灯泡玻璃材料试验持续了十年之久。他们让三个谱灯长期点亮工作，每个月测量一次灯泡中的铷量，积累了近十年的测量数据。根据这些数据进行计算，得到了精确的铷消耗模型，精度比国外高出六七倍。再根据这个模型，确定了适中的充铷量，既不会因为少了而影响铷钟的寿命，又不会因为多了而产生铷迁移现象，影响铷钟的性能。

20世纪90年代，我国北斗卫星导航系统工程立项，原子钟发展迎来了难得的机遇。这是因为，北斗系统的定位功能是建立在时间的精准测量之上的，按北斗工程总设计师孙家栋院士的说法，原子钟是导航卫星的心脏。做不出原子钟，北斗系统就建不成。

冷静下来一想，孙家栋是一言中的，物数所团队研究功底扎实是强项，但工程化能力弱，却是不争的事实。

编辑:莫愁

有人疑惑:连瑞士专家都做不出来，我们行吗?梅刚华有信心。

“四十多年前，我还没有上大学。读了这篇文章，陈景润的故事，徐迟的文笔给我留下终生难忘的印象。”

“我们的星载铷钟研究是从微波腔起步的，”梅刚华说。“微波腔设计有两个基本的要求。第一是体积要小，不然铷钟整机的体积下不来;第二是微波场的分布模式要好，不然原子信号就弱。当时国际上比较成熟的是传统的TE_011腔和TE_111腔，前者的体积过大，后者的场分布模式不太好，所以在1997年项目启动的时候，我们就决定做一种新的微波腔。”

▲梅刚华(左四)和团队成员一起分析星载铷钟测试数据

我问:“是不是从那时候开始，您就想做陈景润那样的科学家?”

铷光谱灯的设计原理并不复杂，就是通过无极放电，使铷原子蒸气发光。但原先的设计问题很多，根本上不了天。一是光强跳变，影响铷钟的频率稳定度;二是真空里发光不正常，限制铷钟的卫星环境适应性;三是灯泡中的铷消耗太快，制约铷钟的寿命。

铷原子钟的精度主要指频率稳定度，它直接与原子跃迁信号的强度相关。

这是国内第一个星载原子钟国家重大项目。物数所作为抓总单位负责原子钟总体设计和物理系统研制，航天五院504所负责电路系统研制。

2007年，北斗二号系统星载铷钟进入批量正样产品研制阶段，研制过程仍然充满艰辛。最痛苦的是技术“归零”。

梅刚华告诉我:“刚开始的时候，我们铷钟的精度跟西方发达国家比差了两个数量级，将近100倍。在可靠性、寿命、卫星环境适应性方面，更是连设计概念都没有，差不多是一片空白。”

解决了物理系统原子信号强度和电路降噪的问题，铷钟的短期稳定度就基本解决了，但长期稳定度还没解决。某种意义上长稳更重要，因为导航卫星用的主要是每天的稳定度。“影响长稳的主要因素是光频移和温度频移，”梅刚华介绍:“我们开始的做法有点治标不治本，总想通过选择工作点、加强温控等外部措施来解决，效果不好。于是就系统地研究如何将原子体系自身的频移降下来。这就要改变和优化很多设计参数，比如铷泡中充入的缓冲气体的种类、配比、压力等等。这些东西最好每次只改一样，不然你的判断就不一定准确。科研就是这样，没有捷径可走，必须老老实实去做，水滴石穿，水到渠成。”

一

为了少走弯路，费了很大劲，物数所请到国际著名原子钟研究单位瑞士天文台退休专家李·约翰逊来实验室做指导。

2012年，北斗二号卫星导航系统全面建成。精密测量院等三家单位研制的星载铷钟，为我国独立自主建成北斗二号系统发挥了关键作用。精密测量院的星载铷钟，无论是精度还是可靠性，都受到总体部门的高度评价。

北斗三号上什么样的铷钟?多数人的意见是上高精度铷钟。高精度铷钟的技术指标比北斗二号卫星铷钟高，但是跟GPS新一代铷钟比，仍然差了一大截。

“没啊，”他平静地说:“我们最近研制的新型铷钟原理样机，短期稳定度比甚高精度铷钟还要高3倍多，接下来我们会重点解决长期稳定性问题。”他们还要继续走下去。

约翰逊根据文献和自己的经验，做出了两种新结构微波腔模型，一个叫作慢波螺旋腔，一个叫作分离环腔。但效果并不理想，腔的结构松散，找共振频率困难，产生的原子信号很弱。三个月合同期一到，他便走了。

文章来源：《全球定位系统》 网址: http://www.qqdwxtbjb.cn/zonghexinwen/2022/0516/532.html

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