李陽 馮子峻 吳應(yīng)發(fā) 胡梅 孟志軍

[摘? ? ? ? ? ?要]? 在“無線電計量”首次任職專業(yè)課中，時間頻率計量是最基本也是最重要的計量項目?；趯r間頻率計量的濃厚興趣，在老師的指導(dǎo)下成立了時間頻率計量課題研究小組，系統(tǒng)學習了時間頻率計量知識，具體認識了時間頻率的概念和特點，對國內(nèi)外時間頻率計量標準發(fā)展沿革和未來的發(fā)展趨勢進行了分析和評述，熟悉了時間頻率的計量方法，基于SR620時間頻率計數(shù)器和Keysight 53520A時間頻率計數(shù)器設(shè)計了時間頻率測量實驗，并對測量結(jié)果進行了分析。通過“課題研究式”學習和實踐，收獲了知識、增長了見識、鍛煉了團隊協(xié)作能力，取得了良好的學習效果。

[關(guān)? ? 鍵? ?詞]? 時間頻率;計量;“課題研究式”

[中圖分類號]? G642? ? ? ? ? ? ? ? ?[文獻標志碼]? A? ? ? ? ? ? ? [文章編號]? 2096-0603（2021）31-0051-03

一、“課題研究式”學習方法和時間頻率計量課題

“課題研究式”學習方法，一般指為探究某個課題，或解決某個問題所采取的一種資訊收集、專項調(diào)查、分析歸納、探討研究的學習并解決問題的方法[1]?！罢n題研究式”學習中，通過較為系統(tǒng)、階段性、持續(xù)地對具體問題進行研究或探究性學習，學生人人有自己的思維方式，有不竭的學習動力，有永恒的學習好奇心，有助于培養(yǎng)學生的收集整理信息能力、設(shè)計創(chuàng)新能力、科學研究能力、書面和口頭表達能力，增強學生學習的自主性、協(xié)作性、創(chuàng)新性，從而達到新課程要求的三維目標[2]。在國內(nèi)近十多年間，“課題研究式”學習方法被廣泛應(yīng)用于物理、化學及生物自然學科、數(shù)學、歷史、英語、工科課程等各個領(lǐng)域，取得了良好的教學效果[3-5]。

“無線電計量”是測控技術(shù)與儀器專業(yè)的一門首次任職專業(yè)課，其中時間頻率計量是最基本也是最重要的計量項目[6-9]。目前時間單位“秒”是7個國際單位制基本單位中最準確和最基礎(chǔ)的，長度基本單位“米”的定義依賴于秒定義和光速（基本常數(shù)）導(dǎo)出，電學重要單位“伏特”可直接以頻率定義，許多其他物理量，如距離、位移、加速度、溫度、力等轉(zhuǎn)化為時間頻率來測量可提高測量準確度。這使在計量領(lǐng)域，時間頻率計量成為保證許多測量值準確可靠的基礎(chǔ)。我們在課外學習過程中，對時間頻率計量產(chǎn)生了濃厚的興趣，根據(jù)老師的指導(dǎo)，我們?nèi)艘唤M成立了時間頻率計量課題研究小組，對時間頻率的前世今生、應(yīng)用發(fā)展進行了系統(tǒng)學習，并針對具體測量問題設(shè)計了實驗測試，在學習和實踐過程中取得了很大的收獲。

二、時間頻率概念和計量發(fā)展歷程

計量為生產(chǎn)生活、科技進步提供了統(tǒng)一的單位制和準確可靠的量值，其中時間頻率計量又顯得尤為重要，大到航空航天發(fā)射測控和衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)，小到生活中的一次會見時間[10-11]。

（一）時間頻率的概念和發(fā)展

人類對秒的認識和研究比較久遠，大體上分為三個階段：平太陽秒、歷書秒和原子秒。平太陽秒是以地球自轉(zhuǎn)周期為基礎(chǔ)導(dǎo)出的時間基本單位，即以一個真太陽日的1/86400為真太陽秒，一年內(nèi)真太陽秒的平均值作為平太陽秒;1960年出現(xiàn)了歷書秒，即以1900年1月0日12時開始的一個回歸年的1/31556925.974為歷書秒，這種時間標準由于對星體準確位置觀測上的困難，使秒長誤差在10-9數(shù)量級;7年后，原子秒取代了歷書秒，原子秒為銫-133原子在其基態(tài)兩個超精細能級間在零磁場中躍遷時輻射震蕩9192631770個周期所持續(xù)的時間[12]。

進入近現(xiàn)代以來，科學技術(shù)在進步，對秒復(fù)現(xiàn)的精度越來越高。世界上第一臺熱銫束鐘是英國國家物理實驗室于1955年研制完成的，精度達10-9;在英國之后相繼有美國、德國、加拿大等國家研究成功，準確度也不斷提高，至1995年首臺銫原子噴泉鐘建成時準確度等級達到了10-16量級。近年來，光鐘的發(fā)展迅速，它利用原子或離子很窄的光學頻率躍遷譜線，原子光鐘精度達到了10-18量級，在國際上發(fā)展?jié)摿ψ畲?、研究最多，未來有望對目前的“秒”重新定義和復(fù)現(xiàn)[13-14]。光鐘已經(jīng)成為當今時間頻率領(lǐng)域的一個研究熱點。我國的光鐘研究起步較晚。鍶原子光晶格鐘的研究于2006年正式啟動，2015年獨立研制完成國內(nèi)第一臺鍶原子光晶格鐘，評定的頻率偏移不確定度為2.3×10-16。

我國的計量科學研究院從70年代起開始了熱銫束鐘的研究，第一代的國家秒長計量基準NIM3于1981年研制完成，相對頻率不確定度可達3×10-13[15]，第二代秒長國家計量標準激光冷卻銫原子噴泉鐘NIM4于2003年初步完成研制，經(jīng)改進后精度達5×10-15，2014年我國計量科學研究院研制成新一代的NIM5銫原子噴泉鐘，不確定度等級達到1.5×10-15，經(jīng)過改進以后將NIM5的不確定度等級提升至9×10-16，2020年又研制成新一代的NIM6銫原子噴泉基準鐘，頻率不確定度優(yōu)于5.8×10-16，相當于5400萬年不差1秒。

（二）時間頻率計量標準簡介及分類

頻率標準指能給出較高準確度等級的單一頻率值的正弦型振蕩信號的裝置，其頻率值大都是1MHz，5MHz或10MHz。

計量標準由國家計量標準、參照計量標準組成，國家時間頻率標準由銫原子束基準裝置和原子時標基準鐘兩部分構(gòu)成，二者之間通過時間頻率比對裝置相聯(lián)系;參照計量標準是計量技術(shù)機構(gòu)建立和保持的計量標準，用于檢定或校準計量器具以進行量值傳遞，其由標準器、比較器、測量儀、數(shù)據(jù)處理器和核查標準五個部分構(gòu)成[16-17]。