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空间冷原子钟工作原理图,空间冷原子钟的用途揭秘

2018-02-07 来源: 责任编辑:

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  天宫二号将要在2016年的中秋节晚上22点发射升空,这次的天空二号空间实验室搭载了许多科研设备,其中有一个叫做空间原子钟的设备最为让广大网友们津津乐道,原子钟听起来就非常的科幻。那么原子钟是这个东西是干嘛用的?现在人类的计时设备已经够多了,为什么还需要原子钟呢?原子钟的工作原理又是如何的呢?今天我们详细解答。

  空间冷原子钟工作原理图:

  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四大组成部分,每个单元都有非常高的技术指标,其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。预计微重力环境下所获得的Ramsey中心谱线线宽可达0.1 Hz,比地面冷原子喷泉钟谱线窄一个数量级,利用该谱线反馈到本地振荡器即可获得高精度的时间频率标准信号。

  

空间冷原子钟工作原理图,空间冷原子钟的用途揭秘

 

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  资料图:空间冷原子钟工作原理图

  由于空间冷原子钟可以在太空中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,从而避免大气和电离层多变状态的影响,使得基于空间冷原子钟授时的全球卫星导航系统具有更加精确和稳定的运行能力。

  空间冷原子钟的成功将为空间高精度时频系统、空间冷原子物理、空间冷原子干涉仪、空间冷原子陀螺仪等各种量子敏感器奠定技术基础,并且在全球卫星导航定位系统、深空探测、广义相对论验证、引力波测量、地球重力场测量、基本物理常数测量等一系列重大技术和科学发展方面做出重要贡献。

  

空间冷原子钟工作原理图,空间冷原子钟的用途揭秘

 

  资料图:空间冷原子钟的典型应用

  人类的活动范围没有极限,对时间测量标准的要求也就没有极限。

  空间冷原子钟的用途揭秘:

  超高精度的原子钟,是卫星导航等领域的关键核心技术。卫星导航的基本原理是,精确测量微波信号从卫星到达目标所用的时间,可获得卫星和目标之间的准确距离。因此,测量时间的精度,直接影响定位准确度。常温下,原子都有大约每秒几百米的热运动,导致原子和电磁波作用时间短,影响原子钟的精度。目前GPS和北斗上使用的原子钟,精度仅到纳秒(10的负9次方秒)级,故民用GPS的导航精度在十几米左右。上世纪九十年代,美籍华人朱棣文发明了激光冷却原子的技术,可以用几束激光把原子团冷却到绝对零度附近,也就是让原子几乎一动不动。当把这种冷却后的原子放进微波场的时候,原子与微波的作用时间大大加长,使得原子钟的精度显著提高。这就是达到皮秒(10的负12次方秒)量级的“冷原子钟”。但是,原子团在进入微波场后,由于重力作用,速度很快会变大,从而对冷原子钟的精确度产生影响。因此,在太空无重力或微重力环境下的“空间冷原子钟”,理论上应当更为精确,这也是天宫二号搭载“空间冷原子钟”的意义所在。“空间冷原子钟”试验若成功,或将使“北斗导航”的精度达到厘米级。