超高靈敏原子自旋慣性測量裝置堿金屬氣室技術(shù)研究.pdf

1、隨著量子技術(shù)的發(fā)展，近年來新興起的原子自旋陀螺已成為繼機(jī)械陀螺、光學(xué)陀螺、微機(jī)電陀螺之后的一類新陀螺。無自旋交換弛豫態(tài)下(Spin-Exchange Relaxation-Free，SERF)原子自旋弛豫時間、相干性，以及原子密度均得到增強，可提高信號信噪比，為原子自旋陀螺儀發(fā)展成為下一代高精度陀螺儀提供了有利條件。堿金屬氣室作為SERF原子自旋陀螺儀的敏感表頭，是決定慣性測量指標(biāo)的核心之一。本文開展了超高靈敏慣性測量裝置堿金屬氣室技術(shù)

2、研究，包括:SERF超高靈敏慣性測量機(jī)理分析與模型研究、堿金屬氣室光學(xué)特性研究、堿金屬氣室內(nèi)部原子配比控制與檢測方法研究和原子源弛豫特性測試等內(nèi)容。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴針對SERF超高靈敏慣性測量，結(jié)合SERF磁場測量和惰性氣體超極化建立動力學(xué)模型并進(jìn)行相應(yīng)的實驗驗證。理論結(jié)合實驗分析自旋交換光抽運作用下惰性氣體核自旋的超極化過程，提出一種基于SERF磁場測量裝置測量惰性氣體原子旋磁比的方法。該方法成功地辨識了惰性氣體3H

3、e、21Ne和129Xe，另一方面驗證了SERF磁場測量裝置對超極化后的惰性氣體所形成極弱磁化場的測量能力，保障了實驗的可靠性。⑵針對系統(tǒng)工作狀態(tài)下堿金屬氣室內(nèi)部熱分布難以評估的問題，提出一種基于光學(xué)深度理論的非接觸式測量方法，該方法成功地測量出了氣室內(nèi)部的熱分布，以及氣室內(nèi)部達(dá)到熱平衡所需的時間;基于此改進(jìn)氣室的加熱布局，重復(fù)測量，氣室內(nèi)部達(dá)到熱平衡的時間縮短了約10 min;該方法為烤箱結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和系統(tǒng)穩(wěn)定時間的判定，提供了測試依據(jù)

4、;針對堿金屬氣室自身光學(xué)參數(shù)無損檢測的問題，在等傾干涉原理的基礎(chǔ)上，提出一種多通道交叉調(diào)制的方法測定堿金屬氣室的壁厚及折射率。該方法通過對測量信號進(jìn)行方波調(diào)制，并同時加入?yún)⒖夹盘栠M(jìn)行解調(diào)，有效地提高了信噪比，相對于普通的等傾干涉方法，壁厚和折射率的測試誤差分別由之前的6.9％和2.6％降低至0.6％和0.14％。⑶針對堿金屬氣室內(nèi)部堿金屬原子配比與檢測的問題，提出一種基于光譜吸收理論的氣室內(nèi)部堿金屬原子配比的檢測方法，建立了氣室內(nèi)部堿金

5、屬原子配比的標(biāo)定模型;該方法解決了氣室內(nèi)部堿金屬原子比例無法實時定量監(jiān)測的問題，測量誤差在10％以內(nèi);針對堿金屬氣室內(nèi)部氣體原子配比與檢測的問題，提出一種基于壓差控制的氣體原子配比控制方法，并根據(jù)堿金屬原子在氣體中的吸收光譜測量氣室內(nèi)部的氣體壓強，該方法解決了氣室內(nèi)部氣體原子配比的控制與檢測問題。⑷針對SERF超高靈敏慣性測量裝置在外磁場作用下的響應(yīng)，提出采用時域分析方法研究系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)，包括:瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。該方法將控制理論與原