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通过原子喷泉基准校准产生国际原子时

    我们知道原子时钟的“滴答”来自于原子的转变,在当前的原子钟中,铯原子是在微波频率范围内转变的,而光学转变发生在比微波转变高得多的频率范围,电子分析天平因此它能够提供一个更精细的时间尺度,也就可以更精确地计时,所以还是发挥重要了重要的作用。

这种新研制出来的全光学原子时钟的指针在1秒钟内走动时发出的滴嗒声为一千的五次方,是现在最高级的时钟――微波铯原子钟的十万倍。所以,用它来测量时间将更精确得多。可以说,中国计量院的NIM5铯原子喷泉国家秒长基准和国家时标基准,不但为协调时世界时贡献数据,拥有话语权,而且通过参与对其校准而具有了表决权。据了解,正在研制的NIM6预计2017年完成,届时准确度会达到6000万年不差一秒。

所有时钟的构造都包括两大部分:即能够按照固定周期走动的装置,如钟摆;还有一些计算、累加和显示时间流失的装置,如驱动时钟指针的齿轮。在大约50年前首次研制出的原子钟增加了第三部分,即以特定的频率对光和电磁辐射作出反应的原子,这些原子用来控制“钟摆”。目前最高级的原子钟,就是利用100万个液态金属铯原子对微波辐射做出反应来控制时钟指针的走动。这样的时钟指针每秒钟大约走动100亿次,时钟指针走动得越快,时钟计算的时间也就越精确。

但是铯原子钟使用的高速电子学技术并不能计算更多的时钟指针走动次数。因而,美国科学家在研究新型的全光学原子钟时使用的不是铯原子,而是单个冷却的液态汞离子,并把它与功能相当于钟摆的飞秒激光振荡器相连,时钟内部配备了光纤,光纤可将光学频率分解成计数器可以记录的微波频率脉冲。协调世界时是由国际计量局主导世界各国原子时合作的产物,它产生的其中一个重要步骤,就是利用包括中国计量院在内的8个国家计量院所保存的“世界最准”的铯原子喷泉基准钟进行校准,产生国际原子时。

中国的国家秒长基准装置是中国计量科学研究院研制的NIM5铯喷泉钟,它与原子时标UTC共同作为我国的时间频率基准,是我国时间频率计量体系的源头,其基本作用就是保持时间的连续运行,产生和保持高度准确和稳定的国家统一使用的标准时间——北京时间。

综上所述,更准确地测量时间频率是时间频率研究的永恒主题。据悉,现行的秒定义在微波频段,而光学频率比微波高10000倍,工作在光学频率的光钟比微波铯喷泉钟有更好的稳定度和准确度潜力。超纯水系统国际主要发达国家正在研制各种基于不同原理的光钟,届时又会带来一种新的变革。

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