2012.5.14＠KEK

時間・周波数標準の現状とその応用
フレックタイム（株）
今江 理人

Freqtime
Freqtime

今江理人（Michito Imae）
1976
～1978
～1979
～1983
～1984
1987-88
1989-94
1995～
1999～
2004～
2012～

郵政省電波研究所（現情報通信研究機構）入所
原子時系アルゴリズム
NTS-1（測位技術試験衛星）による国際時刻比較
CS（実験用通信衛星）を用いた衛星双方向時刻比較
GPSを用いた国際時刻比較
BIPM (在仏国際度量衡局）にて在外研究
VLBI, ミリ秒パルサータイミング計測等
KSP(Key Stone Project)の整備
精密時刻比較、ミリ秒パルサータイミング計測
長波標準電波施設整備
精密時刻比較、衛星測位基盤技術（独）産業技術総合研究所へ移籍
時系の高度化、時刻比較の高度化、時間・周波数遠隔校正技術の開発
産総研を退職し、産総研技術移転ベンチャー（フレックタイム（株））で時間・周波数標準関連機器開発に従事

Freqtime

内容
1. 秒の定義と時間・周波数標準の国際的枠組み
2. マイクロ波帯時間・周波数標準器
3. 光周波数標準と秒の再定義に向けた動向
4. 時間・周波数比較技術
5. 時間・周波数供給技術
6. まとめFreqtime秒の定義と時間・周波数標準の国際的枠組み

Freqtime時間・周波数標準に関する国際機関等●計量標準としての秒の定義
メートル条約に基づく国際度量衡総会（CGPM）／国際度量衡委員会（CIPM）とその傘下の時間周波数諮問委員会（CCTF）
最近では、秒の再定義に関連して、長さ諮問委員会（CCL）ともリンク●時刻の基準としての協定世界時（UTC）における「うるう秒調整」実施の決定
国際測地学及び地球物理学連合（IUGG）、国際測地学協会（IAG）傘下の国際地球回転観測事業（IERS）●協定世界時（UTC）の定義、特に「うるう秒」方式の再検討
国際電気通信連合無線通信セクター（ITU-R）

Freqtime

計量標準におけるSI単位系と時間・周波数標準
長さ ~10-12真空中の光速度（定義値）を仲介として、時間標準で長さの標準を定義

mλ= c /ν-1m質量~10-8N・mkg

N

光度

rad2m

3kg/m
3m /kg3cd ~10srlx

Tlm

mW/sr

3mol/mPam/s

3 2J/m cd/mkat

2 Pa・s

H/m

JJ/kg
W

Sv Gy

-6~10-15

Bq

Hz

2A/m

2W/m
Wb

CA/m

H

VJ/( l・J/(molK)

FS

-8N℃

K 熱力学的温度~10-6

A 電流 ~10Freqtime V = (h/2e)・N・ν

J/mol

J/K

J/(kg・K)F/m

物質量mol ~10m/ss
時間-3秒の定義の変遷

15

不確かさ（10－X）

1413

新たな標準

地球の公転から定義
１年＝31556925.9747秒

12

地球の自転から定義

11１日＝86400
秒（1956～1967）（～1956）

10

Cs133原子に共鳴するマイクロ波の周期から定義

9１秒＝9192631770周期（1967～）

87
1930

Freqtime

1940

1950

1960

1970

1980

1990

2000

2010

2020

現在の秒の定義
秒（周波数）の定義
秒はCs133原子の基底状態の二つの超微細準位の間の遷移に対応する
秒はCs133原子の基底状態の二つの超微細準位の間の遷移に対応する放射の周期の99 192 631 770倍放射の周期の770倍の継続時間である

F=4mF=0

f0=9 192 631 770Hz（クロック遷移周波数）

F=3mF=0

磁界

Freqtime

年

セシウム一次周波数標準器の不確かさ向上の履歴

Freqtime

時刻標準・時系としてのTAI/UTCの仕組み
TAI：国際原子時International Atomic Time（英語表記）
Temps Atomique International （仏語表記）
UTC：協定世界時
Coordinated Universal Time （英語表記）
Temps Universel Coordonne （仏語表記）①国際度量衡局（BIPM）が時計比較データを集約して決定②世界各国の時間・周波数標準研（60 数機関）の350台前後の原子時計（セシウム原子時計、水素メーザ）の重み付け平均  EAL(自由時系）③7カ国（ドイツ、米国、フランス、日本、英国、イタリア、韓国）8機
関の一次周波数標準器のデータで周波数調整④TAIとUTC1秒の長さは同じ⑤世界時（UT1）とUTCの差が0.9秒以内に維持されるように「うるう秒」調整を実施⑥TAI/UTCの計算は、月単位で実施（前月分の計算が次月上旬に実施され、BIPMより公表
TAIの不確かさ：2～3×10-15

Freqtime

国際原子時・協定世界時生成の国際的枠組み

Freqtime

うるう秒調整の履歴

Freqtime

NICTのWeb site より

マイクロ波帯
時間・周波数標準器

Freqtime

各種高安定発振器の安定度代表例‐9Log (y())‐10‐11‐12‐13‐14‐15‐16‐3.0‐2.0‐1.00.0

1.0

2.0

3.0

Log (), seconds

Freqtime

4.0

5.0

6.0

7.0

1 day 1 month

出展: http://www.ieee_uffc.org/fc (John Vig and R. Sydnor)

主な原子周波数標準器とその特徴
水素メーザ型周波数標準器
短期安定度が優れる
物理観測 （ V L B I 等）の基準信号源として活用
ルビジウム周波数標準器
短期・長期安定度とも比較的良好
比較的小型軽量化・低廉化が実現
放送・通信の基準発振器として広く活用
セシウム標準器
長期安定度に優れる
１秒の長さの定義

Freqtime

セシウム原子周波数標準器
従来型- オーブンで加熱しCs原子ビームを生成- マグネットで準位選別- 不確かさ～1 × 10-13
光励起型- レーザ光で励起、検出- 不確かさ～5 × 10-15
原子泉型- Cs原子を真空中で冷却、閉じ込め、上方へ投げ上げマイクロ波と干渉- 不確かさ< 1 ×10-15Freqtime

従来型セシウム周波数標準器の原理
ラムゼイ共鳴マイクロ波共振器～100Hz

磁気シールドケース
9 192 631 770 Hz
Ａ磁石
F=4F=34Ｂ磁石
34334

セシウム炉

Ｃ磁場

マイクロ波周波数
検出器
増幅器

位相検波器

原子ビーム管変調器

周波数合成

Freqtime

位相変調器

水晶発振器

増幅器

標準時間・周波数信号

従来型セシウム一次周波数標準器

NRLM‐Ⅱ

NRLM‐Ⅰ

Freqtime

提供：産総研光ポンピング型セシウム一次周波数標準器の原理

Freqtime

光ポンピング型セシウム一次周波数標準器

NRLM-4

Freqtime

提供：産総研原子泉型セシウム一次周波数標準器

Freqtime

NRLM-F1

提供：産総研ガスセル型ルビジウム周波数標準器
時計としての出力

水晶発振器a)

空洞共振器
AaBbF=2

F=385Rb

F=2b)

AB
85Rba

87Rbガス

F=187Rb ランプb

フィルタ

Rb共鳴セル

87Rb

Hyperfine Structure of Rb D2 Line

Freqtime

87Rbガスだけを励起する
波長の光だけをつくる

光検出器

ルビジウム周波数標準器の例

サイズ：100 75 50 mm程度
サイズ：100×75×50
消費電力：約10 W
安定度：2×10-11@1 s
1×10-11@10 s

Freqtime

能動型水素メーザ型周波数標準器の構成
磁気シールドケース
ベルジャー
Ｃ磁場用コイル
温度制御用ヒータ

空洞共振器
蓄積球

マイクロ波出力
イオンポンプH
イオンポンプ
6極集束マグネット

高周波放電管圧力計
H2
パラジウム管

Freqtimeバルブ

能動型水素メーザ型周波数標準器の原理
磁気シールド磁石

空洞共振器

時計としての出力

Rec.

水晶発振器

マイクロ波出力
水素原子
水素原子源
励起状態の水素原子蓄積球

Freqtime

光周波数標準と秒の再定義に向けた動向

Freqtime

秒の再定義に向けた動向と光周波数標準- セシウム原子の遷移周波数を用いた秒の定義（1967年）から40数年経過し、マイクロ波帯での不確かさ向上に限界- 光周波数コムの実用化に伴い、マイクロ波帯と光周波数帯のリンクが容易に実現- シングルイオン時計、光格子時計と言った光周波数標準の進歩が顕著
- 2019年頃を目処に秒の定義の改定が予定- 各方式、原子の開発が熾烈（CCTF/CCL会合毎に候補がリストアップ）

Freqtime

光周波数コム
時間軸と周波数軸の間のフーリエ変換

Freqtime

Ref.: Th. Udem et al., Phy. Rev. Lett., 82, 3568 (1999).

マイクロ波帯と光周波数帯のリンカーとしての光周波数コム
不確かさ
1×10-15

Cs原子時計（マイクロ波）光周波数計測10-17~10-19

光コム*L.-S. Ma et al., Science
303, 1843 (2004).

10-15~10-16
さらに性能向上中！

光時計

光周波数標準（光時計）

光格子時計
H. Katori, FSM, St Andrews (2001).

秒の再定義を目指して◦ 衝突シフトがない◦ ドップラーシフトがない◦ 長い相互作用時間が確保◦ 原子個数が多い－＞S/Nの向上

Freqtime

提供：産総研Yb光格子時計の開発
ULEcavityy

75 mmAl
disc

Teflon post
Al vacuum flange

To do:
3rd Stage: FORT

1 Hz Laser

2009年5月にYb 光格子時計としては、世界発の周波数評価実施。

1st Stage: Blue MOT(mK)

Freqtime

2nd Stage：Green MOT(K)

現状 5×10‐14

提供：産総研東大Sr光格子時計の周波数測定（2008）

東大、産総研、電通大の共同実験

Freqtime

提供：産総研Sr光格子時計の周波数評価値の一致度

2008年の結果は、1×10-15以内で一致

Freqtime

提供：産総研光周波数標準の現状Freqtime

APMP/TCTF meeting 資料より(2011.12.)

時間・周波数比較技術

Freqtime

時系の維持＠産総研

セシウム原子時計（5071A）と恒温チャンバー

水素メーザ（SD1T01A）格納用
恒温チャンバー

旧タイプ水素メーザ（RH401A）

水素メーザ 4台、セシウム原子時計 4～6台で産総研の時間・周波数国家標準（UTC(NMIJ))を生成。各原子時計は、維持温度環境の向上のため、恒温チャンバー（内部温度変動±0.1 ℃以下）内に格納して運用

Freqtime

提供：産総研

時計計測システム並びに比較システム

Freqtime

時間周波数比較技術の進展
GPS/GNSS利用
GPS common-view法 → All-in view法
C/A code single channel：～10channel
10 ns
C/A code multi-channel：～数 ns
2周波（L1/L2）P-code ：～1 ns
2周波（L1/L2）搬送波位相～数十 ps
衛星双方向PN code 位相～ 1 ns
搬送波位相数ps～10数ps
10 ps （想定）
光ファイバー利用双方向（周波数比較）
変調波<10-12@1 s
キャリア位相利用<10-14@1 s

Freqtime

GPSコモンビュー法の原理図
GPS衛星

GPS時刻比較用
受信機

TA  TA  GPS _ time  TATB  TB  GPS _ time  TB
TAB  TA  TB

 TA  TB  (TA  TB )
基準発振器A

Freqtime

GPS時刻比較用
受信機

基準発振器B

衛星双方向時刻周波数比較（TWSTFT）の原理
双方向伝送なので同一経路をとる伝搬誤差はほとんど相殺される。

GPSを仲介とした時間周波数比較法よりもリアルタイムな精度などが利点。
利点

Freqtime

衛星双方向時間周波数比較用地球局
機器格納庫
IS 4
IS‐4
恒温槽

IS‐8

アップコン
／ダウンコン／SSPAFreqtime

提供：産総研10-17を目指した搬送波位相方式
衛星双方向時間周波数比較法の基礎開発
evaluate basic system & simulation
RX station
local clock

Noise

Transmitting station
SG(408A)
10MHz+Doppler

SG(33250A)
50.00MHz+ Δf/2 Hz

TX stationref. clock

SG(408A)
Δf/2 Hz

2.5625M±1.023MHｚ
2.5625M+Δf±1.023MHｚ

SG(8644A)
47.4375MHz
474375MHz

Digital Unit

source
0H

BPF
I

H
90

Signal‐processing unit
(ch0)
1stNCO = 2.5625MHz

BPF
Q

Signal‐processing unit
(ch1)
1stNCO = 2.5625MHz +Δf

Receiving station

C/A code(1.023MHz)
code(1 023MHz)Code output(TTL)d generator
C/A code+5V/±5V

SG(DS345)
20.48MHzSG(DS345)
10.23MHz+Doppler

Reference Clock 10 MHz

We are planning to solve the ambiguity comparatively easily by using a sub‐carrier signal which is generated
coherently with the main carrier signal.

Freqtime

提供：産総研

光ファイバーを用いた時間・周波数比較

Bi‐directional optical amplifier

Frequency stability of the system tested in laboratory.

Freqtime

Frequency stability of time transfer between NMIJ and theUniversity of Tokyo.
Fiber length is about 120 km.

時間・周波数供給技術

Freqtime

e-traceの概念図（2001～2008年度 NEDO委託開発事業）
国際相互承認
CIPM/ILAC MRA

GPS

輸出仲介標準器 1) 周波数標準仲介（周波数、時間、時刻、電圧、長さ、他）

国家計量標準研究所／認定校正事業者

インターネット

Freqtime

2) 物理的仲介器（温度、流量、圧力、三次元量、AC/DC、放射線、他）
機器設定情報、取得データ、不確かさ情報
校正証明書

産業界
（国内、海外）時間周波数標準分野の遠隔校正概念図

時間周波数
国家標準

産総研（NMIJ
産総研（NMIJ））
GPS
Receiver

GPS

末端利⽤者

校正事業者

校正証明書

校正証明書

(Accredited Calibration
Labo Traceable)(National Standard Traceable)

Data
serverData
serverW bP
bli h d Data
D tWeb
Published

Data Download

Data Upload

Data Upload

Data Download

Internet

Freqtime

国家標準への同期機能
GPS

NMIJ
時間周波数
国家標準利用者端末装置

GPS
時刻比較
受信機

内蔵発振器

Δt=UTC(NMIJ) ‐ GPS timeΔt=UTC(NMIJ) ‐ GPS time

NMIJ/AIST
GPS data
公表サイト

30分毎更新30分毎更新Freqtime

Δt’=Int. Osc. ‐ GPS time

内蔵発振器を時間周波数
国家標準UTC(NMIJ)
国家標準
UTC(NMIJ) に同期
internet

GCETと小型端末装置プロトタイプモデルの主要諸元
プロトタイプモデル

GCET
GPS 受信部

基準信号

受信信号

L1(1574.42 MHz), C/A code

L1(1574.42 MHz), C/A code

同時受信可能衛星数

12 channels

50 channels

受信感度< -135 dBm-160 dBm

入力(option) 10 MHz

1 pps or 10 MHz

出力10 MHz/8 ports

10 MHz/1 port

5 MHz/1 port

-1 MHz/1 port-

1 pps/1 port1 pps/1 port

データフォーマット

CGGTTS format

CGGTTS format

同期機能

NMIJ--DO and GPSNMIJ
GPS-DONMIJ--DO and GPSNMIJ
GPS-DO

データ転送

HTTP protocol

HTTP protocol

Rb型
Rb型

< 1×1×10-13 @ 1 day< 3×3×10-11 @ 1 s

TBD (小型原子時計も想定(小型原子時計も想定))

OCXO型
OCXO型

< 5×5×10-12 @ 1 day< 1×
1×10-10 @ 1 s

TBD(ニーズに合わせたTBD(ニーズに合わせたVCXO,VCXO,TCXOを試験中）
TCXOを試験中）

データ通信インターフェース

Ethernet (10/100 BASEBASE-T), RS
RS--232C

Ethernet (10/100 BASE
BASE--T), USB

サイズ

480×480×430
430××88 mm

190×100
190×100××40 mm
PCB 150×150×85 mm

時刻比較

内蔵発振器

Freqtime

周波数数安定度σy(τ)

GCETによる時刻比較結果(つくば～タイ間 基線長 約4,600 km)

Freqtime

1 時間

1日平均化時間 (s)時間周波数遠隔校正用端末装置開発の履歴

GCET
大きさ
受信感度
機能

480×430
480×430××88 mm-135 dBm
NMIJ--DO NMIJ’s Web site
NMIJ

端末
大きさ
< 120×120×100
100××30 mm
受信感度<-160 dBm
無線データ通信

小型化技術検証用実験機

目標とするモデル一例

小型化プロトタイプ装置
PCB sizecase size

Freqtime

150×150×85 mm
190×100
190×100××40 mm

利用者端末装置の超小型化のイメージ
外付けアダプター

計測機器

ワイヤレス
データ通信モジュール

計測機器外付けアダプター型

USBメモリ型
PCIカード型

パソコン挿入型

ワイヤレス
データ通信モジュール
計測機器

計測機器プラグイン型
Freqtime

単体据え置き型50フレックタイム株式会社のご紹介- 2011年5月24日 設立- 2011年12月1日 産総研技術移転ベンチャーとして認定- 2012年4月より、時間周波数分野の遠隔校正シ
ステムを主体として本格的活動開始- 時間・周波数標準分野の製品ラインアップ（分配増幅器、周波数安定度測定装置、etc.）を拡充
予定- 時間・周波数標準分野の技術コンサルタント等- 本社：つくば市花畑

Freqtime

遠隔校正用端末装置ラインアップ

Freqtime

まとめ- 時間・周波数標準は、各種標準の中でも最も不確かさが小さい- 20世紀中頃より、原子周波数標準器の開発が進展し、720世紀中頃より 原子周波数標準器の開発が進展し 7～10年で1桁、不確かさが向上（現在10-16台のものが実現）- 時刻の決定の国際的な枠組み- 各種原子周波数標準器を概説- 秒の再定義に向けた光周波数標準開発の動向- 時系の維持- 時間・周波数比較技術- 時間・周波数遠隔校正技術

Freqtime

ありがとうございました！

Freqtime