揭秘！北斗卫星导航系统的“心脏”是这样研发出来的( 二 ) 本文转自：人民政协报仰望星

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。”

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▲梅刚华（左四）和团队成员一起分析星载铷钟测试数据
二
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。
铷原子钟是根据“光-微波双共振”原理设计的。原子信号的强弱与物理系统的两个主要部件相关，一个是激励光共振信号的光谱灯，一个是激励微波共振信号的微波腔。光谱灯的作用像抽水机一样，将原子从低能级抽运到高能级。水可以自动从高处流到低处，但铷原子钟中的高能级原子，却不能自动回到低能级，必须用微波场去激励，它才能下来。所以把光谱灯做好，上去的原子就多；把微波腔做好，下来的原子就多；上去和下来的原子都多，原子信号就强，原子钟的稳定度就高。对于铷原子钟设计而言，光谱灯和微波腔是两块硬骨头。
“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。”
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。
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。
看来只能靠自己了。
有人疑惑：连瑞士专家都做不出来，我们行吗？梅刚华有信心。
两种新结构腔相比，他觉得分离环腔更有优势，关键是如何把它从一个分离的、松散的结构变为一个一体化的刚性结构。多次尝试都不见效果。一天下午，他突然想到一种方案，来不及等工厂加工，说干就干！他找来一块铜片，在上面锉了几个槽，然后卷成一个管，再用铜皮包上没开槽的那一端，塞进一个金属圆筒。在仪器上一测量，马上就看到了共振信号。他将钟达、安绍锋几个骨干叫来，大家一看，都很兴奋。
趁热打铁。第二天，他到工厂加工了一个正式样件。再次测量，发现共振信号不仅还在，而且很强。短短两三天时间，一种新结构微波腔——梅刚华把它命名为开槽管微波腔——雏形就出来了。开槽管微波腔后来获得中国和美国专利授权，到现在仍然是精密测量院星载铷钟的主要设计特征。这种微波腔不仅体积小，场分布模式也很好，可以利用小体积原子气室获得高强度原子跃迁信号，这样就从根本上解决了铷原子钟高精度和小型化之间的矛盾。
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。
“解决问题，要花大量时间找原因，原因找到了，问题就解决了一大半。”梅刚华说。