[发明专利]一种基于多反射腔的核磁共振原子陀螺仪及实现方法

说明书

本发明涉及一种基于多反射腔的核磁共振原子陀螺仪及实现方法，在含多反射腔的气室中充入碱金属原子和氙气的两种同位素气体。通过极化碱金属原子的自旋交换碰撞将极化传递给惰性气体原子的核自旋。惰性气体原子由激励磁场连续驱动，其频率通过锁相环保持共振，实现陀螺仪的闭环工作。在原子池中引入Herriott多反射腔提高系统的灵敏度，同时可以避免额外调制磁场的引入的干扰，从而提高系统的稳定性。利用内置的铷原子磁力仪获取氙原子的核自旋信号，得到核自旋测到的转动信息，实现陀螺仪的功能。

技术领域

本发明涉及原子器件领域，具体地说是一种基于核磁共振技术，利用多反射腔来提高灵敏度和系统稳定性的核磁共振陀螺仪及实现方法。

背景技术

陀螺仪作为惯性测量的核心部件，一直以来受到了广泛的关注，在军事以及民用领域都有着巨大的需求。其中，原子陀螺仪近些年发展迅速，性能以及实用性等方面都有了快速的进步。在基础物理研究，与惯性测量密切相关的航空，航天，航海以及交通导航等领域都有着很好的应用前景。目前在原子陀螺仪领域主要分为利用原子自旋和原子干涉的陀螺仪。利用原子自旋相关的陀螺仪，可以分为补偿型陀螺仪和核磁共振陀螺仪等。补偿型陀螺仪实验装置复杂，数据处理繁琐，在未来的小型化和实用化过程中可能会遇到众多困难。核磁共振陀螺仪则有可能解决这些问题，但是，核磁共振陀螺仪也遭遇了其他挑战。

核磁共振陀螺仪是利用核自旋-碱金属系统来工作的，我们实验中采用Rb-¹²⁹Xe/¹³¹Xe系统。铷原子在这里具有两个作用，一个是可以通过碰撞来极化氙原子，另一个作用则是作为内置的铷原子磁力仪来探测氙核自旋的进动信号。核自旋磁力仪利用极化的核自旋对磁场的响应来探测磁场的变化，它是核自旋共磁力仪的基础。在惰性气体原子中，氙气与碱金属原子的碰撞截面是最大的。这样，一方面它可以很快地被碱金属极化(极化时间约为1分钟)，另一方面，氙气的极化磁场也可以最灵敏地被碱金属原子磁力仪探测到。探测到的信号经过处理就可以得到转动信息。

充入惰性气体原子后，碱金属原子的驰豫主要受限于其与惰性气体原子之间的碰撞。惰性气体原子核自旋共磁力仪的灵敏度受限于碱金属原子磁力仪的灵敏度，而碱金属原子磁力仪的灵敏度与其共振线宽成反比。目前提出的增加核自旋气体中碱金属原子的探测灵敏度的一些解决方案都需要结合大幅度高频率的磁场调制来实现自旋与环境的解耦，这会对系统带来很大的干扰，影响系统的稳定性。使用多反射腔这种被动的方法则可以在提高灵敏度的同时，大幅降低这种干扰。

从1979年开始，美国的Litton公司和Singer-Kearfott公司分别开展了基于⁸⁷Rb-⁸³Kr/¹²⁹Xe和¹⁹⁹Hg/²⁰¹Hg系统的核磁共振陀螺仪的实验。同年，斯坦福大学也开始进行相关实验并且申请了专利。1980年Singer-Kearfott公司实现的核磁共振陀螺仪的角度随机游走和漂移稳定性分别为0.053°/h^1/2，0.02°/h。1983年Litton公司的指标则达到了0.002°/h^1/2和0.01°/h。1993年在德国的Stuttgart大学的实验在Rb-¹²⁹Xe上得到的角度随机游走为1.7°/h^1/2。美国的Northrop Grumman公司从2005年至2014年分四个阶段达到的角度随机游走和漂移稳定性分别为0.005°/h^1/2，0.02°/h。在国内，许多单位也开展了相关的研究，北京自动化控制设备研究所在2013年成功研制出了核磁共振陀螺仪的样机，并且在2016年做出了小型化样机，他们的样机漂移稳定性好于1°/h。国内的其他单位现阶段更多是在进行核磁共振陀螺仪附属模块的研究，整机的测试结果还没有看到更多的报道。

发明内容