时间测量的原子时

时间测量的原子时

由于近代科学技术的发展，物理学家们精确的测定了石英晶体原子内部电磁振荡的周期，发现这个周期极为稳定，它不受气候、地点、季节以及其它环境条件的影响，这就给精确的测时、计时提供了可靠的依据。

在国际单位制中的7个基本单位中（1.长度—米；2.质量—千克或公斤；3.时间—秒；4.电流—安或安培；5.热力学温度—开或开尔文；6.物质的量—摩或摩尔；7.发光强度—坎或坎德拉）时间单位的定义与测量是历史最悠久、情况最复杂、目前测量精度最高的一个基本单位。

天文学时间标准在人类社会活动和科学技术进步中曾经发挥了巨大作用。但是由于它的实测精度很难提高，在20世纪50年代以后，逐步为新兴的物理学原子标准所取代。原子时间计量标准在1967年正式取代了天文学的秒长的定义新秒长规定为：位于海平面上的铯Cs133原子基态的两个超精细能级间在零磁场中跃迁振荡9192631770个周期所持续的时间为一个原子时秒。这一定义标志着时间测量的一个新时代的到来。

时间既然由原子振荡频率来定义。因此频率稳定度和频率准确度便成为时间测量的一个重要概念。在时频测量中习惯上把不稳定性称为稳定度，例如，国际原子时的稳定度为正负3乘10的负15次方。就是指国际原子时在取样时间内的不稳定性

时域下的时间稳定度测量——被测时钟和参考时钟的输出信号（例如秒）分别进入时间间隔计数器。参考时钟的秒脉冲信号为开门信号被测时钟的秒脉冲信号为关门信号。然后由时间间隔计数器计算被测时钟秒脉冲到达预设波阵面高度的时刻。

时域下的频率稳定度测量——测量频率稳定度一般使用两个频率不同但相近的振荡器，去伺服混频器再经过低通滤波后，由电子计数器进行测量。

频域下的频率稳定度特征——要得到各种偶然因素造成的频率不稳定性，一般方法是将它们的功率谱密度函数在所有的频率上进行积分。然后对增量利用方差进行统计处理。最常用的是Allan方差。

时间和频率比对——在原子时测量领域中，由于构成时间的基本单位是频率。因此，实验室内部需要经常进行频率比对，以求得尽量均匀的时间单位；同时，各个实验室之间也需要相互比对。时间比对主要分为局部时间比对和远距离时间比对，在远距离时间比对中又采用搬运钟、单向法、双向法。

原子时和协调时：

十世纪三十年代发明了更加精密的石英钟后，人们发现世界时尽管加上了极移改正（UT1），仍然是不均匀的。经研究查明，地球自转存在长期变化、不规则变化和复杂的周期变化。为了满足更高精度的实际需要，人们开始到物质的微观世界去寻找具有更稳定周期的物质运动形式用作为新的时间计量标准。于是，以物质内部原子运动的特征为基础的原子时应运而生。原子时是以秒，而不是以日为基本时间单位的。原子时秒长定义为：铯原子基态的两个超精细能级间在海平面、零磁场下跃迁辐射9192631770周所持续的时间。1967年第十三届国际计量委员会决定，把在海平面上实现的上述原子时秒规定为国际单位制时间单位。原子时起点定在1958年1月1日0时（UT），即规定在这一瞬间，原子时和世界时重合。根据这一定义，任何铯原子钟在确定起始历元后都可以提供原子时。由世界各地时间实验室用足够精确的铯原子钟导出的原子时称为地方原子时，不同的地方原子时存在着差异。世界各国的原子钟按照规定的方法进行相互比对，其数据再由专门的国际机构进行处理，求出全世界统一的原子时，称为国际原子时，简称TAI。 相对于以地球自转为基础的世界时来说，原子时是均匀的计量系统，这对于测量时间间隔非常重要，但世界时时刻反映了地球在空间的位置，这也是需要的。为兼顾这两种需要，引入了协调世界时（UTC）系统。UTC在本质上还是一种原子时，因为它的秒长规定要和原子时秒长相等，只是在时刻上，通过人工干预，尽量靠近世界时。

协调世界时（UTC）尽量靠近世界时(UT1)的意思是：必要时对协调世界时（UTC）作一整秒的调整（增加1秒或去掉1秒），使UTC和UT1的时刻之差保持在±0.9秒以内。这一技术措施就称为闰秒（或跳秒），增加1秒称为正闰秒（或正跳秒）；去掉1秒称为负闰秒（或负跳秒）。是否闰秒，由国际地球自转服务（英文缩写为IERS）决定。闰秒的首选日期是每年的12月31日和6月30日，或者是3月31日和9月30日。如果是正闰秒，则在闰秒当天的23时59分60秒后插入1秒，插入后的时序是：…58秒，59秒，60秒，0秒，…，这表示地球自转慢了，这一天不是86400秒，而是86401秒；如果是负闰秒，则把闰秒当天23时59分中的第59秒去掉，去掉后的时序是：…57秒，58秒，0秒，…，这一天是86399秒。