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        作者:韓揚眉 來源:中國科學報 發布時間:2022/6/28 12:13:10
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        張首剛:筑造國之大“鐘” 雕刻民之用“時”

         

        最近半個月,張首剛的工作計劃表細化到了小時——作為總指揮和首席科學家的他,領銜研制的中國空間站“夢天”實驗艙“高精度時頻實驗系統”到了最后沖刺階段,該系統將是空間運行最高精度的時頻信號產生和傳遞系統,其中包含世界首臺空間光鐘。再過不久,它就要進入中國空間站。

        “6月5日,神舟十四號載人飛船發射取得圓滿成功,空間站建造一切順利,這對我們工作的時間節點、任務要求也更明確了。”造鐘32年,張首剛依然激動、緊張,有壓力。

        “你的所想所做是否體現了國家需求?”作為中科院國家授時中心主任、作為國家重大任務的首席科學家張首剛常常反思自問,以其作為工作選題的第一準則。

        近日,張首剛獲得陜西省“最美科技工作者”。在同事眼中,張首剛是“硬漢”,所獲榮譽實至名歸,他扎根西北數十年,白手起家,組織團隊努力推動我國時間頻率研究水平和服務能力整體躋身國際前列。

        而在一群孩子們眼中,他是溫柔的“張爺爺”。每年即使再忙,他都會在6月1日抽出時間參加所里舉辦的親子活動,與職工孩子們一起做游戲。每年過年,團隊成員的小孩都會收到“張爺爺”的壓歲紅包。

        敬授人時

        時間有“天長地久、至死不渝”的浪漫,也有“白駒過隙、逝者如斯”之現實。

        在科學家眼中,時間只有精準、更精準的嚴苛。時間是目前測量精度最高的物理量,一些精密測量物理研究需要高精度時間。時間又是應用最廣的物理量,其服務和應用支撐著社會運行、經濟建設和國家安全,特別是對于數字通信、衛星導航、航天航空以及深空探測等領域的發展來說,有著基礎性作用。

        在20世紀50年代,科學家在研究原子和原子核的基本特性時,發現原子的振蕩頻率穩定性非常高,從而產生了利用原子的振蕩頻率來制作時鐘的想法。作為能夠產生時間信號(如秒脈沖)并有計數裝置的原子頻率標準,原子鐘是時間精密測量的關鍵核心,它不僅是國家戰略資源,事關國家安全和經濟社會運行,更是國家話語權的體現。

        近二十年來,我國以原子鐘研制為代表的時間頻率產生和傳遞技術得到了迅猛發展。即將進入太空的空間光鐘就是我國自主研發的新一代高精度原子鐘。

        1997年,張首剛到法國巴黎天文臺訪問,恰遇歐洲空間局啟動空間原子鐘組計劃,希望將氫鐘和冷原子銫鐘送入國際空間站,建立空間高精度時間頻率系統。由于技術等原因,該計劃再三推遲,至今仍未成行。

        張首剛深知空間高精度時間頻率對科學研究和工程應用重大意義——利用空間微重力環境和航天員照料條件等,實現高精度時間頻率空間產生和空地傳遞系統,為相關精密測量物理提供研究平臺,為相關工程技術應用提供高精度時頻信號。

        2004年,張首剛學成歸國,始終未忘當初建立中國空間時間頻率系統的夢想。

        隨著中國空間站計劃的推進,2009年,在國際上只有兩三個國家實現了實驗室型光鐘原理樣機的情況下,張首剛就開始策劃中國空間站高精度時頻系統的構建,著手世界第一臺空間光鐘的研制。經過10余年的努力,團隊突破了多項關鍵技術,打造出了地面光鐘。目前,空間光鐘研制是原子鐘研制的制高點,歐洲依靠多國合作研制著原理樣機。將一個復雜又精密,體積20多立方米的實驗室儀器裝進不到一立方米空間的空間實驗柜中,不只是簡單的體積和重量的減少,諸多理論和技術需要反復驗證,許多部件和設備需要自主研發,同時需要研究滿足航天產品諸多要求的最佳方案。

        當下,我國空間站高精度時頻系統到了交付和聯試的關鍵階段,每天在頻繁地召開和參加調度會,不時地在討論技術問題,加上疫情防控的需要,張首剛和團隊成員把自己封在實驗樓里,晝夜輪班奮戰,安放幾張簡易行軍床,吃住不出樓,幽默的自嘲為“航天民工”,自詡“科學打工人永遠是年輕!”

        在張首剛看來,團隊最怕的不是身心疲憊,而是事情沒干好,耽誤“國家事”,壓力特別大。“我們都知道,正在干一個世界上沒有先例的事情,都很興奮,也很緊張。但越是在這個時候越不能出差錯,哪怕進入一?;覊m,都可能燒毀光纖端面,部件就要拆解重裝;一個螺絲沒擰緊,都將是天大的事情!”也因此,張首剛不敢再加壓,每天都在鼓勵大家,樹立必勝信心,按質量要求工作。

        “這是空間站箱內最復雜、難度最大、國際影響也很大的系統,空間站時頻系統將融合北斗導航系統、地基授時系統,預計在5年內,我們將建成世界上獨一無二的天地融合、立體交叉的國家授時系統。”張首剛說。

        堅守時“權”

        如今,每每談起我國的原子鐘發展,張首剛總會很自豪地說,我們實現了國家標準時間產生的自主可控,將我國標準時間與國際標準時間的偏差從100納秒減小至3納秒,綜合性能躍居世界前三。

        我國標準時間即為“北京時間”。過去幾十年,國家標準時間產生的核心設備原子鐘依賴國外進口。“雙方比對時間,如果時間不一樣,誰的設備性能更高、精度更高,就以誰的時間為準。”張首剛告訴《中國科學報》。

        為了解決這一“卡脖子”問題,張首剛與他的“時間團隊”近20年來一直艱苦奮戰。

        1997年,為了學習先進技術,張首剛離開家人到法國訪學,那時女兒還不到兩歲。在法國巴黎天文臺這個國際一流的時間頻率實驗室7年,張首剛潛心鉆研,解決了多項技術難題,獨立完成了世界第一臺銫原子噴泉鐘的改造。

        2005年,在張首剛回國的第二年,受組織安排,他再次離開家人,只身來到位于相對落后的陜西臨潼的中科院國家授時中心,開始原子鐘的研制工作。

        中科院國家授時中心的前身是中科院陜西天文臺,其主要任務是開展時間頻率科學技術研究并為全國提供授時服務。那時,這里沒有原子鐘方面的科研人員及條件,尤其是冷原子鐘的研究基礎是零,整個陜西也沒有從事冷原子研究的相關人員。

        “條件的確很差,經費也不足,很多人都不把我們當研究機構,而是支撐部門,把我們稱作‘開關時間信號’的服務者。”張首剛很無奈,但改變現實就必須付出比別人更多的努力。

        張首剛一個人從零開始,從一顆螺絲釘開始,研制國家的時間基準鐘——冷原子銫噴泉鐘。他只有一個信念:“不能干和別人同樣的東西,我們必須研究新的,有用的東西。”

        只要不出差,凌晨1、2點前總能在實驗室或辦公室看到他的身影。累了困了,就喝又濃又苦的咖啡。

        他們自力更生,披荊斬棘,最終成功研制了兩臺具有獨立知識產權的冷原子銫噴泉鐘,這是國際上第二家實現了超高穩定的光生微波源,穩定度和不確定度性能達到世界先進,實現了“北京時間”的自主的校準,確保特殊時期國家標準時間的準確性,真正“守住了國家時間”。

        近20年來,他建立起的國家授時中心量子頻標研究室已擁有近百名中青年科研人員,成為國際上具有一定影響力的“時頻研究團隊”。

        他們始終著眼國家需求和經濟發展,攀登一座又一座高峰:聯合國內力量研制出世界最小的芯片原子鐘,與國際最好的美國產品同性能,但體積小了一半;與企業合作研發了國際首款激光抽運新型小銫鐘產品,打破了美國小銫鐘獨家壟斷并出口歐洲,裝備于國家標準時間、北斗、5G、電力和國防等系統,2021年起多臺小銫鐘數據陸續在國際原子時計算中取得貢獻權重,國內首次;繼美國之后,世界第二家研制了能夠進行守時的銣原子噴泉鐘;研制建立了我國多手段融合的世界時自主測量與服務系統......

        “我們發展了多技術手段的守時和授時服務系統,有效地滿足了國家需求。”張首剛有信心描繪更多藍圖:從基礎研究到技術攻關,從系統集成到應用服務,支撐國家高質量發展。2015年,他在國際上率先提出天地一體的彈性國家授時體系架構,目前在主持實施著相關的國家重大科技工程,包括“十三五”國家重大科技基礎設施“高精度地基授時系統”。

        與“時”俱進

        張首剛與時間頻率事業結緣純屬偶然。

        1990年大學畢業后,張首剛因成績優秀被推薦來到中科院陜西天文臺攻讀碩士學位。最初,他被導師劉海峰的事跡所感染。

        “劉老師當時為了研制一臺基準型激光抽運大銫鐘,舉家搬遷到西北,讓我很感動,也覺得這件事真的很重要。”隨著學習的深入,張首剛逐漸了解到美國、法國已研發出了這樣的大銫鐘,而且只有美國掌握著小銫鐘技術,產品獨家壟斷。

        張首剛回憶,當時國家授時中心用于守時的小銫鐘完全依賴進口,“不僅價格昂貴,而且人家任何時間都可以來檢查,只能在規定地方應用,不準轉借他人使用,各種要求十分苛刻。包括鐘的部件維修、壽命到期更換等,中國人都不能參與。”

        從那時起,立志造出“中國鐘”的種子,在張首剛心中扎根。

        如今,他帶領團隊不僅自主研制出了國際先進的基準型銫原子噴泉鐘,世界首款光抽運小銫鐘產品,更是研制出了9種不同應用類型的新型原子鐘。

        對于造鐘,張首剛要求精益求精,而對于生活,他并不“定時”,飯點還在討論問題,深夜還在工作已是幾十年的習慣。

        這位工作中的“鐵漢”,家人卻是他內心最為柔弱的軟肋。“他們都對我很支持,尤其是夫人,她不只是理解我,同時還毫無怨言地照顧和幫助我們的家人。”成家多年,他們聚少離多,提到家人時,張首剛哽咽了。

        后來,女兒到陜西讀大學,那是張首剛與女兒相處最久的一段時間,幫女兒洗洗衣服、聽聽女兒學校見聞......至今提起來,他都滿是幸福。

        張首剛說,我國時間頻率研究和服務整體躋身世界先進行列,但他們還不到“慶功”的時刻,“我們在原始創新、基礎理論,以及關鍵材料和器件方面還相對落后,必須加倍努力。”

        夏日的西安,驕陽似火,室外溫度超過39℃,但熙來攘往的地鐵四號線站點,“陜西省最美科技工作者”宣傳海報上,張首剛的一行介紹——“于空白處落筆,雕刻精準北京時間;在寂寞中前行,鑄就授時國之重器”,如一杯清茶,一掬清泉,沁人心脾,鼓舞著為科技奮斗的人們不斷向前。

        張首剛(中)與同事討論(授時中心供圖)

        張首剛正在做實驗(授時中心供圖)

         
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