什么样的钟可以做到几十万年甚至几千万年不差1秒？答案是原子钟。而在原子钟家族中，氢原子钟以其良好的中长期性能在工程应用中扮演着重要角色。
日前，中国航天科工集团公司二院203所4台氢原子钟成功中标中国地震局“中国大陆构造环境监测网络”(简称陆态网络观测)原子频标设备采购项目。该项目是我国为实现自主监测环境、全面防灾减灾而建设的国家重大科技基础设施和重点工程。
这一消息让在原子钟领域耕耘多年的203所工程技术人员感慨不已。首次以市场化的方式批量中标，意味着该所从“九五”期间开始研制的蓝宝石主动型氢原子钟踏上了国民经济大舞台。这对航天原子钟来说，具有里程碑式的意义。
超级精密的计时器
所谓原子钟，就是利用氢、铷、铯等原子的稳定振荡频率制成的极精密的计时器。
世界上最精确的钟表是名为NISTF-1的原子钟，现在被放置在美国国家标准和技术研究所物理实验室里。它既没有指针也没有齿轮，也不直接显示钟点。它的任务是提供“秒”这个时间单位的准确计量。在2000万年内，它既不会少1秒，也不会多1秒。
据专业人员介绍，直到上世纪20年代，最精确的时钟还依赖于钟摆的规则摆动。后来，人们用石英晶体制造出了更为精确的时钟，每天误差不大于千分之一秒。即便如此，也满足不了科学研究的需要。于是，在对科学理论的极致追求中，1948年，世界上第一台原子钟诞生了。
时至今日，原子钟在导航定位、通信、计量、物理定律验证等领域已有着极为广泛的应用。203所有关专家举例说，利用现代卫星手段进行距离测量时，由于包含“卫星时钟与接收机时钟同步误差”因素，习惯上将测得的距离称作“伪距”(伪距=时间×光速)。换句话说，时间决定空间，时间信息越精确，空间信息也就越精确。
我国在原子钟研制上起步较晚，与美国、欧洲之间的水平差距较大。但是，时间频率体系对国防建设和国民经济发展越来越重要。1999年，随着国防科学技术进入大发展时期，原子钟作为导航定位、多探测器数据融合等应用的重要装备而备受关注。无论是地面运控系统还是星上载荷，都对原子钟有强烈的需求。
为了适应新的形势，203所在“十一五”规划中，将原子钟的研制确定为该所频率控制专业核心产品，继续加大对原子钟的投入；成立了专门的原子频标研究室，完善了设计、调试、试验、测试条件；加大了以引进高层次优秀毕业生为主的人才队伍建设。
航天原子钟实现工程化
“原子钟不同于其他产品。只要它一插上电，就必须运行到寿命期满。”简简单单的一句话，透露出了原子钟研制的难度。这么多年来，困扰203所原子钟研制团队的主要就是产品的可靠性和工程化问题。
由于原子钟技术涉及量子物理、电子、微波、自动控制、光学、测量、计算机、材料以及制造工艺等多个学科，工作机理十分复杂。原子钟调试测试周期长，各组成单元指标要求高，对温度、磁场、真空等环境需要精密控制。该所技术人员表示，这么多年没有向社会推出产品，就是因为总觉得可靠性还不够好。
实际上，该所是国内唯一同时从事氢、铯、铷钟研制的单位，产品阶段覆盖预研、研制和批量生产，专业技术配套覆盖上下游。近些年，该所已经向我国的北斗卫星导航工程交付了多台铷原子钟，在北斗卫星系统中发挥着重要作用。
“氢、铷、铯三种原子钟是最适合工程化应用的。目前，国内研制的氢、铷钟都已经达到了工程化应用水平。从准确度来看，铯钟最高，铷钟最差，氢钟居中。从稳定度来看，氢钟最高，铷钟最差，铯钟居中。但铷钟的特点是体积最小。因此，目前卫星上携带的主要还是铷钟。”该所原子频率标准研究室主任高连山说。
2004年，北斗卫星导航系统工程总师孙家栋院士曾经专门到203所进行考察，确定星载铷钟工程化的承制单位。当时，孙院士千叮咛万嘱咐：“一定要重视元器件的国产化。”让该所自豪的是，他们交付的铷钟不但性能与国外产品相当，还完全实现了元器件的国产化，受到了卫星总体单位的充分肯定。
在试验室里，记者见到了已经交付但仍在测试的星载用的铷原子钟。它表面镀金，有《现代汉语词典》那么厚，看上去精致、美观。作为原子钟专业的带头人，203所所长冯克明最清楚全部元器件国产化的难度。当年科研攻关的时候，他身先士卒，带领着技术人员连续奋战三天两夜。他幽默地形容：“我们用土豆丝做出了鱼翅的味道。”
该所这次氢原子钟中标的陆态网络观测项目是由中国地震局牵头，中国气象局、教育部、中科院等单位共同参与建设的国家重点工程。在这个庞大的观测网中，将设立全球卫星导航定位系统(GNSS)观测站点1000多个。其中，多个超级站点需要配置原子钟，多个核心站点需要配备高端氢原子钟。
在项目投标过程中，该所以较高的综合优势引起了中国地震局有关领导的关注，并专门来到该所考察。最终，中国地震局将“橄榄枝”抛向了该所。
这是真正以市场化方式获得的订单。多年来，该所一直在培育原子钟这个产业。目前，该所已经可以做到年产数十台的规模。他们深知，用户最关心的就是原子钟的可靠性指标。因此，一直在提高产品的可靠性，做工程化改进，希望更好地满足市场需求。
今年年初，“时频控制类产品”已被203所作为“产品强所”的重要拓展方向。该所敏锐地意识到，国家时间频率体系建设对原子钟等频控产品有着明确需要。随着性能指标的提高，国产原子钟工程化道路将越走越宽，因为它拥有着进口产品无可比拟的价格和售后服务优势。（文/索阿娣）
（责任编辑：海容）
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