長(zhǎng)江日?qǐng)?bào)大武漢客戶(hù)端2月3日訊（記者周劼 通訊員楊婷婷）日前，中國(guó)科學(xué)院精密測(cè)量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院梅剛?cè)A團(tuán)隊(duì)發(fā)布最新成果，他們將銣原子鐘短期頻率穩(wěn)定度提升至E-14（百萬(wàn)億分之一）量級(jí)，再次刷新了銣鐘頻率穩(wěn)定度的世界紀(jì)錄。1月30日，在接受長(zhǎng)江日?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)，梅剛?cè)A表示，如果順利解決了后續(xù)長(zhǎng)期穩(wěn)定度問(wèn)題，就意味著作為全球?qū)Ш叫l(wèi)星（包括美國(guó)的GPS和中國(guó)的北斗系統(tǒng)）的“心臟”——銣鐘能支撐導(dǎo)航系統(tǒng)從米級(jí)、分米級(jí)一躍達(dá)到厘米級(jí)的定位精度。

精準(zhǔn)計(jì)量時(shí)間，自古就是國(guó)之大事。從日晷到沙漏，再到機(jī)械鐘、石英鐘，鐘表總是代表著每個(gè)時(shí)代科技的尖端水平。20世紀(jì)30年代，世界上第一臺(tái)原子鐘面世，直接將人類(lèi)的計(jì)時(shí)精度提高了萬(wàn)倍。1967年，在第十三屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)上，首次以銫原子躍遷的9192631770個(gè)周期定為1秒，從此原子鐘就成為世界上通行的精準(zhǔn)計(jì)時(shí)工具。其中銣鐘更是首選。銣鐘具有體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、壽命長(zhǎng)且制造成本低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星導(dǎo)航、通信、電力、金融等國(guó)防和經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域，是目前世界上應(yīng)用最廣、市場(chǎng)占有率最高的原子鐘。

據(jù)悉，衛(wèi)星導(dǎo)航直接依賴(lài)計(jì)時(shí)準(zhǔn)確，天地時(shí)間越同步，誤差越小，定位的精度就越高，所以全世界各衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)都不約而同選擇銣鐘作為計(jì)時(shí)器。銣鐘的穩(wěn)定度直接關(guān)乎導(dǎo)航衛(wèi)星的定位、測(cè)速和授時(shí)功能的精度，銣鐘的質(zhì)量和可靠性直接決定著導(dǎo)航衛(wèi)星的成敗，是導(dǎo)航衛(wèi)星名副其實(shí)的“心臟”。1997年，梅剛?cè)A帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開(kāi)始致力于我國(guó)銣鐘的研究，先后研制出三代具有完整自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的星載銣鐘，批量裝備于北斗導(dǎo)航衛(wèi)星。他們于2006年研制成功的第三代星載銣鐘，秒穩(wěn)定度為7E-13，創(chuàng)造了當(dāng)時(shí)的國(guó)際紀(jì)錄。2020年，我國(guó)新一代北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式開(kāi)通。北斗三號(hào)衛(wèi)星上采用的新型銣原子鐘實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星時(shí)頻基準(zhǔn)性能的大幅提高。

一款原子鐘牛不牛，主要看三個(gè)方面：準(zhǔn)確度（不確定度）、穩(wěn)定度、漂移率，其中穩(wěn)定度更是星載原子鐘的核心，而穩(wěn)定度又分為秒穩(wěn)、百秒穩(wěn)、萬(wàn)秒穩(wěn)、天穩(wěn)等短、長(zhǎng)期指標(biāo)。梅剛?cè)A介紹，銣鐘是20世紀(jì)60年代發(fā)明的，經(jīng)過(guò)20年的發(fā)展，到80年代，其穩(wěn)定度達(dá)到短穩(wěn)E-11、長(zhǎng)穩(wěn)E-13量級(jí)，當(dāng)時(shí)就有人認(rèn)為這就是它的極限，但到了90年代，新一代銣鐘的研究打破了80年代的“預(yù)言”，達(dá)到短穩(wěn)E-12，長(zhǎng)穩(wěn)E-14量級(jí)。20世紀(jì)末至今，經(jīng)過(guò)20多年的持續(xù)攻關(guān)，我國(guó)北斗星載銣鐘又將此前的紀(jì)錄不斷一個(gè)量級(jí)一個(gè)量級(jí)地步步提高。

銣鐘的不斷自我突破如同“黃忠將近古稀年，猶開(kāi)彎弓射月滿”，是科學(xué)界時(shí)時(shí)上演的“定軍山”故事的新版本，“對(duì)于從發(fā)明到現(xiàn)在已逾60年的銣鐘而言，大家都在討論它的極限在哪里，視為很難再挖掘出潛力的技術(shù)，這么多年來(lái)，我們也一直在探索這個(gè)問(wèn)題，而我們的研究表明，老將依然可以煥發(fā)青春，成為早上八九點(diǎn)鐘的太陽(yáng)。此次技術(shù)突破，跨入了新的量級(jí)，干成了很多人想干而沒(méi)干成的事情，進(jìn)一步擴(kuò)大了我國(guó)銣原子鐘技術(shù)的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，對(duì)發(fā)展高品質(zhì)微波振蕩器技術(shù)和研制新一代北斗系統(tǒng)星載原子鐘具有重要意義。”梅剛?cè)A說(shuō)。據(jù)梅剛?cè)A團(tuán)隊(duì)研制的最新型銣原子鐘原理樣機(jī)測(cè)量結(jié)果顯示，其秒級(jí)頻率穩(wěn)定度達(dá)到9E-14，百秒級(jí)頻率穩(wěn)定度為9E-15?！氨倍啡?hào)之后還會(huì)有北斗四號(hào)、北斗五號(hào)，那時(shí)還用銣鐘作為星載候選鐘是沒(méi)問(wèn)題的，其支持測(cè)量定位精度達(dá)到厘米級(jí)也是有可能的?！?/span>

越接近極限，量級(jí)的提升越困難。此次研究，梅剛?cè)A團(tuán)隊(duì)從提高原子信號(hào)信噪比、降低探尋微波的相位噪聲和抑制原子體系的環(huán)境敏感性3個(gè)方面入手，采用了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的開(kāi)槽管微波腔、大尺寸銣氣泡、高光譜純度抽運(yùn)光源和雙重濾光等新技術(shù)，顯著改善了原子信號(hào)信噪比。同時(shí)，在電路設(shè)計(jì)中，研究人員采用了一種新的低相噪頻率綜合器設(shè)計(jì)方案，減小了微波電路噪聲對(duì)銣原子鐘頻率穩(wěn)定度的影響；還利用密封箱實(shí)現(xiàn)物理系統(tǒng)與大氣環(huán)境的隔離，將大氣環(huán)境氣壓波動(dòng)對(duì)銣原子鐘頻率穩(wěn)定度的影響減小了一個(gè)數(shù)量級(jí)?；谶@些技術(shù)實(shí)現(xiàn)短穩(wěn)的突破，梅剛?cè)A表示，“銣鐘的任何探索性進(jìn)展總是先解決短穩(wěn)。短穩(wěn)提高不了，長(zhǎng)穩(wěn)肯定上不來(lái)。如果再解決了長(zhǎng)穩(wěn)的問(wèn)題，下一代銣鐘也就呼之欲出了。”

目前的星載銣鐘能有多??？在精密測(cè)量院銣鐘展廳，梅剛?cè)A指著一個(gè)鞋盒大小的金燦燦的銣鐘樣品說(shuō)，“這就是北斗三號(hào)上的銣鐘，它只有4升大小，4.4公斤?！?/span>

利用短穩(wěn)技術(shù)的突破，除了星載銣鐘外，梅剛?cè)A團(tuán)隊(duì)還將下一步應(yīng)用的目標(biāo)鎖定在振蕩器領(lǐng)域，“對(duì)于大量只需要短穩(wěn)頻率的振蕩器產(chǎn)品而言，這一突破將是一次技術(shù)革新，有助于推動(dòng)高品質(zhì)微波振蕩器的發(fā)展”。

【編輯：張靖】

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