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原子钟

NIST-F1喷泉原子钟,是美国时间和频率标准,其不确定度约为3×10-16(2013年)。

原子钟(英语:Atomic clock)是一种时钟,它以原子共振频率标准来计算及保持时间的准确。原子钟是世界上已知最准确的时间测量和频率标准,也是国际时间和频率转换的基准,用来控制电视广播和全球定位系统卫星的讯号。

原子钟并不使用放射性计时,而是使用电子转变能级时释放的精确微波讯号。早期的原子钟为附上工具的激微波。今天最好的原子钟是以原子喷泉中冷原子的吸收光谱法作为基础的。

历史

芯片级,例如这个2004年出现的原子钟,被认为可以大幅提高GPS定位能力

利用原子迁跃来估算时间的概念在1879年首次由开尔文男爵提出。[1] 磁共振的方法则由伊西多·拉比在1930年代发展出来,并成为制作原子钟的核心技术。[2]

1945年,拉比首次公开宣称原子束磁共振可用于制作钟表。[3][4][5] 第一个原子钟是氨微波激射器,1949年制成于美国的国家标准局(National Bureau of Standards)。当时使用分子钟命名,是当时最精确的计时工具,但这个原子钟还没有现在的石英钟准确。[6]

1952年,美国NIST的前身为国家标准局(NBS)宣布了第一个使用铯原子作为振动源的原子钟。该时钟名为NBS-1

1955年,第一个精确的原子钟由路易斯·埃森根据铯-133的迁越制成于英国国家物理实验室[7] 铯原子钟的标度依照天文学的星历时(ET)。[8]

自1950年代以来,原子钟开始依靠氢-1、铯-133和铷-87的超精细迁越制造。第一个商业化的原子钟是National Company制造的Atomichron,这种原子钟在1956年至1960年间售出至少50个。这些初代商业原子钟巨大而笨重,1964年被更轻巧的机架式原子钟取代。[2]

1971年:铯原子钟环球飞行实验首次证实了狭义相对论,两个经过校准的铯原子钟在经历不同加速历程后产生了误差。[9][10]

1999年12月29日NIST-F1 铯原子钟英语NIST-F1其不确定度为1.5×10−15,相当于2000万年不差一秒。在2013年,其准确度为每1亿年加/减1秒的误差(3.1 × 10−16)。自1993年至1999年,使用NIST-7英语NIST-7原子钟,不确定度达到5×10−15,相当于600万年不差一秒[11]

美国国家标准暨技术研究院的NIST原子钟准确度演进历程

2004年8月,美国国家标准技术研究所的科学家发明出了芯片尺寸的原子钟[12] 根据研究人员所述,这种新的原子钟只有同类的1%大小,所需能量不过125mW。[13] 因此该原子钟可以使用电池来续航,2011年此技术开始商业化。[13]

2013年7月9日,巴黎天文台物理学家洛威茨克(Dr Jerome Lodewyck)率领的研究团队,在“自然通讯”(Nature Communications)期刊发表报告指出,锶-87原子“光晶格钟”(optical lattice clock)通过精准度测试,显示比1967年起采用至今的国际计时基准铯原子钟还要精确,每3亿年才会出现1秒的误差。有“未来计时器”之称的光晶格英语Optical lattice可望改写1秒的定义,成为新的计时基准[15]

2014年4月3日,美国国家标准技术研究所NIST-F2 铯原子钟英语NIST-F2正式上线,计划设计标准为3亿年的时间内的误差不会超过1秒钟(1 × 10−16),实际内部测试精度为1.1× 10−16。2014年和2015年三月由国际计量局公布测量出的精度为相当于2亿1140万年不差1秒钟(1.5 × 10−16)。

2014年8月7日,国际计量局(BIPM)正式通知:中国计量科学研究院(NIM)研制并运行的“NIM5铯原子喷泉钟”通过评审,被接收为国际计量局(BIPM)认可的基准钟之一,参与驾驭国际原子时(TAI)。目前全球统一使用的国际标准时间是由国际计量局主导的协调世界时(UTC)。国际计量局将分布在全球53个国家70多个守时实验室的400多台原子钟所报送的数据进行加权平均,再利用获其认可的少数几个国家计量院研制的“世界上最好的基准原子钟”数据加以校准,产生国际原子时(TAI),再经闰秒即产生UTC。迄今为止,除了中国的NIM5,先后只有法国巴黎天文台(LNE-SYRTE)、美国、德国联邦物理技术研究院(PTB)、意大利、日本情报通信研究机构(NICT)、英国、俄罗斯国家物理工程和无线电技术计量科学研究院(SU)英语VNIIFTRI7国的14台铯原子喷泉基准钟得到国际计量局的认可,参与驾驭国际原子时。NIM5是在科技部和国家自然基金委的支持下,由中国计量科学研究院研制的第二型铯原子喷泉钟(NIM-CsF2),2010年通过专家鉴定。目前其不确定度为1.5×10−15,相当于2000万年不差一秒。中国计量科学研究院正在进行新一代铯原子喷泉钟NIM6的研制,目前已进入调试阶段,全部完成后时间频率不确定度将达到5×10−16,相当于6000万年不差一秒,步入国际先进行列的“第一梯队”[16]2017年改进后的NIM5不确定度达到9×10−16,相当于3500万年不差一秒

2016年2月意大利国立计量研究所意大利语Istituto nazionale di ricerca metrologica(INRiM),于2016年2月国际计量局(BIPM)报导IT-CsF2 铯原子钟,在1亿8千7百万年的时间内的误差不会超过1秒钟(1.7 × 10−16),使用许多由美国国家标准技术研究所的NIST-F2部件组装而成[17]

2016年9月15日中国载人航天天宫二号空间站,有效载荷十四项空间科学实验,其中空间冷铷原子钟误差三千万年加减一秒(1×10−15)。

2019年5月20日,中国计量科学研究院院长方向在接受采访时说。5月20日是第20个“世界计量日”,今年“世界计量日”主题为“国际单位制(SI)——根本性飞跃”(The International System of Units - Fundamentally better)。时间是国际单位制的七个基本物理量之一,是目前所有物理量中准确度最高、应用最广的物理量。方向透露,NIM6铯原子喷泉钟目前正在评定认证过程中,今年有望投入使用。而与NIM5铯原子喷泉钟相较而言,6号有着飞跃性的创新发展,有望达到1亿年不差一秒(3.1×10−16)甚至更精准。“从4号钟、5号钟再到6号钟,从600万年不差一秒精准(5×10−15)至一亿年不差一秒,每一次进步看起来都是微不足道的非常短时间,然而这微小的变化却是这个技术一个时代的更迭进步。”方向感慨,这一代代的演进也很好地诠释了“计量人”的追求,希望时间越来越精准,离时间近一点,再近一点[18]

2019年6月25日深空原子钟样本英语Deep Space Atomic Clock2019-036C页面存档备份,存于互联网档案馆)发射首次试飞。NASA喷气推进实验室(JPL)的托德·埃利解释说,这种新的原子钟利用带电的汞原子或离子来计时,而目前地球GPS卫星上的原子钟则使用中性的铷原子来计时。由于深空原子钟内部的汞原子带有电荷,它们会被困在电场中,因而无法与其容器壁相互作用﹔相比之下,GPS原子钟内部的这种相互作用会导致铷原子失去节奏。该项目首席研究员、NASA喷气推进实验室(JPL)的伊尔·舒伯特在新闻发布会上说,如果深空原子钟在太空中试验的这一年进展顺利,那么它最早在本世纪30年代就可以开始执行任务,能为未来的单向导航打好基础。宇航员将可以用其在月球表面进行导航,也可以安全地自主执行任务,前往火星以及更远的深空。减少与地球之间的通信——这将是航天器目前航行方式的巨大改进[19]

2019年9月11日,1967年CIPM(国际计量⼤会)定义秒是铯-133原⼦钟是⽬前计时的⻩⾦标准。这些装置基于原子的两个状态之间的转变来测量时间。在Nature的两篇论⽂中,Masuda等⼈和Seiferle等⼈共同报告了⼀种新型的核钟(Nuclear clock),⽽这个时钟反⽽使⽤原子核的两个状态之间进⾏转换。这样的核钟胜过现有的铯原子钟。核钟可以应⽤于暗物质研究和观察物理基本常数的可能变化。这样的钍-229“核钟”可能达到三千亿年误差不超一秒钟,⼤约(1× 10−19)的不确定性[20]

2019年12月25日,中国计量科学研究院宣布NIM6已完成研发,准确度优于5400万年不超过一秒(5.8 × 10−16)[21]

2020年10月27日,国际计量局(BIPM)报导,德国ptb-csf2铯原子钟,在1亿8千7百万年的时间内的误差不会超过1秒钟(1.7 × 10−16) 。法国syrte-fo2铯原子钟,在1亿4千4百万年的时间内的误差不会超过1秒钟(2.2 × 10−16)。 俄罗斯su-csfo2铯原子钟,在1亿4千4百万年的时间内的误差不会超过1秒钟(2.2 × 10−16)。

应用领域

原子钟的发展已促成许多科学和技术进步,例如精确的全球和区域导航卫星系统以及在互联网上的应用,这些技术在很大程度上取决于频率和时间标准。原子钟安装在时间信号无线电发射器的位置。他们应用在一些长波和中波广播电台中,以提供非常精确的载波频率。原子钟在许多科学学科中,如在射电天文学长基线使用干涉测量。[22]

全球导航卫星系统

美国空军太空司令部运营的全球定位系统(GPS)提供了非常准确的定时和频率信号。GPS接收器通过测量至少四个但通常更多的GPS卫星的信号的相对时间延迟来工作,每个GPS卫星至少具有两个机载和两个原子钟。相对时间在数学上转换为三个绝对空间坐标和一个绝对时间坐标。[23] GPS时间(GPST)是一个连续的时间标度,理论上精确到大约14纳秒[24] 然而,大多数接收器在信号中会失去准确性,并且仅精确到100纳秒[25][26] GPST与TAI(国际原子时间)和UTC(协调世界时)相关,但有所不同。GPST与TAI保持恒定的偏移量(TAI–GPST=19秒),并且像TAI一样不执行闰秒。定期对卫星中的车载时钟进行校正,以使其与地面时钟保持同步。[27][28] GPS导航消息包括GPST和UTC之间的差异。截至2015年7月,GPST比UTC提前17秒,因为UTC在2015年6月30日增加了闰秒[29][30]接收机从GPS时间中减去此偏移量以计算UTC和特定时区值。

俄罗斯航天集团运营的格洛纳斯系统(GLONASS)提供了全球定位系统(GPS)系统的替代方案,并且是第二个在全球范围内运行且具有相当精度的导航系统。GLONASS时间(GLONASST)由GLONASS中央同步器生成,通常优于1000纳秒。[31]与GPS不同,GLONASS时标像UTC一样实现闰秒精确。[32]

伽利略定位系统卫星使用的太空无源氢作为机载计时系统的主时钟

伽利略定位系统是由操作欧洲导航卫星系统管理局(GNSS)和欧洲空间局和附近实现全面运行覆盖全球。伽利略于2016年12月15日开始提供全球早期作战能力(EOC),提供第三套,也是第一套非军用的全球导航卫星系统,当时计划在2019年达到完全作战能力(FOC)。[33][34]为了实现伽利略的FOC覆盖星座目标,需要添加计划中的额外卫星。伽利略系统时间(GST)是一个连续的时间标度,它是由地面站意大利富奇诺伽利略控制中心生成的精确定时设施,它基于不同原子钟的平均值,并由伽利略中央部分维护,并与TAI,标称偏移低于50纳秒[35][36][37][34] 根据GNSS机构的说法,伽利略提供30纳秒的定时精度。[38] 欧洲GNSS服务中心于2018年3月发布的季度绩效报告指出,UTC时间传播服务精度为≤7.6纳秒,这是通过在过去12个月中累计样本并超过≤30纳秒的目标得出的。[39][40]每个伽利略卫星都有两个被动式氢微波激射器和两个原子钟,用于机载计时。[41][42]伽利略导航信息包括GST,UTC和GPST之间的差异(以促进互操作性)。[43][44]

北斗卫星导航系统北斗2/北斗-3是由中国国家航天局运营。北斗时间(BDT)是从2006年1月1日UTC0:00:00开始的连续时间标度,并在100纳秒内与UTC同步。[45][46] 北斗于2011年12月在中国投入使用,使用了10颗卫星[47],并于2012年12月开始为亚太地区的客户提供服务。[48] 2018年12月27日,北斗导航卫星系统开始提供据报道的20纳秒定时精度的全球服务。[49]覆盖全球的第35颗也是最后一颗北斗3号卫星于2020年6月23日发射入轨道。[50]

无线电发射机时间信号

无线电时钟是由政府无线电的装置通过接收的无线电接收器自动同步本身的时间信号。许多零售商将电子钟作为原子钟销售不准确。[51]尽管它们接收到的无线电信号来自原子钟,但它们本身并不是原子钟。普通的低成本消费级接收机仅依靠幅度调制的时间信号,并使用带有小型铁氧体线圈天线​​的窄带接收机(带宽为10 Hz)以及具有非最佳数字信号处理延迟的电路,因此只能期望以±0.1秒的实际不确定性精度来确定秒的开始。这对于使用标准质量石英钟的无线电控制的低成本消费级时钟进行每日同步的计时就足够了。[51] 仪器等级的时间接收器可提供更高的精度。距无线电发射器每300千米(186英里)的距离,此类设备会产生大约1毫秒的传输延迟,许多政府出于发射时间的考虑而操作发射器。

参考文献

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外部链接

参见


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