超高灵敏原子自旋惯性测量装置碱金属气室技术研究

摘要

随着量子技术的发展，近年来新兴起的原子自旋陀螺已成为继机械陀螺、光学陀螺、微机电陀螺之后的一类新陀螺。无自旋交换弛豫态下(Spin-Exchange Relaxation-Free，SERF)原子自旋弛豫时间、相干性，以及原子密度均得到增强，可提高信号信噪比，为原子自旋陀螺仪发展成为下一代高精度陀螺仪提供了有利条件。碱金属气室作为SERF原子自旋陀螺仪的敏感表头，是决定惯性测量指标的核心之一。本文开展了超高灵敏惯性测量装置碱金属气室技术研究，包括:SERF超高灵敏惯性测量机理分析与模型研究、碱金属气室光学特性研究、碱金属气室内部原子配比控制与检测方法研究和原子源弛豫特性测试等内容。
　　本研究主要内容包括：⑴针对SERF超高灵敏惯性测量，结合SERF磁场测量和惰性气体超极化建立动力学模型并进行相应的实验验证。理论结合实验分析自旋交换光抽运作用下惰性气体核自旋的超极化过程，提出一种基于SERF磁场测量装置测量惰性气体原子旋磁比的方法。该方法成功地辨识了惰性气体3He、21Ne和129Xe，另一方面验证了SERF磁场测量装置对超极化后的惰性气体所形成极弱磁化场的测量能力，保障了实验的可靠性。⑵针对系统工作状态下碱金属气室内部热分布难以评估的问题，提出一种基于光学深度理论的非接触式测量方法，该方法成功地测量出了气室内部的热分布，以及气室内部达到热平衡所需的时间;基于此改进气室的加热布局，重复测量，气室内部达到热平衡的时间缩短了约10 min;该方法为烤箱结构的改进和系统稳定时间的判定，提供了测试依据;针对碱金属气室自身光学参数无损检测的问题，在等倾干涉原理的基础上，提出一种多通道交叉调制的方法测定碱金属气室的壁厚及折射率。该方法通过对测量信号进行方波调制，并同时加入参考信号进行解调，有效地提高了信噪比，相对于普通的等倾干涉方法，壁厚和折射率的测试误差分别由之前的6.9％和2.6％降低至0.6％和0.14％。⑶针对碱金属气室内部碱金属原子配比与检测的问题，提出一种基于光谱吸收理论的气室内部碱金属原子配比的检测方法，建立了气室内部碱金属原子配比的标定模型;该方法解决了气室内部碱金属原子比例无法实时定量监测的问题，测量误差在10％以内;针对碱金属气室内部气体原子配比与检测的问题，提出一种基于压差控制的气体原子配比控制方法，并根据碱金属原子在气体中的吸收光谱测量气室内部的气体压强，该方法解决了气室内部气体原子配比的控制与检测问题。⑷针对SERF超高灵敏惯性测量装置在外磁场作用下的响应，提出采用时域分析方法研究系统的动态响应，包括:瞬态响应和稳态响应。该方法将控制理论与原子物理结合，运用到系统的响应测试过程中，分析了在不同磁场条件下，系统的阻尼比、自由振荡频率等参数，给出了系统稳态的判定依据。

目录

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摘要

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表列清单

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 基于SERF效应的原子自旋惯性测量研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 碱金属气室技术研究现状

1．3．1 碱金属气室研制设备研究现状

1．3．2 气室壁厚及折射率检测方法研究现状

1．3．3 气室内部原子配比与检测研究现状

1．4 论文研究目标与章节安排

1．4．1 论文研究目标

1．4．2 论文章节安排

第二章 SERF超高灵敏惯性测量机理分析与模型研究

2．1 引言

2．2 SERF超高灵敏磁场测量的机理分析

2．2．1 SERF超高灵敏磁场测量的物理描述

2．2．2 SERF超高灵敏磁场测量的动力学分析

2．3 惰性气体超极化的机理分析

2．3．1 惰性气体超极化的物理描述

2．3．2 惰性气体超极化的动力学分析与实验

2．4 SERF超高灵敏惯性测量的机理分析

2．4．1 SERF超高灵敏惯性测量的物理描述

2．4．2 SERF超高灵敏惯性测量的动力学分析与实验

2．5 本章小结

第三章 碱金属气室光学特性研究

3．1 引言

3．2 碱金属气室内部光学深度的分析与测量

3．2．1 光学深度在气室热平衡中的应用

3．2．2 气室温度对输出信号的影响分析

3．2．3 气室内部热平衡的测量

3．3 碱金属气室光学参数的分析与测量

3．3．1 气室光学参数特性对输出信号的影响分析

3．3．2 气室光学参数的测量

3．4 碱金属气室的研制

3．4，1 碱金属气室研制平台

3．4．2 制作流程设计与实现

3．5 本章小结

第四章 碱金属气室内部原子配比控制与检测方法研究

4．1 引言

4．2 碱金属原子配比与检测方法

4．2．1 碱金属配比的控制与检测

4．2．2 碱金属的制备

4．3 气体原子配比与检测方法

4．3．1 气体原于配比控制方法

4．3．2 气体原于的检测方法

4．4 本章小结

第五章 系统综合测试

5．1 引言

5．2 惰性气体原子类别测试

5．3 原子源弛豫特性测试

5．3．1 超极化惰性气体核子的纵向弛豫时间测试

5．3．2 超极化惰性气体核子的横向弛豫时间测试

5．4 超极化惰性气体核子的磁化场测试

5．5 惯性测量灵敏度及漂移测试

5．6 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间的科研工作和学术活动