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上海光机所天宫二号空间冷原子钟“一问一答”

发布时间: 2017-04-19 20:36:15   作者:本站编辑   来源: 本站原创   浏览次数:

 

一、什么是原子钟?什么是空间冷原子钟?

 

        原子钟是能够将本地振荡器锁定在原子跃迁能级的共振频率上而实现输出时间标准频率的设备,由原子钟导出的时间称为原子时。由于不受外界干扰的自由原子、分子的能级跃迁比地球的自转或绕太阳的公转有更好的稳定性,得用原子钟测量时间间隔可以达到极高的精度。1967年第13届国际计量大会将时间“秒”定义为:“1秒为铯原子(133Cs)基态的两个超精细能级之间跃迁所对应的辐射的9192631770个周期所持续的时间”,人类社会从“天文时”时代进入到“原子时”时代,原子钟成为新的时间基准。

        自从有了原子钟,人类计时的精度以几乎每十年提高一个数量级的速度飞速发展,到上世纪末达到了1014量级,即误差约为1秒/30万年,在此基础上建立的全球定位导航系统,覆盖了整个地球98%的表面,原子钟的信号被广泛的应用到了人类活动的各个领域。

        传统的原子钟采用热原子作为工作介质,其精度受到原子热运动影响而难以大幅提升性能。利用激光冷却技术,原子气体被冷却至接近绝对零度的温度,极大地消除了原子热运动对原子钟性能的影响,以冷原子为工作介质的原子钟称为冷原子钟,目前已经广泛应用于地面时间基准的建立。但是,地面原子钟由于受到重力的作用,自由运动的原子团始终处于变速状态,宏观上只能做类似喷泉的运动,这使得基于原子量子态精密测量的原子钟在时间和空间两个维度受到一定的限制。

        空间冷原子钟是将激光冷却技术和空间微重力环境结合而实现的原子钟。在微重力环境下,冷原子团可以做超慢速匀速直线运动,基于对这种运动的精细测量可以获得较地面上更加精密的原子谱线信息,从而获得更高精度的原子钟信号,可获得在地面上无法实现的性能,有望将人类在太空中的计时精度提高1~2个数量级,是原子钟和时间基准发展历史上的一次新的突破。

 

二、 空间冷原子钟的国内外研发背景如何?

 

        由于高精度空间原子钟在基础物理、空间科学、计量学、守时、全球导航定位系统等方面都有非常重大的科学研究和工程应用价值,国际上争相开展空间高精度原子钟的研究计划,其中计划于近期发射的空间冷原子钟有欧洲空间局支持的ACES计划和我国载人航天工程支持的CACES计划,如图1所示。

 

(图1 国际空间时频计划开展情况)

 

三、 我国空间冷原子钟研究进展如何?

 

        中科院上海光机所王育竹院士领导的科研团队从上世纪六十年代就开始了原子钟方面的研究,在1971~1979年间,承担了“远望”号测量船上铷原子钟的研制任务,成功研制出中国第一台铷原子钟,为国家导弹发射、远距离测量、通信等领域做出过重要贡献,获得了全国科技大会“重大科技成果奖”和国家科技进步特等奖。

        当70年代末国际上激光冷却气体原子的概念刚刚提出时,王育竹院士便立刻认识到冷原子对原子钟的研究将产生革命性的影响,便率领团队开展激光冷却原子技术的研究。进入21世纪以后,随着实验室激光冷却技术的发展,王院士开始逐步推进小型化冷原子铷钟和空间冷原子钟的可行性研究。

        2007年,在王育竹院士的指导下,刘亮研究员领导的空间冷原子钟团队成立,于2010年完成了空间冷原子钟原理样机的研制和地面科学试验论证。2011年,在中国载人航天工程的支持下,空间冷原子钟实验CACES(Cold Atom Clock Experiment in Space )计划正式进入工程样机的设计与研制阶段。

        2016年,经过近10年的艰苦努力,中国第一台空间冷原子钟正样产品研制成功,在光、机、电、热、软件等方面通过了中国载人航天工程各类环模测试的检验,达到了满足火箭发射和空间在轨正常运行的要求,并计划于2016年9月搭载天宫二号升空,将成为国际上第一台在太空中进行实验的空间冷原子钟。

 

四、 冷原子钟“上天”的作用与意义?

 

        由于空间轨道与地球表面之间存在大气和电离层,地面高精度的时间基准信号与卫星或宇航器进行时间同步比对时会受大气多变状态的干扰,导致出现各种误差和不稳定性。空间冷原子钟的在轨运行,将在太空中建立超高精度的时间频率基准,对其它卫星上的星载原子钟进行无干扰的时间信号传递和校准,使得基于空间冷原子钟同步的全球卫星导航系统具有更加精确和稳定的运行能力,如图1所示。

 

(图1 空间高精度时频系统示意图)

 

        空间冷原子钟将开展包括激光连续稳频输出、激光冷却原子、原子慢速抛射、冷原子钟信号产生与传递、高精度光电自动时序控制等首次在太空中进行的科学实验和尖端技术应用,为下一步进行空间科学实验和工程应用、解决我国国家安全、空间科学和技术等方面对超高精度时间基准的重大需求奠定基础。

 

五、 空间冷原子钟实验项目的任务与目标是什么?

 

        空间冷原子钟实验将突破并掌握空间冷原子钟的关键技术,利用空间微重力环境增加微波与原子相互作用时间,验证在空间微重力环境下超高稳定度冷原子钟的运行机制,实现1016量级的超高精度,即误差达到1秒/3亿年,将目前人类在太空中的时间计量精度提高1~2个数量级。

 

六、 空间冷原子钟的工作原理是什么?主要技术指标有哪些?达到了什么水平?

 

(图2 空间冷原子钟工作原理示意图)

 

        如图2所示,空间冷原子钟的工作原理是利用激光冷却和俘获技术获得接近绝对零度(μK量级)的超冷原子团,然后采用移动光学黏团技术将其沿轴向抛射。在微重力环境下,原子团可以做超慢速均速直线运动。处于纯量子基态上的原子经过环形微波腔,与分离微波场两次相互作用后产生量子叠加态,经由原子双能级探测器测出处于两种量子态上的原子数比例,获得原子跃迁几率,改变微波频率即可获得原子钟的谱线Ramsey条纹,利用该谱线反馈到本地振荡器获得高精度的时间频率标准信号。

        空间冷原子钟的主要技术指标和欧空局ACES计划中PHARAO钟相当,具体如下:

        1)        Ramsey谱线中心峰线宽:地面上<10Hz,在轨<0.2Hz;

        2)        信噪比:地面上≥300;在轨≥200

        3)        俘获冷原子数目:≥106个;

        4)        冷原子温度:<5μk;

        5)        原子钟稳定度:在轨优于2×10-13τ-1/2,天稳优于8×10-16

 

七、 空间冷原子钟的技术难点与技术创新点是什么?

 

        空间冷原子钟涉及原子物理学、量子光学、光机电系统设计、微波电子学、超高真空技术、热学、软件自动控制、航天工程学等诸多领域,其采用的许多关键技术和部件均是首次为太空实验而设计。

        空间冷原子钟主要包括物理单元、微波单元、光学单元和控制单元,各单元技术指标如图3所示。空间冷原子钟实验项目在极为有限的重量、体积和功耗等资源限制条件下,完成小型化、自动化、集成化的整机研制,要确保经过火箭发射的力学振动冲击,以及在轨运行时条件下的高低温、磁场、辐照等各类环境下均能实现高精度正常运行。

 

(图3 空间冷原子钟的组成)

 

        空间冷原子钟主要包括以下技术难点和关键技术:

        1)   激光冷却原子技术

        为满足空间应用对体积、重量和功耗的资源限制,采用折叠集成光学系统来实现激光冷却原子的创新设计,利用两路输入光产生六路正交对射激光束组,将激光准直扩束系统、激光偏振控制系统、磁光阱等激光冷却原子的核心装置集成于一体,如图4所示。

 

(图4激光冷却原子技术核心光机装置示意图)

 

        2)   激光器自动找频和长期稳频技术

        激光冷却原子需要采用自动找频及长期稳频技术使激光器输出连续稳频的激光,包括窄线宽、长寿命的半导体激光器、稳定的饱和吸收鉴频光路、低噪声电流源、精密温控电子技术、单片机谱线扫描和识别技术、高效稳定的频率锁频策略等一系列关键技术。

        3)   高性能、高稳定度光学平台集成技术

        高性能、高稳定度的光学平台在激光器选型、光学组部件小型化、集成化、光路调整与固化、底板材料的选择、力学减震和恒温控制等方面都有极高的要求,如图5所示。

 

(图5 高稳定度、高性能光学平台示意图)

 

        4)   高性能磁屏蔽及地磁场主动补偿技术

        空间冷原子钟工作时要求内部磁场的变化小于地磁场的万分之一,同时还要对避免由于空间轨道位置变化而导致地磁场变化的影响,需要采用多层磁屏蔽组件屏蔽外部静磁场辅以内部磁场主动补偿线圈对动态磁场变化进行自动补偿,如图6和图7所示。

 

(图6空间冷原子钟物理单元多层磁屏蔽设计示意图)

 

(图7 空间冷原子钟模拟空间轨道磁场变化试验现场)

 

        5)   高性能低噪声微波频率产生技术

        高性能低噪声微波频率由微波单元产生,同时还实现微波调频、调幅、监控等功能,由于内部有高精度晶振作为原子钟的本地振荡器,该设备对防震和恒温有很高的要求,如图8所示。

 

(图8 微波单元实物照片)

 

        6)   超高真空系统维持及密封技术

        超高真空系统是冷原子实验的基础,其原因是背景气体原子与冷原子样品的碰撞将直接影响冷原子数目和寿命。空间冷原子钟正常运行要求物理单元真空度达到10-8Pa,即内部气压比大气压强小1013倍,并且要具备在长期断电、运输、火箭发射、环境温度变化等条件下维持超高真空的能力。

        7)  高精度光电时序控制技术

        空间冷原子钟要在太空中开展科学实验,包括激光自动稳频、激光冷却原子、原子慢速抛射、微波信号输出、原子钟信号探测和传递等一系列复杂且精密的过程,所有动作要求自动完成,时序控制精度要求达到微秒量级,对软件系统控制提出非常高的要求。   

            

八、 本次空间冷钟任务的完成对后续相关科研发展的意义?

 

        在空间进行科学试验是下一步在基础物理领域获得突破的方向之一,也许也是最重要的方向。而冷原子技术的发展使许多实验的精度大幅度的提高,使原来不可能进行的试验成为可能。冷原子技术作为量子敏感器的关键技术,已经得到充分的发展,目前已经到达了一个阶段,即应用冷原子技术进行科学试验。利用冷原子技术,可以建造如冷原子微波钟,冷原子光钟,冷原子干涉仪,冷原子陀螺仪等量子器件,其精度是以往的经典器件不可能达到的。利用这些器件,可以在物理学的最基础的领域开展前所未有的研究,从而使人类的探索领域得以扩展,如图9所示:

 

(图9 空间冷原子钟技术应用前景)

 

九、 基于空间冷原子钟的相关科研工作,对产业应用、人民生活的意义

 

        空间实验室和空间站建设是我国载人航天计划的重要部分,从载荷体积重量和空间站运行轨道来看,高精度空间冷原子钟适合作为空间站的一个有效载荷。作为精确定位技术的核心技术和关键内容,高精度空间原子钟的研究显得尤为重要。空间冷原子钟的研究将为时间频率基准研究打开新的方向。超高精度空间原子钟除了本身有重要的科学意义,同时作为在空间中最高精度的原子钟,可以成为空间的时间基准,广泛的应用于在空间运行的各类原子钟,包括全球范围内的导航系统的星载原子钟同步比对,其优点是由于没有大气和电离层的扰动,各种星载原子钟在空间的比对相对于地面钟的比对更容易而且精确。同时,空间冷原子钟能对地面钟实现超高精度的比对,从而提高全球的时间同步精度,高精度原子钟和时间频率传输技术将会更好地服务于将来的导航定位系统。因此,要实现更高精度的全球时间同步,建立新一代的时间频率基准,空间超高精度冷原子钟的研究是关键的一步。

 

十、 相关科普知识:原子钟的时间精度概念是什么?

 

        反映原子钟性能的最主要的两个参数是原子钟的稳定度和准确度,这两个参数既有联系,又有差别。为方便起见,在没有具体指明那个参数的时候,一般用原子钟精度表示原子钟的稳定度和准确度两个参数,高精度意味着高稳定度和高准确度。

 

十一、      相关科普知识:人类对时间精度追求的历程如何?

 

        在人类文明进步和科学技术发展的历史长河中,人类活动的社会需求与时间测量精度的水平是密不可分的。远古时期,人们利用天体的周期性运动来记录时间,日出而作,日落而息,这种通过观察太阳和月亮相对自己的位置等自然现象来模糊的定义时间,可称之为自然钟。随着古代文明的进步,人们逐渐发明了如日晷、水钟、沙漏等计时装置,能够指示时间按等量间隔流逝,标志着人造时钟开始出现。当钟摆等可长时间反复周期运动的振荡器出现后,人们把任何能产生确定振荡频率的装置称为时间频率标准,并以此为基础建立了真正可持续不断运转的时钟。如图16所示意,从14世纪到19世纪中叶的500年间,人们首先采用了的古老的摆轮钟代替了自然钟,(精度约为10-2量级,误差约为1刻钟/天),然后在钟摆装置的基础上逐渐发展出日益精密的机械钟表,使机械钟的计时精度达到基本满足人们日常计时需要的水平(精度最高达到108量级,误差约为1秒/年)。从20世纪30年代开始,随着晶体振荡器的发明,小型化、低能耗的石英晶体钟表代替了机械钟,广泛应用在电子计时器和其它各种计时领域,一直到现在,成为人们日常生活中所使用的主要计时装置。从20世纪40年代开始,现代科学技术特别是原子物理学和射电微波技术蓬勃发展,科学家们利用原子超精细结构跃迁能级具有非常稳定的跃迁频率这一特点,发展出比晶体钟更高精度的原子钟。1967年第13届国际计量大会将时间“秒”进行了重新定义:“1秒为铯原子(133Cs)基态的两个超精细能级之间跃迁所对应的辐射的9192631770个周期所持续的时间”。自从有了原子钟,人类计时的精度以几乎每十年提高一个数量级的速度飞速发展,20世纪末达到了10-14量级,即误差约为1秒/30万年。近30年间,随着激光冷却原子技术的发展,利用激光冷却的原子而制造的冷原子钟使时间测量的精度进一步提高,目前冷原子喷泉钟精度已经达到了1016量级,即误差1秒/3亿年。而采用更高工作频率的光钟,其最高精度可达1018量级,误差小于1秒/50亿年。未来科学家们的目标将是制造出在整个宇宙的生命周期内永远不会走偏的时钟。

 

(图16  时钟的历史演变图例)

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