传播的,稳定性比短波好的多。目前,我国无线电波授时精度已达到了百万分之一秒。由于覆盖区有限,之后利用彩色负载波发播时间频率。利用卫星发播标准时间频率,是目前国际上先进国家采用的最新办法,它具有高精度,覆盖面广、传递距离远等优点。中国计量科学研究院从1979年起联合有关单位利用德国和法国“

12、交响乐”卫星在国内外进行时钟同步实验,达到亿分之一秒的精度。1982年至1986年利用我国卫星进行多次实验取得成功。时间授时不确定度小于3纳秒。数字通道时间传递不确定度小于1纳秒。测距不确度小于0.5米。比短波授时提高了一百万倍，比长波授时提高了一千倍。时间频率的概念时间频率的基准时间频率的传递时间频率计量的发展时间频率计量时间频率计量的发展2001年,美国国家标准与技术研究所研制成功了“光学传动装置”,这种新式的“钟”比铯原子钟的精确度要高3个量级(即1 000倍)。但是,不同光波之间和某一光波与铯微波频标之间的频差测量都是极其庞大复杂、价格昂贵的大科学工程。未来当用光频标取代目前实用的铯原子微波频率基准时,对秒的定义将会再次发生改变。随着光学频率标准和飞秒频率综合发生器或光频率梳的发展,将有可能在这些精度水平上建造一种功能光学原子钟,这一进展无疑将导致新发现与新见识。基于飞秒脉冲激光梳技术的时间频率计量标准品质因数Q值(参考谱线的中心频率0和谱线的线宽的比值)。在谱线宽度相当的情况下,光学频率比微波频率高5个数量级,因此在光波区域内的Q值要比微波区域的大得多,也就是光频标比微波频标具有更高的稳定度和精确度。光学频率综合发生器为新一代原子光钟的研制铺平了道路。它的功能如同一个光学齿轮,能实现不同光频间以及光