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全力校准国家标准时间(讲述·弘扬科学家精神(特别策划))

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    2024-4-17 22:16
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    [LV.8]以壇為家I

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    發表於 2022-6-27 14:47:12 |只看該作者 |倒序瀏覽

    国家授时中心:我国唯一的专门、全面从事时间频率研究的科研机构,负责北京时间的产生、保持和发播。自上世纪60年代起,一代代科研人员扎根陕西临潼,接续奋斗,通过对授时服务系统的研发和升级,不断校准“北京时间”,有力地助推了我国各领域科学研究和经济社会发展。

    一秒钟,是手表秒针的一声“滴答”;在秒以下按千分之一逐级递减,还有毫秒、微秒、纳秒、皮秒、飞秒、仄秒等时间计量单位。

    “1纳秒是十亿分之一秒。北京时间与国际标准时间的偏差从2013年就缩小到10纳秒;2017年以来,一直小于5纳秒。达到这样的水平非常不容易。”中国科学院国家授时中心主任、首席科学家张首刚说。

    走进中科院国家授时中心的时间频率基准实验室,显示屏上的时间数字有节奏地变动着……事实上,我们日常使用的国家标准时间“北京时间”,是从这里——陕西临潼产生并发播到全国各地。

    性能先进的冷原子铯喷泉钟、冷原子锶光钟,国际首款激光抽运小铯钟产品,世界体积最小的高性能微型原子钟……一心在一艺,中科院国家授时中心量子频标研究团队近百人默默坚守、倾尽全力,持续校准国家标准时间……

    “许多行业的发展对时间精度的需求越来越高,我们对原子钟的研制也就没有尽头”

    原子钟跟我们日常生活里的钟并不一样。走进国家授时中心的“铯原子喷泉钟实验室”,首先映入眼帘的是一个近2米高的桶状物理系统,研究员阮军正调试着这架精密仪器——铯原子喷泉钟……

    原子钟分守时型原子钟和基准型原子钟。守时型原子钟环境适应性强,能够常年连续可靠运行,用于连续产生和记录时间信号。基准型原子钟则更为精准,原子内部有不同的能级,当原子在两个能级间跃迁时,将吸收或释放固定频率的电磁波。通过调整和控制外界电磁场振荡频率,跃迁概率始终保持最大,使得外加电磁场振荡频率和原子辐射或吸收电磁波频率一样,从而获得更加精准的时间频率。

    “北京时间使用了40多台连续运行的不同类型的守时型原子钟,综合产生稳定的原子时。然后,利用这台铯原子喷泉钟进行校准,产生既稳定又准确的原子时。”铯原子喷泉钟是目前世界上最好的基准型原子钟。阮军说,“我们的工作就是让原子钟的性能更加优异。”

    为什么要用“更加”这个词?他笑道,“许多行业的发展对时间精度的需求越来越高,我们对原子钟的研制也就没有尽头。”一台钟、10平方米,他已经“守”了16年。

    这几日,阮军想见到自己读博期间的导师张首刚并不容易:张首刚不是守在实验室,就是奔波在全国各地;办公室一角,立着一个小而旧的旅行箱。只要不出差,他办公室的灯光会亮到凌晨,十几年来皆是如此……

    “授时服务系统是一项重要的基础设施工程,时间的精密测量是一些科学研究的基石。”张首刚说,“比如,广播电视发播控制需要毫秒级精度,4G通信的基站同步需要微秒级精度,卫星导航需要纳秒级精度。”

    “为国家做一台自己的铯原子喷泉钟”,是张首刚一直以来的梦想……

    2005年,张首刚留学归国,从一个人、一颗螺丝钉开始,组建起一支量子频标研究团队。阮军是张首刚回国后指导的第一个博士生。“读博之前我是学物理理论的,很少动手做复杂的实验。一开始参与这么精密的设备研制,好像所有的仪器都在跟自己作对似的。”阮军说。

    让科学原理“落地”,要付出难以想象的心血。“比如,微波辐射性强,哪怕器件泄漏比手机信号微弱几万倍的信号,也会影响原子内部能级,导致原子钟的准确度变差。如何减少微波泄漏,一度成为课题组最头疼的问题。经过多次研讨和大量实验,我们最终选择了通过铟丝密封6处接口的方案。但如果其中一处存在问题,我们都需要重新装配。”阮军说,“仅仅这一环节,就花了我们一年半的时间;而一台钟的制造,要经历成百上千个类似这样的精细环节。”

    问题叠着问题,是授时团队面临的常态。课题难以突破的时候,阮军会开车到秦岭脚下转一圈,给自己放空一两个小时,然后再重新扎进工作中,“曾经也陷入过自我怀疑,但后来心态好了很多。问题是无穷无尽的,每一点进步都值得欢喜。”阮军说。

    “默默无闻,专心致志,老一辈的精神时刻激励着我们,一定要把接力棒好好接住”

    “我们的量子频标研究团队成员平均年龄在三四十岁,新一代风华正茂,但老一辈的工作态度、精神风范,时刻影响着我们……”张首刚说,在国家授时中心的发展历程中,有很多令人感动的故事和人物,81岁的前陕西天文台(国家授时中心的前身)台长漆贯荣就是其中之一……

    “就算一块石头一块石头地搬,也要搬出一座天文台。”漆贯荣向年轻人这样讲述授时台的建设过程。1966年,国家决定在陕西蒲城建设专用无线电短波授时台,也就是陕西天文台。一批科学家和大学生从北京、上海、南京等地奔赴大西北。漆贯荣是最早参与短波授时台建设的23名大学生之一。

    “既搞科研,又当工人。初到蒲城,我们每人一副帆布手套,卸钢筋、拉水泥,不分昼夜地工作:没有吊车,我们就在地上铺上钢管,将几吨重的机器一点点往前挪;冒严寒、斗酷暑,吃的是冷馍,有时连个像样的菜都没有,只有醋和盐……当时,我身高1米78,体重只有120斤,有严重的低血糖。很多同事都有这毛病,遇到同事出差,我们常请他们带点白糖回来。”漆贯荣回忆。

    虽然条件艰苦,年轻的科研人员还是很踊跃,“有个同学没被分配到这里,自己买火车票一路赶来,争取留在这里工作。”漆贯荣说。

    1971年,国家标准时间专用短波授时台正式发播,我国具备了自主可控的、全国土覆盖的、连续可用的陆基无线电授时能力。紧接着,越来越多的建设者从全国涌向陕西,为建设更高精度的无线电长波授时台扎下根来……

    “一代代科研工作者选择扎根在这里,一干就是一辈子。爱国奉献,是我们的精神底色。”国家授时中心党委书记窦忠说。

    34岁的副研究员曹明涛去年来到国家授时中心,现从事量子中继和量子存储研究工作。曾有几家单位想高薪聘请他,都被他婉拒……“我的研究领域相对前沿,在这里,我所学的本领更能为国家所用。”曹明涛说。

    国家授时中心的老传统时时浸润着这位年轻的科技工作者。在家属区,碰到退休的老研究员们,曹明涛总要迎上去攀谈几句:“一位老前辈跟我讲,当时没有自动化的天文观测设备,他就用肉眼边观测边记录,整整持续5个小时,观测结束时腿都有点站不住了……”

    曹明涛感慨,“默默无闻,专心致志,老一辈的精神时刻激励着我们,一定要把接力棒好好接住!”

    “我们在打造一套空天地立体交叉授时系统,对科学研究和经济社会发展都有重要意义”

    “怎么这时候想起给我打电话了?”“爸,你最近工作忙,知道你现在肯定是一个人在办公室,慰问慰问你嘛……”晚上11点多,女儿的一句问候让张首刚心里暖流涌动……

    “跟家里聚少离多是常态,女儿今年快30岁了,待在一起的时间可能不到4年。”提起家人,张首刚的眼眶湿润了……

    同事们都夸他有旺盛的精力,但拉开他办公桌的抽屉一看,里面塞满了药盒,“每天都要喝3杯咖啡,但也不能多喝。”张首刚说。

    忙,是他们的常态。

    一回到办公室,副研究员孙富宇马上换上舒服的拖鞋,他连续两周没睡过一个


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