——记中国计量科学研究院守时实验室主任张爱敏
本刊记者  黄 健    

　　 秒杀、秒抢、秒灭、秒传、秒拍、秒退、秒懂……
　　 生活中，我们常常用“秒”来传递对时间超短极限的理解，然而1秒钟究竟有多长呢？铯133（Cs133）原子基态的超精细能阶间跃迁对应辐射9192631770个周期，这个周期所持续时间就是1秒。
　　 对于普罗大众来说，1秒钟几乎可以忽略不计，然而谁能想到这背后竟然会出现如此庞大的数字！
　　 为了让这“漫长”的1秒更加精确，中国计量科学研究院时间频率研究所将“争分夺秒”演绎得淋漓尽致。而在这个平台上，张爱敏和她的守时实验室也一直为了原子时标基准研究不断努力，希望能够建立起完善的国家守时系统，并维护其良好运转。他们，是一群守望者，不断刷新着中国的原子时标，守护着国人的准时生活。

驾驭时标 靠近UTC

　　 “UTC（NIM）是我国时间频率体系的核心。上要通过参加国际原子时合作实现时间频率量值国际溯源，下要在国内作为时间频率量值的源头进行量值传递。”张爱敏一再强调。
　　 我国的原子时标UTC（NIM）基准，始建于上世纪80年代初期。一直到2009年，原子钟组由3台商品铯原子钟及2台商品氢原子钟组成，以铯原子钟作为主钟，通过GPS单一手段进行国际比对。这种运行方式，使得计量科学研究院的守时水平落后于国际先进实验室。
　　 “我们是基准，只有基准准了，才能传递出更为精准的量值。”为了改变这一现状，中国计量科学院自2008年起开始在昌平实验基地重新建设高准确度、高稳定度的国家时间频率基准——原子时标UTC(NIM)，张爱敏及其团队的日程表越来越满了。
　　 他们要做的事情很多，要完善守时钟组，要更新原子时算法，要建立、供电及数据的监测系统，要做好内部比对和国际比对……系统之庞大超乎一般人想象。“这是一个系统工程，不仅需要科学家，也需要工程师。因为整个工程需要大量系统的链接，包括卫星双向以及地面站的建设等。遇到的难题当然也不少。”
　　 在张爱敏看来，所谓的难题，正是他们突破的关键。经过摸索攻关后，他们最大的亮点就是实现了两种比对手段相辅作业的形式。一是利用GPS载波相位进行观测解算，一是以卫星双向技术进行时间频率传递。
　　 “我们最终的目标当然是要通过算法驾驭时标来靠近UTC。全世界各个实验室的守时方法不同，要根据系统硬件条件和自身条件产生自己的驾驭方法。”中国计量科学研究院的优势就在于冷原子喷泉，守时实验室在国际上首次实现了利用喷泉钟直接驾驭氢钟产生地方原子时，这标志着我国时间频率基准的研究跨上了一个新的台阶。
　　 在原子时标算法更新中，他们采用一台氢钟作为主钟，通过一台相位微跃器产生UTC(NIM)。氢钟存在频率漂移，就利用其频率数据一次拟合预估氢钟频率，利用卡尔曼滤波减小预估误差。“按照国际惯例，国际计量局（BIPM）一般每个月发布一次UTC的具体数据。到2012年2月，BIPM又开始公布快速UTC，也就是UTCr。这个数据为一周发布一次。现在采用的就是UTC与UTCr并行，我们也能更快得到NIM与UTC、UTCr之间的时差，以此来驾驭指标，以提高原子时标的准确度和稳定度。”
　　 时光在他们的奔忙中流逝。2010年10月，昌平院区新时标开始试运行。2012年5月，新时标与和平里老院区的UTC(NIM)同步运行。2012年10月14日，时标由和平里院区向昌平院区的正式切换。2013年5月，在由中国计量科学研究院和日本NICT联合主导的国际首次欧亚多台铯原子喷泉钟的比对中，包括计量院在内的4家实验室的6台铯原子喷泉钟参与其中，计量院完成了全部数据的处理和比对结果不确定度的评定，不确定度在10-15量级，取得了圆满的结果。
　　 “我们的时标会一年比一年好。”经此一役，张爱敏对未来充满了信心。

做时间的守护者

　　 张爱敏所领衔的守时实验室，是中国计量科学研究院时间频率研究所下属的四个实验室之一。
　　 研究、建立和维护国家守时系统（原子时标基准）；研究、建立、保存和维护时间频率相关计量标准；开展时间频率测量传递技术研究，开展相关量值传递和溯源工作；开展时间频率国际比对，参加国际原子时合作；开展国内量值比对工作，承担计量技术机构考核、计量标准考核和能力验证工作，承担测量方法和测量结果的可靠性评价工作；承担相关国际建议、国家标准制修定、计量技术标准的制修定。
　　 有关守时实验室的介绍，以十分严谨的语言说明了他们的工作内容。经过数年的努力，他们已经建有一项国家计量基准——原子时标基准装置；三项国家计量标准——标准频率检定装置、短期频率稳定度检定装置及频谱分析仪检定装置。“这些装置的主要目的就是把时间频率量值传递出去，最终实现全国时间频率量值的准确性和一致性。”张爱敏说。
　　 “工作量很大，一个人的力量总是有限的。”提到自己的实验室，张爱敏素来温和的语气中透着感激，“在我工作中，领导很支持，同事很团结，这是做事的基础。我们在共同的目标下，共同努力，有了问题也一起协商，永远都是劲儿往一处使。”
　　 作为实验室主任，张爱敏最初对计量学其实一无所知。1987年，她毕业于北京大学无线电电子学系，同时被免试推荐至中国计量科学研究院攻读硕士学位，从此与时间计量结下了不解之缘。这个温和的女子，惯于那一代人干一行爱一行的性格，“时间频率的基础与无线电还是有关联的，基础的东西能用得上。而且也有很多前辈帮助指导。”张爱敏说。
　　 提起实验室，她习惯细数团队成员，“实验室副主任梁坤，长于GNSS时频传递及链路校准研究；高源负责基准算法；杨志强负责卫星双向；王伟波负责基准运行维护及检定校准；张越负责频率标准运行维护及检定校准……”而因为这些配合，实验室也先后获质检总局科技兴检二等奖2次，三等奖2次。自两位“老同志”退休后，守时实验室目前还有科研人员7名，其中研究员1人、高级工程师3人，有博士学位的2人。“还有一位没有出站的博士后。”她补充道，“我们处在一个复杂的系统中，需要各方面的人才。大家对研究方向的定位，一般是在对自身的学历背景以及个人兴趣等综合考虑后作出的选择。我希望实验室能够做到给年轻人创造充分发挥自身潜力的机会。”
　　 同舟共济走到如今，实验室对于下一步的工作目标早已达成了一致。他们会持续完善原子时标守时钟组；同时，实现喷泉钟组驾驭氢钟组的技术方案，进一步提高UTC(NIM)的稳定性和可靠性。作为BIPM的一类校准实验室，他们还会积极对亚太地区二类实验室GNSS接收机进行校准，进一步开展高精度光纤时间频率传递技术研究，并建立国内时间频率比对网络。
　　 “我们一定要建设独立自主的国家时间频率体系，我们的基准必须独立自主。”对于这一点，张爱敏很执着。她很清楚计量学的高端科研成果从来都是与科学研究和军事服务相互促进的，而随着“北斗”建设的进展，我国对时间频率越发重视。能够为这个事业尽一份力，无论对张爱敏，还是整个团队，都是莫大的荣耀。