空间冷原子钟
空间冷原子钟
从日晷、漏刻计时器（水钟、沙漏等）的出现，到摆钟、石英晶体钟的发明，人类对于时间的把握越来越精确。
而从1948年第一台原子钟发明至今，人类计时的精度更是以几乎十年一个数量级的速度提高。
2016年9月，由中国科学家研制的世界上第一台在轨进行科学实验的空间冷原子钟（space cold atomic clock），随着中国的天宫二号空间实验室发射升空。
空间冷原子钟这一“高冷”的术语带着国人的热情与自豪，成为热词。
空间冷原子钟的原理是将激光冷却原子技术与空间微重力环境相结合，在空间轨道上获得比地面上的线宽要窄一个数量级的原子钟谱线，从而进一步提高原子钟精度。
这是原子钟发展史上又一个重大突破，在计量学、基础物理、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。
●中科院上海光机所研制的“空间冷原子钟”搭载“天宫二号”发射升空，将成为国际上首台在轨运行并开展科学实验的“空间冷原子钟”，同时也是目前在空间运行的最高精度的原子钟。
“空间冷原子钟”将激光冷却技术和空间微重力环境结合，有望实现10-16量级的超高精度（约3000万年误差1秒），将目前人类在太空中的时间计量精度提高
1～2个数量级。
――《空间冷原子钟专题》（中国科学院上海光学精密机械研究所官网，2017年9月）
●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。
――《超高精度空间冷原子钟》（中国科学院空间应用工程与技术中心官网，2016年9月6日）
●空间冷原子钟研制和运行的成功对于基础物理学的研究及科技的应用都意义非凡，比如：空间站内的冷原子钟对卫星上的传统热原子钟进行不受地球大气影响的校准，以及与地面喷泉原子钟形成空-地、地-空、地-地的完整校准。
由于卫星全球定位系统的核心技术就在于原子?的精准度，空间冷原子钟的在轨持续运行会大幅度地提高GPS的定位精
确度。
――《天宫二号里那块优雅的“手表”――空间冷原子钟》（《自然杂志》，第39卷，第1期，2017年2月）。
原子钟的几种常见类型
原子钟的几种常见类型摘要 本文按出现的时间顺序介绍几种常用原子钟(光谱灯抽运铷原子钟、光谱灯抽运铯原子钟、磁选态铯原子束钟、激光抽运铯原子束钟、激光冷却冷原子喷泉钟、积分球冷却原子钟)的基本原理。
原子钟是利用原子或分子的能级跃迁的辐射频率来锁定外接振荡器频率的频率测量标准装置的俗称，通称为量子频率标准或原子频标。
其工作原理可用图1来描述：图1一个受控的标准频率发生器产生的信号经过倍频和频率合成转换成为频率接近于原子跃迁频率的信号，激励原子产生吸收或受激发射的频率响应信号，呈共振曲线形状，称为原子谱线，其中心频率即原子跃迁频率为ν0，线宽为Δν。
若经过转换的受控振荡器频率与原子跃迁频率不符，原子做出的响应信号通过伺服反馈系统来矫正振荡频率，直到使其与原子频率符合为止。
这样就使受控振荡器频率始终稳定在原子跃迁频率上，从而实现使其振荡频率锁定于原子跃迁频率的目的。
光谱灯抽运铷原子钟 光抽运汽室频标用碱金属原子基态两个超精细结构能级之间跃迁的辐射频率作为标准频率，它处在微波波段。
在磁场中，这两个能级都有塞曼分裂，作为标准频率的跃迁是其中两个磁子能级m F =0之间的跃迁，它受磁场影响最小。
若用合适频率单色光照射原子系统，使基态一个超精细能级上的原子被共振激发，而自发辐射回到基态时可能落到所有能级，原子就会集中到一个基态能级，极大地偏离玻尔兹曼分布，这就是光抽运效应。
这里选择抽运光起着关键作用。
在20世纪60年代初，激光器刚发明尚无法利用，唯一可用的共振光源是光谱灯。
一般光谱灯是由同类原子发光，它的光谱成分能使基态两个超精细能级上的原子都被激发，因而不能有效地实现选择吸收，起到光抽运作用。
幸好对铷原子，可以有一个巧妙的办法。
铷原子有两种稳定同位素：Rb 85和Rb 87，其丰度分别为72. 2%和27. 8%。
它们各有能级间距为3036MHz 和6835MHz 的两个超精细能级，其共振光的频率分布如图2所示。
天宫二号上开展的十项空间实验
天宫二号上开展的十项空间实验作者：安利来源：《百科知识》2016年第21期如果说天宫一号是为了解决交会对接问题而发射的一个目标飞行器，那么天宫二号则是中国第一个真正意义上的空间实验室，将开展14项科学研究实验。
下面就介绍其中的一些实验。
1.空间冷原子钟这是全球首台在轨运行的冷原子钟。
目前投入应用的精度最高的冷原子钟是利用激光冷却和囚禁原子技术的（铯原子）喷泉钟，而空间冷原子钟借助太空微重力环境，把冷原子钟所能达到的精度又提高了一两个数量级，意味着这个钟在太空运行约3000万年才会产生1秒的误差。
这将大幅提高我国“北斗”导航系统的定位精度，甚至可以达到厘米级的程度。
2.“天极”望远镜天宫二号携带了全球首个高灵敏度伽马射线暴偏振探测仪——“天极”望远镜。
此项目由中国和瑞士合作开展，是中国空间天文“黑洞探针”计划的组成部分。
“天极”用1600个敏感元件，组合成如同昆虫“复眼”一般的探测器阵列，来观测伽马射线的偏振现象。
当恒星演化到最后时刻以及两个黑洞或者中子星最后并合在一起的时候，会伴随强烈的伽马射线的爆发。
这种爆发的能量要比超新星爆发的总能量还高成千上万倍，被认为是宇宙大爆炸之后最剧烈的天体爆发现象。
偏振信息是研究伽马暴现象的重要参考信息。
3.量子密钥分配世界第一条量子保密通信主干线路“京沪干线”即将建成，而为了实现更远距离的量子保密通信，除了继续建设地面光纤网络以外，还需要借助天上的多个飞行器，实现光纤无法覆盖区域的空-地间量子密钥分配。
天宫二号上的“量子密钥分配”载荷就是以实现空-地间实用化的量子密钥分配为目标，通过天上发射一个个单光子并在地面接收，生成“天机不可泄露”的量子密钥。
4.热毛细对流实验在流体的交界面上存在着分子与分子之间的相互作用力也就是表面张力。
当流体交界面上的温度分布不均匀时，就会造成在不同的位置表面张力的大小不同，从而形成驱动流体流动的现象，即热毛细对流。
热毛细对流现象在实际工业生产中有着广泛的应用，特别是高质量晶体生长过程。
梦天实验舱创造历史,将搭载世界首套冷原子钟组,它到底有多强？
梦天实验舱创造历史,将搭载世界首套冷原子钟组,它到底有多强10月31日，梦天号实验舱成功发射，中国天宫空间站的主体建设已经完成，只剩下最后一个巡天望远镜，但更重要的是梦天号也创下了数个世界之最。
首先它的尺寸和问天号一样，并列为世界上体积最大的空间站舱段，其次它搭载了世界上第一套空间冷原子钟组，它的精准度高得惊人，可以在数亿年时间里控制误差在1秒以内，成功打破了世界纪录。
其实早在2016年，中国天宫二号试验飞船就已经搭载了全球首台冷原子钟，而这次冷原子钟组就是在它的基础上进行全方面升级。
对于中国来说，这是一个值得我们所有人铭记的事件，因为原子钟被称为导航系统的“心脏”，难度系数非常高，也是大型航天器必不可少的设备。
在原子钟上，我们航天人曾经吃足了苦头，不仅长期被欧美技术封锁，而且各种胁迫手段层出不穷，比如拒绝售卖、逼我们签下霸王条款、临时涨价、拖延成品交付，这些都不说了，甚至有一次直接毁约，差点让我们的航天事业遭遇重大挫折。
可以说，在华为身上遇到的问题，早在原子钟上就已经上演过了。
那么问题来了，梦天实验舱上为啥要用这么多的原子钟呢？中国原子钟又是如何实现逆天翻盘的呢？大家好呀，我是熊猫，今天把星载原子钟背后的故事说清楚。
梦天舱之所以搭载这么多原子钟，主要与它的研究有关系，我们的空间站有2个实验舱，它们都是用来研究基础学科的，不过问天舱主要是生物类的研究，所以配置了生物技术、变重力科学等实验柜。
而梦天舱则更偏向物理的微重力学科，而它上面的冷原子钟组就是为科学研究服务的，它由氢原子钟、铷原子钟、锶光学钟共三种高精度的原子钟组成，这三种原子钟的原理类似，都是利用原子的跃迁时，产生的电磁波共振频率来计时的。
咋一听着好像很复杂，其实它的原理和钟摆差不多。
钟摆是用摆动作为时间频率的标准，而原子钟顾名思义就是利用原子的电磁波频率标准，咱们不需要了解得太深，只要知道这个频率非常快，所以以它为参照物做出来的装备，可以达到非常精确的地步。
空间冷原子钟 激光冷却
空间冷原子钟激光冷却空间冷原子钟是一种利用激光冷却技术的高精度时钟，它在太空探索和卫星导航领域具有广泛的应用前景。
激光冷却技术是一种通过激光束与原子相互作用，使原子减速冷却的方法，可以将原子冷却到极低的温度，从而提高时钟的精度和稳定性。
空间冷原子钟的工作原理如下：首先，利用激光束对原子进行冷却，使得原子的动能减小，温度降低到几个微开尔文。
这样，原子的热运动将受到限制，使得时钟的频率漂移和相对不稳定度大大降低。
其次，利用激光束对冷却后的原子施加光场，使原子的能级发生跃迁，从而产生高精度的频率。
最后，利用激光的干涉测量技术，可以准确地测量原子的频率，从而实现时钟的精确计时。
空间冷原子钟具有许多优势。
首先，它的时钟精确度非常高，可以达到纳秒级。
这对于卫星导航和太空探索非常关键，可以提供高精度的时间基准。
其次，它的稳定性很好，可以长时间保持高精度计时。
这对于测量地球的引力场、进行星际导航等精密应用非常有帮助。
另外，空间冷原子钟的体积小，重量轻，耗电低，适合在太空环境中使用。
目前，空间冷原子钟已在一些卫星中得到应用。
例如，欧洲空间局的Gaia卫星和NASA的Deep Space Atomic Clock卫星，都使用了空间冷原子钟技术。
这些卫星通过精确测量原子的频率，可以提供高精度的导航、位置和时间信息。
此外，空间冷原子钟还有广阔的研究前景。
未来，随着激光技术的不断发展和空间冷原子钟技术的不断改进，空间冷原子钟有望在更多领域得到应用，如导航系统的发展、卫星通信等。
总之，空间冷原子钟是一种利用激光冷却技术的高精度时钟，具有精度高、稳定性好、体积小等优势，适合在太空环境中使用。
它的应用前景广阔，已经在卫星导航和太空探索领域取得了一定的成果。
未来，我们可以进一步研究和改进空间冷原子钟技术，以提高其精度和稳定性，为太空探索和导航应用提供更可靠的时间基准。
“不明觉厉”,天宫二号上的实验
“不明觉厉”，天宫二号上的实验太空中与地面显著不同的环境条件，使得人类一旦将飞行器发射上天，总要想方设法携带一些仪器、材料进行科学实验。
我国的天宫二号也不例外，并且，它要开展的各类实验达到了史无前例的14项，涉及微重力基础物理、空间材料科学、空间生命科学等多个领域，其中两项由航天员直接参与操作，还有一项国际合作。
这让它成为我国史上实验任务最多的太空飞行器。
这些实验包括哪些内容，能对我们的生活产生什么影响？一起来看看其中的几个代表吧。
“小蜜蜂”探寻伽玛暴首先登场的是“小蜜蜂”，这也是此次天宫二号空间实验室上唯一的一项国际合作实验项目。
它的大名叫“天极”（POLAR），全称“伽玛暴偏振探测仪”。
科学家们之所以给它取了这个昵称，是因为这个仪器是由1600根塑料闪烁棒组成一个阵列，犹如1600个小眼组成一只蜜蜂的复眼。
从全名可知，这只“复眼”不是用来看一般的东西，而是用来探测宇宙中最闪耀的爆炸——伽玛暴。
宇航员王亚平在天宫一号内，为地球上的观众们表演了一回太空中的小实验。
伽玛射线是能量最强的电磁波，它的能量比可见光大几十万倍以上。
伽玛射线暴（简称伽玛暴）是来自宇宙空间的伽玛射线短时间突然增强的现象。
虽然伽玛暴的持续时间长者只有数百秒，短者更是不足数十毫秒，但释放的能量几乎抢了整个宇宙的风头，瞬时亮度甚至有可能胜过全宇宙其他天体的总和。
1997年12月14日发生一次伽玛暴，距离地球远达120亿光年，在50秒内所释放出的伽玛射线能量就相当于整个银河系200年的总辐射能量。
这次伽玛暴持续时间在一两秒内，其亮度与除它以外的整个宇宙一样明亮。
因此，人们把这样壮丽的景象，称为恒星最后的“生命之花”。
但这样的“生命之花”对真正的生命却会带来毁灭：伽马射线对生物有极强的杀伤力。
伽玛暴在宇宙中随时随地可能发生，对我们的影响有多大，取决于伽玛暴的距离。
如果发生在100光年内，且正好对准地球，事情就糟糕了。
有人认为，伽玛暴可能是导致地球4.5亿年前的奥陶纪大灭绝事件（第一次生物大灭绝）的原因之一，在那次事件中，85%的海洋生物灭绝。
军队文职-政治理论-科技生活-高新科技练习一
军队文职-政治理论-科技生活-高新科技练习一[单选题]1.下列科技常识中，表述有误的一项是()。
A.计算机网络是指在地理上分散布置的多台独立计算机通过通信线路互联构成的系统B.信息高速公路是（江南博哥）以多媒体为车、以光纤为路的高信息流量的信息网络C.信息技术是高技术的前导，以通信技术为基础D.纳米材料是一种既不同于原子、分子，也不同于宏观物质的特殊性能的物质构成的材料正确答案：C参考解析：信息技术是指信息的获取、传递、处理等技术的总称。
它是高技术的前导，信息技术以微电子技术为基础，包括通信技术、自动化技术、微电子技术、光电子技术、光导技术、计算机技术和人工智能技术等。
C项错误。
故本题选C。
[单选题]3.仿生是模仿生物系统的功能和行为，来建造技术系统的一种科学方法。
下列仿生产品与其对应的模仿动物错误的是()。
A.探路仪——海豚B.探热器——响尾蛇C.防毒面具——野猪鼻子D.振动陀螺仪——苍蝇的楫翅正确答案：A参考解析：A项，探路仪是根据蝙蝠发出超声波的原理来设计的，A项对应错误；B项，探热器是根据响尾蛇的颊窝利用红外线感应附近发热动物的原理设计的；C项，野猪在嗅到刺激性气体时把嘴拱到泥土中，由于猪嘴的特殊构造，从而避免中毒，这就是防毒面具的仿生学原理；D项，在苍蝇前面的翅膀后，长着一对哑铃一样的小棒，这对小棒叫作楫翅，也叫平衡棒，是“天然导航仪”，人们模仿它制成了“振动陀螺仪”。
故本题选A。
[单选题]4.光纤通信中传递光信号的光源是()。
A.普通电光源B.激光光源C.水银灯光源D.什么光源都有正确答案：B参考解析：由于激光具有高方向性、高相干性、高单色性等显著优点，光纤通信中的光波主要是激光。
故本题选B。
[单选题]5.与新能源汽车行业发展成正相关关系的行业是()。
A.石化行业B.煤炭行业C.充电桩行业D.机器人行业正确答案：C参考解析：新能源汽车是指采用非常规的车用燃料作为动力来源(或使用常规的车用燃料、采用新型车载动力装置)，综合车辆的动力控制和驱动方面的先进技术，形成的技术原理先进、具有新技术、新结构的汽车。
“天宫二号”里的空间冷原子钟
“天宫二号”里的空间冷原子钟作者：中国科学院上海光学精密机械研究所来源：《军事文摘·科学少年》2017年第03期从日晷到冷原子钟在人类文明进步和科学技术发展的历史长河中，人类活动所带来的社会需求与时间测量的精度是密不可分的。
很久很久以前，我们的祖先记录时问是利用天体的周期性运动。
他们日出而作，日落而息，通过观察自然现象，例如太阳和月亮相对自己的位置来模糊地定义时间，这样的时间被称为自然钟。
后来，人们逐渐发明了日晷、水钟、沙漏等计时装置，能够指示时间按等量间隔流逝，这也标志着人造时钟开始出现。
而当钟摆等可长时间反复周期运动的振荡器出现后，人们把任何能产生固定振荡频率的装置，统称为时间频率标准，并以此为基础发明了真正可持续运转的时钟。
从14世纪到19世纪中叶的500年问，人们首先采用古老的摆轮钟代替了自然钟（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（误差约为1秒/年）。
从20世纪30年代开始，小型化、低能耗的石英晶体钟表代替了机械钟，成为人们日常生活中所使用的主要计时装置。
总而言之，“时间”已成为现代科学技术中测量准确度最高的基本物理量。
人类通过不断提高影响时间测量精度的长度、磁场、电场、温度等其它基本物理量的测量精度，从而不断提高时间测量精准度。
20世纪40年代开始，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。
自从有了原子钟，人类计时的精度以几乎每10年提高一个数量级的速度飞速发展。
到20世纪末，计时误差约为1秒/300万年，在此基础上建立的全球定位导航系统（例如美国的GPS），覆盖了整个地球98%的表而，将原子钟的信号广泛地应用到人类活动的各个领域。
随着激光冷却原子技术的发展，利用激光冷却的原子制造的冷原子钟使时间测量的精度进一步提高。
到目前为止，地而上精确度最高的冷原子喷泉钟误差已经减小到1秒/3亿年，更高精度的冷原子光钟也在飞速发展中。
空间冷原子钟 激光冷却
空间冷原子钟激光冷却
空间冷原子钟是一种利用激光冷却技术来冷却原子并实现高精度时间测量的装置。
激光冷却是一种通过激光与原子相互作用，利用光压效应将原子从高能量状态冷却至低能量状态的技术。
在激光冷却过程中，激光束与原子发生相互作用，将原子的动能减小，使其运动速度降低，从而冷却原子。
空间冷原子钟利用激光冷却技术将原子冷却至极低温度，通常在微开尔文级别。
冷却后的原子在真空条件下将保持低温状态，并在该状态下实现高精度的时间测量。
空间冷原子钟的原理是利用冷却后的原子的共振频率与时间的关系来测量时间。
相比传统的原子钟，空间冷原子钟具有更高的精度和稳定性。
它可以在微小的时间尺度上进行测量，可用于高精度的时间标准、导航系统和测量科学等领域。
空间冷原子钟的发展对于实现空间探测任务中高精度时间测量的需求至关重要。
它具有在微重力和极端环境条件下稳定工作的特点，可以应用于太空探测器和航天任务中，提供高精度的时间标准和导航精度。
空间冷原子钟及其科学应用
载人航天 ２ １ 年第 １ ０１ 期
空 间冷原子钟及其科学应用
吕德 胜 刘 亮 王 育 竹
（ 中国科 学 院上海 光 学精 密机 械研 究所 ）
摘 要 空 间冷 原子 钟是 利 用 空间微 重 力环 境 实现 的喷 泉 冷原 子钟 。作 为 空 间精 度 最
高的频 率标 准 ，在微 重 力环境 下 ，原子 和 微 波相 互 作 用 时 间的增 加 将极 大提 升 冷原 子钟 的 稳 定度 。 简述 了空 间冷原 子钟 原 理 ，介 绍 了基 于 空 间站 的 高精度 冷原 子钟 和 双 向微 波 传输 系统在 高技 术 和基 础物 理 方面 的应 用。
４ ７
载人航天 ２ １ 年第 １ ０１ 期
振 荡器
成果 应用
比一 定情 况下 ， 得 的鉴 频谱 线越 窄 ， 获 原子 钟性 能就 越好 。图 １ｂ和图 １ｃ说 明了原子 与单个 微波 腔 和 － －
号输出
ａ： 校准信 号 ）
分离微 波 腔作用 情 况下取 得 的鉴频 谱 线宽度 。可 以 看 出 ，原 子和微 波 相互作 用 时 间越 长 和谱 线谱 线宽 度是 反 比关 系 。 目前一般 商 品原子 钟 都是利 用 热原
原 子 和 微 波相 互 作 用
ｊ ） 固 ：
—
鉴频 谱线１
子样 品 ， 热运 动速 度一般 在 每秒几 百 米 ， 用 激光 其 利 冷却 后 的原 子 样 品 热 运 动 速 度 一 般 在 每 秒 几 个 厘
的活动 范 围越 广泛 ， 对计 时标 准 的要 求 就越高 。 目前 投人 应 用 的精 度 最 高 的原 子 钟是 喷 泉 钟 ， 各 国喷 泉钟 实 现 国际秒 定 义 准确 度 在 （．～）１ ０６ ３ｘ ０ ｓ 之 间ｆ １ 。喷泉 钟有 如此 高 的精度 主要 原 因是激 光 冷 却 技术 的应 用 ， 以前 的铯束原 子 钟相 比 ， 和 冷原 子 喷
误差最小的钟表——空间冷原子钟
伴 随 着 “ 天 宫 二号 ” 的发 射 ， 一 台
窑闻冷原子钟
运 动 对原 子钟 性能 的 影响 。
圆 柱
此外 ， 利 用激 光冷 却技 术 ， 将 原 子 气 体 冷
敏感 器 奠定 了技 术 基 础 ， 而 且 在 不 久 的 将 来
一
这 台冷 原子 钟将 时 间精度 提升 了 １ Ｏ倍 。
机 械 表 １天 差 不 多 有 １ Ｓ误 差 ， 石 英 表
１ ０天 大 概 有 １ Ｓ误 差 ， 氢 原 子 钟 数 百 万 年 有
１ ｓ 误 差 ， 而 这 台 冷 原 子 钟 则 可 以 做 到 ３ ０ ０ ０
物 理 篇 社 会 热 点 关 注 高二使用 ２ ０ １ ６年 １ ２月 下
在“ 微 重 力 ” 环境 下 ， 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 而可 以获 得更 高精 度 的原 子钟 信 号 ， 实
原 子钟更 是 人类 计 时史 上 的一场 革命 。
… 针 ” 会 实 现约 ３ ０ ０ ０ 万 年误 差１ ｓ 的 超 高 同 精 度 ， 是 国 际 首 台
峰 教
在 轨 运 行 并 开 展 科 学 实 验 的 空 间 冷 原
在 历史 长 河 中 ， 人 们 对 于 时 间一 直有 自 己 的 判 断 和 计 量 方 法 ，日 晷 、 水钟、 沙 漏 等 计 时 装 置 标 志 着 人 造 时 钟 的 出 现 。 随 着 钟 摆 等 可 长 时 间 反 复 做 周 期 性 运 动 的 振 荡 器 的 出