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1、時(shí)間頻率計(jì)量1精思國(guó)計(jì)細(xì)量民生第一節(jié) 時(shí)間頻率的基本名稱和概念 一 時(shí)間、頻率的概念定義:有關(guān)時(shí)間和頻率的統(tǒng)計(jì)統(tǒng)稱為時(shí)間頻率計(jì)量2精思國(guó)計(jì)細(xì)量民生一 時(shí)間、頻率的定義 時(shí)間是一個(gè)基本物理量,是七個(gè)基本單位之一 單位:S 頻率描述的是在單位時(shí)間內(nèi)某現(xiàn)象所重復(fù)的次數(shù),它是時(shí)間的導(dǎo)出量 單位是:Hz 二者關(guān)系:f=1/T3精思國(guó)計(jì)細(xì)量民生二 時(shí)標(biāo)世界時(shí)(UT)歷書時(shí)(ET)原子時(shí)(AT)、國(guó)際原子時(shí)(TAI)世界協(xié)調(diào)時(shí)(UTC)4精思國(guó)計(jì)細(xì)量民生一 世界時(shí)u具有很高的穩(wěn)定度和重復(fù)性的周期可以用來定義時(shí)間單位,首先,人們選擇了地球的自轉(zhuǎn)周期,人們把地球自轉(zhuǎn)一圈的時(shí)間稱為一個(gè)地球日,把全年長(zhǎng)短不一的地球
2、日取平均值,得到一個(gè)平太陽日。u世界時(shí)的秒定義:一S等于平太陽日的86400分之一u平太陽日的準(zhǔn)確度只有“ ”9105精思國(guó)計(jì)細(xì)量民生世界時(shí)的得到 1884年國(guó)際子午線會(huì)議決定,以通過英國(guó)格林威治天文臺(tái)的經(jīng)線作為計(jì)算全球經(jīng)度的起點(diǎn)(0),每隔15定一條標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)線,在其兩側(cè)各730的地區(qū)(時(shí)區(qū))內(nèi)均采用標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)線處的地方時(shí),稱為該地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)(或區(qū)時(shí)),這樣,全球一共分為24個(gè)時(shí)區(qū),相鄰時(shí)區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)相差一小時(shí),世界各地的標(biāo)準(zhǔn)時(shí),都?xì)w算到零時(shí)區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)(格林威治平太陽時(shí)),稱為世界時(shí)。 我國(guó)共跨越5個(gè)時(shí)區(qū),北京時(shí)間采用東八區(qū)區(qū)時(shí)6精思國(guó)計(jì)細(xì)量民生二 歷書時(shí) 基于地球公轉(zhuǎn) 歷書秒:1s威1900年1月1
3、0日歷書時(shí)12時(shí)起算的回歸年的1/31556925.9747 缺點(diǎn):測(cè)算復(fù)雜,使用不便7精思國(guó)計(jì)細(xì)量民生三 原子時(shí)(AT)、國(guó)際原子時(shí)(TAI)原子或者分子躍遷的時(shí)候輻射或吸收一定頻率的電磁波,這種電磁波的頻率穩(wěn)定性相當(dāng)高,利用其定義秒可使秒的準(zhǔn)確度大大提高國(guó)際原子時(shí)(TAI)的時(shí)間單位是原子秒。國(guó)際原子時(shí)是以世界各國(guó)授權(quán)實(shí)驗(yàn)室所保持的原子鐘讀數(shù)為依據(jù),并經(jīng)理論修正得到的。銫原子鐘的準(zhǔn)確度已經(jīng)達(dá)到了15108精思國(guó)計(jì)細(xì)量民生 協(xié)調(diào)世界時(shí)由原子時(shí)和世界時(shí)結(jié)合而成。 出現(xiàn)原因:準(zhǔn)確的時(shí)間間隔和不均勻的時(shí)刻之間的矛盾 解決問題:閏秒9精思國(guó)計(jì)細(xì)量民生四 協(xié)調(diào)世界時(shí)(UTC)第二節(jié) 時(shí)間頻率的基準(zhǔn)10
4、精思國(guó)計(jì)細(xì)量民生 自從1967年第13屆國(guó)際劑量大會(huì)將時(shí)間間隔單位定義為原子秒以來,已經(jīng)先后研制成功了三代銫原子基準(zhǔn)裝置,即:磁選態(tài)熱束型光抽運(yùn)熱束型激光冷卻銫原子噴泉型三種基準(zhǔn)的準(zhǔn)確度均達(dá)到了10-15量級(jí)11精思國(guó)計(jì)細(xì)量民生一、銫原子時(shí)間頻率基準(zhǔn)的工作原理 設(shè)法使原子或分子受到激勵(lì),使其產(chǎn)生能級(jí)躍遷 就能夠得到其相應(yīng)的穩(wěn)定而又準(zhǔn)確的頻率 由于銫-133 的能級(jí)十分穩(wěn)定,利用銫-133 的某一固定躍遷,可以制成國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)計(jì)時(shí)器 特點(diǎn):高度的可靠性和可復(fù)制性12精思國(guó)計(jì)細(xì)量民生銫原子基準(zhǔn)裝置磁選態(tài)熱束型銫原子時(shí)間頻率基準(zhǔn)光抽運(yùn)熱束型銫基準(zhǔn)激光冷卻銫原子噴泉鐘13精思國(guó)計(jì)細(xì)量民生精思國(guó)計(jì)細(xì)量民生1
5、4精思國(guó)計(jì)細(xì)量民生15銫原子鐘銫原子鐘(摘自百度)16精思國(guó)計(jì)細(xì)量民生銫原子鐘銫原子鐘(摘自百度)17精思國(guó)計(jì)細(xì)量民生銫原子鐘銫原子鐘(摘自百度)18精思國(guó)計(jì)細(xì)量民生激光冷卻銫原子噴泉鐘 利用激光制冷的低溫使得銫原子象噴泉一樣“升降”而得名。 優(yōu)點(diǎn):信號(hào)的解析度比傳統(tǒng)的銫原子鐘高100倍以上,也使銫原子成為目前準(zhǔn)確度最高的時(shí)頻基準(zhǔn),準(zhǔn)確度可以達(dá)到 甚至 量級(jí)1510161019精思國(guó)計(jì)細(xì)量民生激光冷卻銫原子噴泉鐘精思國(guó)計(jì)細(xì)量民生20激光冷卻銫原子噴泉鐘的工作過程形成冷原子團(tuán)形成噴泉式運(yùn)動(dòng)再次吸收微波的能量銫原子躍遷銫原子回到基態(tài)能級(jí) 如此反復(fù)多次,取每一次微波諧振腔中的共振頻率的平均值,可以得
6、到一個(gè)確定頻率的微波,使大部分銫原子的能量狀態(tài)發(fā)生相應(yīng)改變。這個(gè)頻率就是確定秒長(zhǎng)的基礎(chǔ)頻率21精思國(guó)計(jì)細(xì)量民生精思國(guó)計(jì)細(xì)量民生22美國(guó)美國(guó)NISTNIST的鈣原子鐘的鈣原子鐘第三節(jié) 時(shí)間頻率的傳遞和校準(zhǔn)24精思國(guó)計(jì)細(xì)量民生一一 搬運(yùn)鐘搬運(yùn)鐘缺點(diǎn):花費(fèi)高,并且服務(wù)范圍有限,現(xiàn)在已經(jīng)較少采用。二二 有線時(shí)頻傳遞有線時(shí)頻傳遞優(yōu)點(diǎn):工作可靠、成本低廉、可滿足中等準(zhǔn)確度時(shí)間用戶的要求準(zhǔn)確度可達(dá)1ms25精思國(guó)計(jì)細(xì)量民生三 無線時(shí)頻傳遞專用時(shí)頻傳遞系統(tǒng)短波長(zhǎng)波兼用時(shí)頻傳遞系統(tǒng)26精思國(guó)計(jì)細(xì)量民生四 衛(wèi)星時(shí)頻傳遞 優(yōu)點(diǎn):覆蓋面積廣、受大氣層和電離層干擾小、可靠性高、與導(dǎo)航、通信、氣象、電視廣播等服務(wù)兼容。
7、它是目前潛力最大,受重視程度最高的時(shí)頻傳遞技術(shù)27精思國(guó)計(jì)細(xì)量民生利用衛(wèi)星進(jìn)行時(shí)頻傳遞的實(shí)現(xiàn)方法 利用衛(wèi)星進(jìn)行時(shí)間頻率對(duì)比的方法可以分為“有源”和“無源”兩類。 無源又可分為單向法和雙向法單向法準(zhǔn)確度:1050s雙向法分為兩種: 閉環(huán)兩次轉(zhuǎn)發(fā) 開環(huán)一次轉(zhuǎn)發(fā)28精思國(guó)計(jì)細(xì)量民生精思國(guó)計(jì)細(xì)量民生29第四節(jié)時(shí)間頻率計(jì)量發(fā)展的現(xiàn)狀時(shí)間頻率計(jì)量發(fā)展的現(xiàn)狀30精思國(guó)計(jì)細(xì)量民生總述 時(shí)間頻率作為一個(gè)重要 的基本物理量在國(guó)民經(jīng) 濟(jì)、國(guó)防建設(shè)和基礎(chǔ)科學(xué)研究中起著重要作用,世界各國(guó)都十分關(guān)注時(shí)間頻率計(jì)量的發(fā)展和研究并不斷投入巨資研究開發(fā)相關(guān)技術(shù),以求保持領(lǐng)先地位。31精思國(guó)計(jì)細(xì)量民生一 各國(guó)銫原子時(shí)間頻率基準(zhǔn)研究現(xiàn)狀 法國(guó)、美國(guó)和德國(guó)一直在時(shí)間頻率的研究領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。 法國(guó)擁有最好的銫原子鐘。 瑞士科學(xué)家研制出的銫原子鐘準(zhǔn)確度可達(dá)(13)10-15 我國(guó)的“NIM4激光冷卻銫原子噴泉時(shí)間頻率基準(zhǔn)”準(zhǔn)確度可達(dá)5 10-15,獲2006年度國(guó)家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。表明我國(guó)時(shí)間頻率計(jì)量已經(jīng)進(jìn)入世界最先進(jìn)水平的行列32精思國(guó)計(jì)細(xì)量民生二 新一代時(shí)間頻率基準(zhǔn)研究狀況 全光學(xué)原子鐘 新一代的10-1610-17量級(jí)的新型時(shí)頻裝置也正在被不斷的研究(1) 激光冷卻銣原子噴泉鐘(2) 微重力作用下的冷原子鐘(空間鐘)33精思國(guó)計(jì)細(xì)量民生二 時(shí)間頻率傳遞體
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