[发明专利]一种富勒烯分子陀螺

摘要

本发明涉及一种富勒烯分子陀螺，其特征是采用富勒烯内嵌原子或分子以防止自旋碰撞交换弛豫及自旋碰撞破坏。采用微结晶准固态成型，使富勒烯分子按照一定结构排列起来，以提高敏感原子密度。采用光学及微波手段进行原子能级的操控与检测，实现原子或分子在惯性空间中的定轴以及惯性信号的检测。本发明具有灵敏度高、热稳定性好等优点，对研制新一代基于原子自旋效应的高精度、高稳定、小体积的固态陀螺仪有着重要的价值。

主权项

一种富勒烯分子陀螺，其特征在于包括：内嵌富勒烯晶体（10）、内嵌原子综合操控检测模块（3）、地磁场补偿模块（1）、伺服框架（2）；内嵌富勒烯晶体（10）作为富勒烯分子陀螺的核心敏感元件；内嵌富勒烯晶体（10）由内嵌富勒烯分子通过微结晶的方法实现限域组装，内嵌富勒烯分子为富勒烯碳笼内嵌一个原子形成，通过操控和检测内嵌原子自旋获得旋转角速度和磁场信号；内嵌原子综合操控检测模块（3）用于驱动组成内嵌富勒烯晶体（10）的内嵌富勒烯分子内嵌原子的自旋极化，检测内嵌原子自旋进动信号，以获取惯性测量信号；内嵌原子综合操控检测模块（3）安装于伺服框架（2）内，保证内嵌富勒烯晶体（10）跟踪惯性坐标系；由内嵌原子综合操控检测模块（3）输出的内嵌原子自旋进动信号包含了内嵌原子对磁场和惯性测量获得的信号，输出的磁场测量信号输入地磁场补偿模块（1）用于控制三维地磁场补偿线圈补偿地磁场，输出的惯性测量角速度信号输入伺服框架（2）用于控制伺服框架跟踪惯性坐标系；所述内嵌原子综合操控检测模块（3）包括：内嵌原子环境综合保障部分（42）、内嵌原子自旋综合调控部分（43）和内嵌原子自旋信号检测部分（44）；所述原子环境综合保障部分（42）由磁屏蔽桶（4）、综合温度控制装置（9）组成；磁屏蔽桶（4）在内嵌原子综合操控检测模块（3）的最外层，用于屏蔽地磁场剩磁和环境磁噪声，保障内嵌原子进行惯性测量时的磁环境；综合温度控制装置（9）安装于主磁场线圈（6）内，位于内嵌富勒烯晶体（10）、RF微波发生装置（11）和荧光检测装置（12）外部，综合温度控制装置（9）包括一组温度传感器、无磁加热烤箱、集成化无磁加热装置，以实现固态原子陀螺测量稳定性对1fT/Hz1/2量级以下低磁噪声温度控制的 要求；所述集成化无磁加热装置和一组温度传感器安装于无磁加热烤箱内部，通过优化设计使得无磁加热装置和一组温度传感器的安装能够保证烤箱内部环境被均匀加热并被稳定控制；所述RF微波发生装置(11)由一个RF线圈构成或在内嵌富勒烯晶体（10）上铺设一条细铜线，通以高频交流电，产生射频磁场对富勒烯内嵌原子能级进行操控来实现；所述内嵌原子自旋综合调控部分（43）安装于磁屏蔽桶（4）的内部，内嵌原子自旋综合调控部分（43）包括RF微波发生装置(11)、主磁场线圈(6)、集成化泵浦激光器(5)、抽运光综合控制光电模块（45）；RF微波发生装置（11）安装在综合温度控制装置（9）内，靠近内嵌富勒烯晶体（10）的位置，用于产生对内嵌原子能级操控的频率稳定的射频磁场或微波；主磁场线圈(6)安装于综合温度控制装置（9）的外部，用于产生操控内嵌原子所需的均匀主磁场，所产生的磁场在内嵌富勒烯晶体（10）所在的区域内要求均匀性小于0.1pT/cm，磁场随时间变化的稳定性要求小于0.1pT/s；集成化泵浦激光器（5）安装在主磁场线圈（6）外，用于产生内嵌原子自旋极化驱动抽运光；集成化泵浦激光器（5）受抽运光综合控制光电模块（45）反馈的频率稳定信号及功率稳定信号的控制，产生频率、功率稳定的抽运激光，操控内嵌原子的精细能级结构；抽运光综合控制光电模块（45）各元件按抽运光光路布置于集成化泵浦激光器（5）之后；工作时，RF微波发生装置（11）、主磁场线圈（6）和集成化泵浦激光器（5）产生的抽运光同时作用与内嵌富勒烯晶体（10），主磁场线圈（6）先加一个大于500G的均匀稳定的强磁场，耦合内嵌原子的电子自旋和核自旋，然后磁场调弱至小于10G，以检测自旋进动；所述内嵌原子自旋信号检测部分（44）包括荧光检测装置(12)、集成化检测光激光器(7)、检测光综合控制光电模块（46）；荧光检测装置（12）由若干荧光检测光电探测器组成，根据内嵌富勒烯晶体（10）的体积和形状用荧光检测CCD进行信号的检测，该信号给出作为基于Berry相原理的陀螺 进动角速度信号；所述检测光综合控制光电模块（46）包括一个检测光激光器(7)，受检测光稳频控制电路（26）和检测光功率稳定控制电路（29）反馈的频率、功率稳定信号控制，产生功率稳定的检测光，用于光旋转法检测信号；基于偏振光旋转法检测得到的自旋进动角信号中包含两部分信号：磁场引起的内嵌原子自旋进动信号和内嵌富勒烯晶体（10）旋转引起的内嵌原子自旋进动信号；结合基于几何相，即Berry相原理的陀螺进动角速度信号实现基于偏振光旋转法检测得到的信号中惯性测量信号和磁场测量信号的解耦，分别输出磁场信号和惯性测量旋转角速度信号，磁场信号用于反馈回地磁补偿模块（1）实现高精度磁场补偿，惯性测量信号用于反馈回伺服框架（2）实现对惯性坐标系的跟踪；地磁场补偿模块（1）包括三维地磁场补偿线圈和地磁场补偿控制电路，其中三维地磁场补偿线圈在富勒烯分子陀螺的最外层，用于补偿地磁场，三维地磁场补偿线圈包括3组两两正交的亥姆赫兹线圈；地磁场补偿控制电路输出控制三维地磁场补偿线圈中的电流以补偿磁场，其控制输入量为内嵌原子综合操控检测模块（3）输出的磁场测量信号。地磁场补偿精度由测量得到的内嵌原子磁场测量灵敏度决定；伺服框架（2）位于三维地磁场补偿线圈内，伺服框架（2）内安装内嵌原子综合操控检测模块（3）；伺服框架（2）包括机械框架和伺服电机，机械框架由伺服电机控制，伺服电机的输入为内嵌原子综合操控检测模块（3）输出的惯性测量旋转角速度信号，伺服电机的输出力矩控制机械框架使之跟踪惯性坐标系，机械框架跟踪惯性坐标系的精度由内嵌原子惯性测量旋转角速度的灵敏度决定。