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我国时间频率基准的建立

[日期:2017-09-21  阅读次数:]  

我已经93岁,今天,看到我国时间频率基准随着世界各先进国家在这方面的进展,有了快速的发展,从铯束原子钟,到喷泉式铯原子钟,从准确度为10 -15数量级,到2014年已被国家计量局认可为并代表了当今世界领先水平的世界基准钟之一的铯原子喷泉钟,感到十分欣慰和自豪。激动的心境不禁让我回想起56年前,我在中国计量院参与世界频率计量基准建立的一些往事。
    我于1957年参加计量工作,从事世界频率计量工作是从1960年底开始,我奉命筹建中国计量院世界频率实验室,负责建立国家时间基准,为国防、科研、经济各个领域服务。当时国家正处于经济困难时期,人力物力都较缺乏,如何下手颇费周折。我们组织有限力量,从3个方面进行调研:第一,对国防、科研、生产、使用等有关方面的需要进行了解;第二,对国际上各先进国家当前的情况及其发展趋势进行跟踪;第三,对当前国内这方面的情况进行摸底。分析研究后的情况大致是这样的,我国和国际上都以天文观测的世界时为主,准确度比较低,约10-8数量级。20世界中叶,由于量子电子学的发展,各种类的原子钟,如氨分子钟、氢原子钟,铯、銣、铊等原子钟的研制都有了进展。它们一出现,其准确度都达到10-9数量级。在需求上,尤其是国防科研生产要求非常迫切,希望尽快建立起来,以适应需求。国内各个科研单位也在开始研究,由于经济困难、力量分散,成果不大。
    各有关方面提出的要求很高,中国计量院时间频率室刚刚成立,当时正处于国际困难时期,我们怎么办?计时内容很多,那时国际上和我国使用的仍是天文观测所得的世界时,各类型原子钟只是在发展过程中,有的已有初步成果,哪种类型最好尚难确定,而我们的任务主要是明确方向。经多方面征求意见,最后确定以铯束原子钟作为我实验室研究重心,使之将来成为我国时间频率基准。我们将这一情况向计量院领导和党委做了汇报,但出于国家经济困难和其他方面的原因,领导未置可否。
    1962年,在制定1963—1972年计量十年规划中,我们再次征求有关方面意见,并和原子钟方面的专家多次讨论审查结果,认为选定的方面基本正确,领导也同意批准这个科研方向为计量十年规划的一部分。
    铯束原子钟的特点是铯133Cs原子各类基态本身都包含着各自固定的能量。由某一基态跃迁至另一基态将释放出或者吸收固定频率的能量。将这一固定频率的能量提取出来,就得到时间频率的基准。这一技术上的成功,基准确定就在10-9以上,而且将随着科研的发展在不断提高。这也是国际上为什么看好铯束原子钟将成为世界公认的时间频率基准器的理由,也是实验室在计量规划中选定研究方向的主要理由。
    在实践规划和计划过程中又遇到了种种困难。首先是国家处于帝修的包围中,又遇上三年自然灾害,要调集相当大的人力物力不容易,因而暂不能列为课题。1963年后,国家财经情况好转,领导认为现有人员的水平很难承担这样重大的课题任务。这种想法不无道理,因为这种新技术,在我国真正深入了解的人很少。我和实验室的大多数人坚持了上铯束原子钟的方向。课题不能正式上马,我们就采用化整为零的办法,上晶体振荡器、倍频器 、分频器,一方面练兵,另一方面继续调研。根据搜集到的资料进行研究分析,找出研制工作的具体内容和实验方法、步骤及实现的可能性,出台有说服力的方案。这样的学术报告会在说明领导方面取得了很好的效果。
    1964年,铯束原子钟正式列为课题。1962年,我们了解到清华大学有一台简易的铯束管雏形。经与学校协商,将这台铯束管调到了实验室,同时调来搞这个工作的两个毕业生,驾轻就熟,进行实验练兵工作。以此为基础,1964年作为NIM—Cs铯束原子钟正式上马。不久,在中国计量院四清运动后,国家科委领导非常重视这个项目,将其列为全院重点课题,人员和经费都得到保证。1967年,准确度已达8×10-12,进入当时的国际水平。1970年左右,我们又设计了3台NIM—CsⅡ,1978年研制成功。一台交给陕西省天文台3262工程作为时间基准,另两台在中国计量院继续研究提高。1981年经过国家鉴定,其准确度为±8×10-13,达到当时世界先进水平。
    中国计量院3号铯基准NIM—Ⅲ是一种新型铯冷原子喷泉钟。它的准确度在铯束原子钟的基础上又提高了一个数量级。我1987年退休后,由黄秉英在重要部分设计实验工作中取得重要成果。2003年国家鉴定其基准准确度已达8.5×10-15,即350万年不差一秒,成为当时我国的时间频率基准,已达到世界先进水平。现在还在继续提高中。
    从20世纪60年代开始,我们为我国的时间频率基准的建立倾注了全部精力,在研究过程中,许多参与工作的同志付出了巨大的牺牲,其中像施家修同志因为在实验中不幸中毒而患病,献出了宝贵的生命。科研工作总是一代一代的传递,今天是从过去走来,明天又是站在今天的基础上。衷心祝愿我国的计量科学技术人才一代更比一代强,祝愿中国计量科学技术全面走向世界先进水平。(转自《中国计量》 甘相福)