空间冷原子项目进展

2019年10月26日15:53:16空间冷原子项目进展已关闭评论 112 views

国内外进展

随着航天事业的发展,将激光冷却的、时间精密测量以及超冷原子在太空中实现逐渐受到国内外研究机构的重视,各国深空探测计划正在紧张快速实施。空间环境有利于开展一些地面难以实现或不可能开展的前沿科学研究和工程应用。国内外已经启动的与空间原子钟技术相关基础研究计划有:

  • 依托于国际空间站(International Space StationISS)的欧空局的ACES(Atomic Clock Ensemble In Space) 计划,拟在国际空间站运行一台冷原子铯钟PHARAO和一台主动氢原子钟SHM,以及微波时间频率传递链路MWL,目标是为全球提供较GPS精度高100倍的时间信号或高10倍的频率信号,在科学实验方面希望能过测量引力红移、光速不变性及精细结构常数Α的变化,从而对广义相对论和狭义相对论高精度检验。ACES计划正在进行,预计2018年发射。此外,欧空局拟2024年发射空间光钟系统,但空间站将在2024年退役,此计划是否能实现尚未知。[1][2][3]
  • 依托于落塔和探空火箭,德国具有QUANTUSMAIUS计划。[4] [5]QUANTUS计划主要是利用落塔进行超冷原子实验,QUANTUS-I2010年实现了BEC干涉仪落塔实验,QUANTUS-II实现两种不同原子的原子干涉仪,将在落塔实验中实现;MAIUS计划是由QUANTUS计划发展来的,主要是在太空火箭上开展超冷原子实验,2017123MAIUS-IQUANTUS-III)在太空火箭上实现了Rb原子的BEC,实验持续时间6分钟;MAIUS-IIQUANTUS-IV)将在预计将在2018年发射,目标是在太空火箭上实验K原子的BECRb原子干涉仪。
  • 依托于ISS,由美国宇航局(NASA)所属的喷气推进实验室(Jet Propulsion Lab)将在空间站上建立CAL(Cold Atom Laboratory), 在国际空间站的微重力环境中实现激光冷却,实现BEC[6][7]目前,CAL还处于装配的最后阶段,计划于今年8月由SpaceX CRS-12任务送上国际空间站。
  • 依托于“天宫二号”和中国空间站,中国有空间冷原子钟实验CACES计划、高精度时间频率系统以及空间冷原子物理平台计划。[8][9][10]空间冷原子钟已于20169152204分随“天宫二号”发射升空,在轨运行状况良好[11];预计2020年前后发射空间站实验舱,高精度时间频率系统和超冷原子物理平台将搭乘实验舱升空。

此外,国际上曾经出现的PARCS (Primary Atomic Reference Clock in Space)计划、SUMO (Superconducting Microwave Oscillator)计划、RACE (Rubidium Atomic Clock Experiment)计划等空间冷原子钟和基础物理研究的计划项目,由于经费等各种原因被取消。][13]

国内外正在进行的空间计划中,实现的计划包括德国的QUANTUSMAIUS计划,中国的空间冷原子钟CACES计划。其中,德国的QUANTUS是在落塔上实现的,MAIUS-I是在太空火箭上进行的,于2017年年初实现了BEC,其微重力时间仅仅为6分钟。空间冷原子钟实验CACES搭载中国“天宫二号”发射升空,是目前国内外唯一在空间轨道环境下运行的冷原子钟。

空间冷原子项目进展中国的空间冷原子钟实验自发射升空后已经在轨运行近18个月,实现了空间冷原子钟长期在轨运行,已经首次实现了激光冷却并获得了温度为的冷原子团,获得了线宽小于0.8Hz的冷原子钟鉴频曲线,是国际上目前唯一在轨运行的空间冷原子钟。空间冷原子钟突破了空间激光自动找频和长期稳频技术、长期无源状态下的超高真空保持技术、低功耗集成化磁光阱激光冷却技术、超低噪声空间微波频率综合技术、应用于冷原子钟的高可靠光学系统、微重力环境下铷原子钟环形微波腔技术、在空间轨道实现地磁场主动补偿等一系列重大关键技术,验证了在轨运行环境下超高精度冷原子钟的运行机制。

weinxin
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