作者:韩扬眉 来源:中国科学报 发布时间:2022/6/28 12:13:10
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张首刚:筑造国之大“钟” 雕刻民之用“时”

 

最近半个月,张首刚的工作计划表细化到了小时——作为总指挥和首席科学家的他,领衔研制的中国空间站“梦天”实验舱“高精度时频实验系统”到了最后冲刺阶段,该系统将是空间运行最高精度的时频信号产生和传递系统,其中包含世界首台空间光钟。再过不久,它就要进入中国空间站。

“6月5日,神舟十四号载人飞船发射取得圆满成功,空间站建造一切顺利,这对我们工作的时间节点、任务要求也更明确了。”造钟32年,张首刚依然激动、紧张,有压力。

“你的所想所做是否体现了国家需求?”作为中科院国家授时中心主任、作为国家重大任务的首席科学家张首刚常常反思自问,以其作为工作选题的第一准则。

近日,张首刚获得陕西省“最美科技工作者”。在同事眼中,张首刚是“硬汉”,所获荣誉实至名归,他扎根西北数十年,白手起家,组织团队努力推动我国时间频率研究水平和服务能力整体跻身国际前列。

而在一群孩子们眼中,他是温柔的“张爷爷”。每年即使再忙,他都会在6月1日抽出时间参加所里举办的亲子活动,与职工孩子们一起做游戏。每年过年,团队成员的小孩都会收到“张爷爷”的压岁红包。

敬授人时

时间有“天长地久、至死不渝”的浪漫,也有“白驹过隙、逝者如斯”之现实。

在科学家眼中,时间只有精准、更精准的严苛。时间是目前测量精度最高的物理量,一些精密测量物理研究需要高精度时间。时间又是应用最广的物理量,其服务和应用支撑着社会运行、经济建设和国家安全,特别是对于数字通信、卫星导航、航天航空以及深空探测等领域的发展来说,有着基础性作用。

在20世纪50年代,科学家在研究原子和原子核的基本特性时,发现原子的振荡频率稳定性非常高,从而产生了利用原子的振荡频率来制作时钟的想法。作为能够产生时间信号(如秒脉冲)并有计数装置的原子频率标准,原子钟是时间精密测量的关键核心,它不仅是国家战略资源,事关国家安全和经济社会运行,更是国家话语权的体现。

近二十年来,我国以原子钟研制为代表的时间频率产生和传递技术得到了迅猛发展。即将进入太空的空间光钟就是我国自主研发的新一代高精度原子钟。

1997年,张首刚到法国巴黎天文台访问,恰遇欧洲空间局启动空间原子钟组计划,希望将氢钟和冷原子铯钟送入国际空间站,建立空间高精度时间频率系统。由于技术等原因,该计划再三推迟,至今仍未成行。

张首刚深知空间高精度时间频率对科学研究和工程应用重大意义——利用空间微重力环境和航天员照料条件等,实现高精度时间频率空间产生和空地传递系统,为相关精密测量物理提供研究平台,为相关工程技术应用提供高精度时频信号。

2004年,张首刚学成归国,始终未忘当初建立中国空间时间频率系统的梦想。

随着中国空间站计划的推进,2009年,在国际上只有两三个国家实现了实验室型光钟原理样机的情况下,张首刚就开始策划中国空间站高精度时频系统的构建,着手世界第一台空间光钟的研制。经过10余年的努力,团队突破了多项关键技术,打造出了地面光钟。目前,空间光钟研制是原子钟研制的制高点,欧洲依靠多国合作研制着原理样机。将一个复杂又精密,体积20多立方米的实验室仪器装进不到一立方米空间的空间实验柜中,不只是简单的体积和重量的减少,诸多理论和技术需要反复验证,许多部件和设备需要自主研发,同时需要研究满足航天产品诸多要求的最佳方案。

当下,我国空间站高精度时频系统到了交付和联试的关键阶段,每天在频繁地召开和参加调度会,不时地在讨论技术问题,加上疫情防控的需要,张首刚和团队成员把自己封在实验楼里,昼夜轮班奋战,安放几张简易行军床,吃住不出楼,幽默的自嘲为“航天民工”,自诩“科学打工人永远是年轻!”

在张首刚看来,团队最怕的不是身心疲惫,而是事情没干好,耽误“国家事”,压力特别大。“我们都知道,正在干一个世界上没有先例的事情,都很兴奋,也很紧张。但越是在这个时候越不能出差错,哪怕进入一粒灰尘,都可能烧毁光纤端面,部件就要拆解重装;一个螺丝没拧紧,都将是天大的事情!”也因此,张首刚不敢再加压,每天都在鼓励大家,树立必胜信心,按质量要求工作。

“这是空间站箱内最复杂、难度最大、国际影响也很大的系统,空间站时频系统将融合北斗导航系统、地基授时系统,预计在5年内,我们将建成世界上独一无二的天地融合、立体交叉的国家授时系统。”张首刚说。

坚守时“权”

如今,每每谈起我国的原子钟发展,张首刚总会很自豪地说,我们实现了国家标准时间产生的自主可控,将我国标准时间与国际标准时间的偏差从100纳秒减小至3纳秒,综合性能跃居世界前三。

我国标准时间即为“北京时间”。过去几十年,国家标准时间产生的核心设备原子钟依赖国外进口。“双方比对时间,如果时间不一样,谁的设备性能更高、精度更高,就以谁的时间为准。”张首刚告诉《中国科学报》。

为了解决这一“卡脖子”问题,张首刚与他的“时间团队”近20年来一直艰苦奋战。

1997年,为了学习先进技术,张首刚离开家人到法国访学,那时女儿还不到两岁。在法国巴黎天文台这个国际一流的时间频率实验室7年,张首刚潜心钻研,解决了多项技术难题,独立完成了世界第一台铯原子喷泉钟的改造。

2005年,在张首刚回国的第二年,受组织安排,他再次离开家人,只身来到位于相对落后的陕西临潼的中科院国家授时中心,开始原子钟的研制工作。

中科院国家授时中心的前身是中科院陕西天文台,其主要任务是开展时间频率科学技术研究并为全国提供授时服务。那时,这里没有原子钟方面的科研人员及条件,尤其是冷原子钟的研究基础是零,整个陕西也没有从事冷原子研究的相关人员。

“条件的确很差,经费也不足,很多人都不把我们当研究机构,而是支撑部门,把我们称作‘开关时间信号’的服务者。”张首刚很无奈,但改变现实就必须付出比别人更多的努力。

张首刚一个人从零开始,从一颗螺丝钉开始,研制国家的时间基准钟——冷原子铯喷泉钟。他只有一个信念:“不能干和别人同样的东西,我们必须研究新的,有用的东西。”

只要不出差,凌晨1、2点前总能在实验室或办公室看到他的身影。累了困了,就喝又浓又苦的咖啡。

他们自力更生,披荆斩棘,最终成功研制了两台具有独立知识产权的冷原子铯喷泉钟,这是国际上第二家实现了超高稳定的光生微波源,稳定度和不确定度性能达到世界先进,实现了“北京时间”的自主的校准,确保特殊时期国家标准时间的准确性,真正“守住了国家时间”。

近20年来,他建立起的国家授时中心量子频标研究室已拥有近百名中青年科研人员,成为国际上具有一定影响力的“时频研究团队”。

他们始终着眼国家需求和经济发展,攀登一座又一座高峰:联合国内力量研制出世界最小的芯片原子钟,与国际最好的美国产品同性能,但体积小了一半;与企业合作研发了国际首款激光抽运新型小铯钟产品,打破了美国小铯钟独家垄断并出口欧洲,装备于国家标准时间、北斗、5G、电力和国防等系统,2021年起多台小铯钟数据陆续在国际原子时计算中取得贡献权重,国内首次;继美国之后,世界第二家研制了能够进行守时的铷原子喷泉钟;研制建立了我国多手段融合的世界时自主测量与服务系统......

“我们发展了多技术手段的守时和授时服务系统,有效地满足了国家需求。”张首刚有信心描绘更多蓝图:从基础研究到技术攻关,从系统集成到应用服务,支撑国家高质量发展。2015年,他在国际上率先提出天地一体的弹性国家授时体系架构,目前在主持实施着相关的国家重大科技工程,包括“十三五”国家重大科技基础设施“高精度地基授时系统”。

与“时”俱进

张首刚与时间频率事业结缘纯属偶然。

1990年大学毕业后,张首刚因成绩优秀被推荐来到中科院陕西天文台攻读硕士学位。最初,他被导师刘海峰的事迹所感染。

“刘老师当时为了研制一台基准型激光抽运大铯钟,举家搬迁到西北,让我很感动,也觉得这件事真的很重要。”随着学习的深入,张首刚逐渐了解到美国、法国已研发出了这样的大铯钟,而且只有美国掌握着小铯钟技术,产品独家垄断。

张首刚回忆,当时国家授时中心用于守时的小铯钟完全依赖进口,“不仅价格昂贵,而且人家任何时间都可以来检查,只能在规定地方应用,不准转借他人使用,各种要求十分苛刻。包括钟的部件维修、寿命到期更换等,中国人都不能参与。”

从那时起,立志造出“中国钟”的种子,在张首刚心中扎根。

如今,他带领团队不仅自主研制出了国际先进的基准型铯原子喷泉钟,世界首款光抽运小铯钟产品,更是研制出了9种不同应用类型的新型原子钟。

对于造钟,张首刚要求精益求精,而对于生活,他并不“定时”,饭点还在讨论问题,深夜还在工作已是几十年的习惯。

这位工作中的“铁汉”,家人却是他内心最为柔弱的软肋。“他们都对我很支持,尤其是夫人,她不只是理解我,同时还毫无怨言地照顾和帮助我们的家人。”成家多年,他们聚少离多,提到家人时,张首刚哽咽了。

后来,女儿到陕西读大学,那是张首刚与女儿相处最久的一段时间,帮女儿洗洗衣服、听听女儿学校见闻......至今提起来,他都满是幸福。

张首刚说,我国时间频率研究和服务整体跻身世界先进行列,但他们还不到“庆功”的时刻,“我们在原始创新、基础理论,以及关键材料和器件方面还相对落后,必须加倍努力。”

夏日的西安,骄阳似火,室外温度超过39℃,但熙来攘往的地铁四号线站点,“陕西省最美科技工作者”宣传海报上,张首刚的一行介绍——“于空白处落笔,雕刻精准北京时间;在寂寞中前行,铸就授时国之重器”,如一杯清茶,一掬清泉,沁人心脾,鼓舞着为科技奋斗的人们不断向前。

张首刚(中)与同事讨论(授时中心供图)

张首刚正在做实验(授时中心供图)

 
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