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国家计量基准——秒长基准装置进步史
自1965年起,中国计量科学研究院(简称“中国计量院”)的时间频率实验室踏上了研制铯原子频率标准的征途,初始之作便是一台使用3米长铯束管与磁选态技术的铯原子钟。这一时期不止是技术探索的起点,也是人才培育的摇篮。直至1977年,NIM1铯原子钟的研制成功,其准确度达到1×10-11,与当时美国的相同种类铯钟相媲美。次年,NIM1在国家科技成就展览中大放异彩,随后被安置于上海天文台,肩负起为国家发播标按时间参考源的重任。
随后,实验室转向了更长束管(5米)的铯原子时频基准器的研制,并于1980年成功问世,其准确度达到8×10-13,标志着中国在这一范围步入了世界先进行列。1981年,该成就连同中国计量院的原子时标,一同同意了国家科委组织的科研成就鉴别,获得了高度认同。1983年,原国家计量局正式批准授权该设施作为国家时间频率基准,标志着中国拥有了独立自主的时频基准,成为当时全球第四个拥有此类高精度基准的国家,与美国、德国、加拿大及日本并肩。经过不懈的努力与持续优化,至1986年,该基准的准确度进一步提高至3×10-13,彰显了中国在时间频率计量范围的持续进步与卓越收获。
1997年起,伴随激光制冷原子技术的问世与进步,时频团队也开始了全新技术的时间频率基准钟—激光冷却铯原子喷泉钟的研制。历经数年努力,至2002年6月,团队成功达成了移动光学粘团,完成了原子的垂直抛射,高度突破至76厘米,并于同年年末完成了微波勉励信号与原子相互用途的Ramsey跃迁实验。次年1月,整套系统达成闭环锁定,其秒概念复现的不确定度度达到了8.5×10-15水平。2003年末,在国家水平监督检验检疫总局(国家市场监督管理总局的前身)的统筹下,一支由5位中国科学院院士领衔的11人专家鉴别团对该科研项目进行了全方位评估,并给予了极高的赞誉。部分鉴别建议如下:“课题组借鉴了海外铯原子喷泉装置经验,依据国内工艺条件,采取了单光纤传输等技术方法,创造性解决了激光频率稳定、光束水平、由磁场引起的Majorana跃迁频移的修正等一系列问题,使装置能较长期连续、稳定、靠谱地工作,具备国内我们的革新和特点。”
激光冷却铯原子喷泉钟的研制,汇聚了原子物理、波谱学、激光光学、高真空技术、电子工程、计算机科学及计量科学等多个范围的尖端收获与精湛工艺,树立了当时时间频率计量范围的标杆。冷原子喷泉钟的里程碑式成功,不只让该研究荣获国家科技进步一等奖,更标志着中国在时间频率基准研究范围的飞跃,跻身全球领先行列,成为少数学会此核心技术的国家之一。随后,在计量院昌平院区这一宁静的研究环境中,科研团队持续深耕,对激光冷却铯原子喷泉钟进行了全方位而深入的探索。2014年,NIM5激光冷却铯原子喷泉钟成功研制,频率不确定度优于1.5×10-15,获批“秒长国家计量基准”装置,并通过国际计量局(BIPM)的严格评审,成为全球驾驭国际原子时T人工智能的核心频标之一,其装置成为中国北斗导航系统要紧的地面时间频率基准。2016年,“新一代国家时间频率基准的重点技术与应用”项目第三荣获国家科技进步一等奖,体现了计量院在时间频率范围的持续革新与领先实力。
2019年,NIM6激光冷却铯原子喷泉钟成功研制,更是将频率不确定度提高至5.8×10-16,意味着其稳定性达到了惊人的5400万年不差1秒。到了2023年,经过系统的全方位升级与多参数优化,NIM6的性能再攀高峰,频率不确定度进一步提高至2.3×10-16。(作者:中国计量科学研究院 张越)
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