[發明專利]量子絕對重力儀

有效

• 申請號: 202011604726.8
• 申請日: 2020-12-29
• 公開（公告）號: CN112782776B
• 公開（公告）日: 2022-04-15
• 發明（設計）人: 楊秋海;郭彬;李凱;馬政杰;吳彬;程冰
• 申請（專利權）人: 杭州微伽量子科技有限公司
• 主分類號: G01V7/14
• 分類號: G01V7/14
• 代理公司: 杭州豐禾專利事務所有限公司 33214
• 代理人: 李久林

本發明公開了一種量子絕對重力儀，其包括通過電線和/或光纖相互連接的控制系統、激光系統和探頭系統；所述控制系統包括控制器及與其連接的能夠在需要時消除對應激光束的多個機械快門；所述激光系統用于提供激光光源；所述探頭系統包括測量部分及支撐架，所述測量部分包括超高真空單元、光路結構及磁場單元；超高真空單元的頂部、側壁及底部均限定有用于注入絕對重力測量所必須的激光束的光學窗口；所述支撐架限定有間隔設置的上、中、下支撐部件，相鄰支撐部件之間通過支撐部件連接，所述光路結構分布于上、中、下支撐部件上，所述磁場單元配置于中支撐部件上。本發明具有相對輕巧、結構緊湊，具有可移動的產品化特點。

技術領域

本發明涉及一種絕對重力測量裝置，具體地說，是涉及一種量子絕對重力儀。

背景技術

高精度重力測量儀器可以用于油氣普查、礦產資源勘探、地質調查、環境監測、地球物理等領域，應用前景非常廣闊。根據測量方式不同，重力測量可分為絕對重力測量和相對重力測量。絕對重力測量是測定地球重力場中特定位置的絕對重力值，相對重力測量是測定地球重力場中特定兩點的重力差值。絕對重力測量一般采用動力法。主要利用兩種方法:一種是觀測自由落體的運動，這是G.伽利略在1590年進行世界上第一次重力測量時所用的方法。第二種是觀測擺的運動，這是荷蘭物理學家C.惠更斯在1673年提出的。目前常用的絕對重力儀的基本原理就是觀測自由落體的運動，自由落體質量體為一個光學棱鏡，利用穩定的氦氨激光束的波長作為邁克爾遜(michelson)干涉儀的光學尺，直接測量空間距離；時間標準是采用高穩定的石英振蕩器與天文臺原子頻率指標對比。根據質量體下落的距離和時間，從而得出測量點的絕對重力加速度。

量子絕對重力儀是一種新型的高精度絕對重力測量儀器，它利用微觀的原子作為測試質量，基于冷原子物質波干涉的方法實現精密的重力加速度測量。冷原子作為一團獨特的量子物質，利用它可以實現類似與光波干涉的原子物質波干涉，通過激光脈沖實現原子波包的分束、偏轉、合束，從而實現原子干涉條紋，重力加速度會改變微觀原子的下落路徑，因此改變干涉條紋的相位。通過提取原子干涉條紋的相位，得到重力加速度的信息。量子絕對重力儀一般由探頭系統、光路系統、電控系統三部分組成。

地球表面約有71％的海洋，為了獲得全球重力資料，必須進行海洋重力測量。在沙漠、冰川、沼澤、崇山峻嶺和原始森林等交通不便、人跡難到的地區進行重力測量，需采用航空重力測量方法。海洋和航空等動態重力測量為了抵消載體擾動影響，必須增加輔助測量設備，這些設備對重力儀探頭的尺寸及重量有嚴格的要求。

公開號CN106959473A的中國專利申請文件提供了一種可移動冷原子絕對重力加速度傳感器，其采用二維磁光阱+三維磁光阱結構，真空腔采用石英玻璃真空腔。銣原子在二維磁光阱中預冷卻，通過吹送光吹送至三維磁光阱中，完成原子裝載過程。接下來通過量子態制備、冷原子干涉、歸一化探測、震動補償、傾斜校正、系統誤差消除得到測量結果。雖然該系統能實現可移動，但石英玻璃真空腔造價昂貴，容易損壞，運輸過程中需設計專用運輸平臺精密保存。同時二維磁光阱+三維磁光阱結構復雜，限制了探頭系統的小型化。

公開號CN106597561A的中國專利申請文件提供了一種用于原子干涉重力測量的真空裝置，該申請同樣采用二維磁光阱+三維磁光阱結構，真空腔為鈦合金真空腔。三維磁光阱部件為由一個正方體切掉八個頂角后形成的十四面體，且在十四面體的每個面上均開設有孔。十四面體為豎直方向放置，且上方連接探測部件，下方連接光學部件，左邊連接二維磁光阱部件。工作時，位于二維磁光阱部件中的原子經過四束激光預冷卻后被推送到三維磁光阱部件中進一步被六束對射激光進行三維冷卻；充分冷卻以后的原子被上拋進入干涉部件，拉曼激光從頂端入射與原子發生相互作用產生原子干涉；干涉完成后，原子落回探測部件時，對原子進行探測。雖然該系統能保證測量精度，但是整個系統過于龐大，二維磁光阱+三維磁光阱結構導致附屬冷卻光路復雜，引入的激光準直系統較多。三維磁光阱部件為由一個正方體切掉八個頂角后形成的十四面體，且在十四面體的每個面上均開設有孔，制作復雜并且加工困難。該系統只能用于實驗室測量，不具備可移動性。