[發明專利]一種富勒烯分子陀螺

有效

• 申請號: 201210397747.6
• 申請日: 2012-10-18
• 公開（公告）號: CN102914298A
• 公開（公告）日: 2013-02-06
• 發明（設計）人: 房建成;江雷;張晨;秦杰
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01C19/58
• 分類號: G01C19/58
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 成金玉;盧紀

1.一種富勒烯分子陀螺，其特征在于包括：內嵌富勒烯晶體（10）、內嵌原子綜合操控檢測模塊（3）、地磁場補償模塊（1）、伺服框架（2）；

內嵌富勒烯晶體（10）作為富勒烯分子陀螺的核心敏感元件；內嵌富勒烯晶體（10）由內嵌富勒烯分子通過微結晶的方法實現限域組裝，內嵌富勒烯分子為富勒烯碳籠內嵌一個原子形成，通過操控和檢測內嵌原子自旋獲得旋轉角速度和磁場信號；

內嵌原子綜合操控檢測模塊（3）用于驅動組成內嵌富勒烯晶體（10）的內嵌富勒烯分子內嵌原子的自旋極化，檢測內嵌原子自旋進動信號，以獲取慣性測量信號；內嵌原子綜合操控檢測模塊（3）安裝于伺服框架（2）內，保證內嵌富勒烯晶體（10）跟蹤慣性坐標系；由內嵌原子綜合操控檢測模塊（3）輸出的內嵌原子自旋進動信號包含了內嵌原子對磁場和慣性測量獲得的信號，輸出的磁場測量信號輸入地磁場補償模塊（1）用于控制三維地磁場補償線圈補償地磁場，輸出的慣性測量角速度信號輸入伺服框架（2）用于控制伺服框架跟蹤慣性坐標系；

所述內嵌原子綜合操控檢測模塊（3）包括：內嵌原子環境綜合保障部分（42）、內嵌原子自旋綜合調控部分（43）和內嵌原子自旋信號檢測部分（44）；

所述原子環境綜合保障部分（42）由磁屏蔽桶（4）、綜合溫度控制裝置（9）組成；磁屏蔽桶（4）在內嵌原子綜合操控檢測模塊（3）的最外層，用于屏蔽地磁場剩磁和環境磁噪聲，保障內嵌原子進行慣性測量時的磁環境；綜合溫度控制裝置（9）安裝于主磁場線圈（6）內，位于內嵌富勒烯晶體（10）、RF微波發生裝置（11）和熒光檢測裝置（12）外部，綜合溫度控制裝置（9）包括一組溫度傳感器、無磁加熱烤箱、集成化無磁加熱裝置，以實現固態原子陀螺測量穩定性對1fT/Hz^1/2量級以下低磁噪聲溫度控制的要求；所述集成化無磁加熱裝置和一組溫度傳感器安裝于無磁加熱烤箱內部，通過優化設計使得無磁加熱裝置和一組溫度傳感器的安裝能夠保證烤箱內部環境被均勻加熱并被穩定控制；所述RF微波發生裝置(11)由一個RF線圈構成或在內嵌富勒烯晶體（10）上鋪設一條細銅線，通以高頻交流電，產生射頻磁場對富勒烯內嵌原子能級進行操控來實現；

所述內嵌原子自旋綜合調控部分（43）安裝于磁屏蔽桶（4）的內部，內嵌原子自旋綜合調控部分（43）包括RF微波發生裝置(11)、主磁場線圈(6)、集成化泵浦激光器(5)、抽運光綜合控制光電模塊（45）；RF微波發生裝置（11）安裝在綜合溫度控制裝置（9）內，靠近內嵌富勒烯晶體（10）的位置，用于產生對內嵌原子能級操控的頻率穩定的射頻磁場或微波；主磁場線圈(6)安裝于綜合溫度控制裝置（9）的外部，用于產生操控內嵌原子所需的均勻主磁場，所產生的磁場在內嵌富勒烯晶體（10）所在的區域內要求均勻性小于0.1pT/cm，磁場隨時間變化的穩定性要求小于0.1pT/s；集成化泵浦激光器（5）安裝在主磁場線圈（6）外，用于產生內嵌原子自旋極化驅動抽運光；集成化泵浦激光器（5）受抽運光綜合控制光電模塊（45）反饋的頻率穩定信號及功率穩定信號的控制，產生頻率、功率穩定的抽運激光，操控內嵌原子的精細能級結構；抽運光綜合控制光電模塊（45）各元件按抽運光光路布置于集成化泵浦激光器（5）之后；工作時，RF微波發生裝置（11）、主磁場線圈（6）和集成化泵浦激光器（5）產生的抽運光同時作用與內嵌富勒烯晶體（10），主磁場線圈（6）先加一個大于500G的均勻穩定的強磁場，耦合內嵌原子的電子自旋和核自旋，然后磁場調弱至小于10G，以檢測自旋進動；

所述內嵌原子自旋信號檢測部分（44）包括熒光檢測裝置(12)、集成化檢測光激光器(7)、檢測光綜合控制光電模塊（46）；熒光檢測裝置（12）由若干熒光檢測光電探測器組成，根據內嵌富勒烯晶體（10）的體積和形狀用熒光檢測CCD進行信號的檢測，該信號給出作為基于Berry相原理的陀螺進動角速度信號；所述檢測光綜合控制光電模塊（46）包括一個檢測光激光器(7)，受檢測光穩頻控制電路（26）和檢測光功率穩定控制電路（29）反饋的頻率、功率穩定信號控制，產生功率穩定的檢測光，用于光旋轉法檢測信號；基于偏振光旋轉法檢測得到的自旋進動角信號中包含兩部分信號：磁場引起的內嵌原子自旋進動信號和內嵌富勒烯晶體（10）旋轉引起的內嵌原子自旋進動信號；結合基于幾何相，即Berry相原理的陀螺進動角速度信號實現基于偏振光旋轉法檢測得到的信號中慣性測量信號和磁場測量信號的解耦，分別輸出磁場信號和慣性測量旋轉角速度信號，磁場信號用于反饋回地磁補償模塊（1）實現高精度磁場補償，慣性測量信號用于反饋回伺服框架（2）實現對慣性坐標系的跟蹤；

地磁場補償模塊（1）包括三維地磁場補償線圈和地磁場補償控制電路，其中三維地磁場補償線圈在富勒烯分子陀螺的最外層，用于補償地磁場，三維地磁場補償線圈包括3組兩兩正交的亥姆赫茲線圈；地磁場補償控制電路輸出控制三維地磁場補償線圈中的電流以補償磁場，其控制輸入量為內嵌原子綜合操控檢測模塊（3）輸出的磁場測量信號。地磁場補償精度由測量得到的內嵌原子磁場測量靈敏度決定；

伺服框架（2）位于三維地磁場補償線圈內，伺服框架（2）內安裝內嵌原子綜合操控檢測模塊（3）；伺服框架（2）包括機械框架和伺服電機，機械框架由伺服電機控制，伺服電機的輸入為內嵌原子綜合操控檢測模塊（3）輸出的慣性測量旋轉角速度信號，伺服電機的輸出力矩控制機械框架使之跟蹤慣性坐標系，機械框架跟蹤慣性坐標系的精度由內嵌原子慣性測量旋轉角速度的靈敏度決定。