铯原子喷泉钟
“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。
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