[發明專利]一種連續束流原子干涉陀螺儀及測量方法

有效

• 申請號: 202110474415.2
• 申請日: 2021-04-29
• 公開（公告）號: CN113155115B
• 公開（公告）日: 2022-06-17
• 發明（設計）人: 李少康;余庚華;李潤兵;姚戰偉;魯思濱;蔣敏;陳紅輝;陳小莉;陸澤茜;孫川;王謹;詹明生
• 申請（專利權）人: 中國科學院精密測量科學與技術創新研究院
• 主分類號: G01C19/58
• 分類號: G01C19/58
• 代理公司: 武漢宇晨專利事務所(普通合伙) 42001
• 代理人: 李鵬;王敏鋒

本發明公開了一種連續束流原子干涉陀螺儀，包括干涉腔，還包括原子束流裝置，原子束流裝置包括原子腔、連接管、第一加熱裝置、直筒部、準直器、第二加熱裝置、石墨吸收裝置、波紋管、真空差分管和二維橫向冷卻裝置，本發明還公開了一種連續束流原子干涉陀螺儀的測量方法，本發明區別于冷原子束，采用熱原子束，重力對其震動影響更小，同時熱原子束流強度大，原子數目更多。采用毛細管，出射的原子束流高度準直，同時對二維方向進行亞多普勒冷卻，可以實現更低的橫向速度，實現最小的發散角。提高原子干涉陀螺儀的測量精度。

技術領域

本發明涉及量子精密測量技術領域，更具體的涉及一種連續束流原子干涉陀螺儀，還涉及一種連續束流原子干涉陀螺儀的測量方法，適用于原子慣性精密測量技術領域。

背景技術

原子干涉陀螺儀作為一種全新的精密測量裝置，可以用來精確測量載體的轉動信息。并且由于其靈敏度高及長期穩定性好等優點，可以廣泛應用于慣性導航系統。陀螺儀和加速度計的組合可以得到載體的轉動以及運動姿態和位置信息。所以慣性導航技術的發展從某些意義上講可以等同于陀螺儀和加速度計兩大慣性傳感器技術的發展。為了能夠更好的將原子干涉陀螺儀應用于精密測量科學與技術甚至將來利用原子干涉陀螺儀檢驗廣義相對論效應，需要研制高精度的原子干涉陀螺儀。

原子干涉陀螺儀經過多年的發展，發展出了各種不同的類型，按照所采用的原子源溫度的不同可分為原子束型原子干涉陀螺儀、冷原子團型原子干涉陀螺儀以及超冷原子團型原子干涉陀螺儀。由于激光冷卻技術的發展迅速，超冷原子團雖然具有更好的相干性，但實現的技術難度比較大，目前絕大多數的原子干涉陀螺儀都采用的是冷原子源進行的，采用各種方案和手段將原子干涉陀螺儀的短期靈敏度提高到然而原子干涉陀螺的測量精度主要受限制于原子干涉環路面積和干涉條紋的相位噪聲。振動噪聲是限制高精度原子干涉陀螺儀的最主要因素，原子束流由于速度快，相對而言受重力的影響會更小。同時，由于原子干涉條紋的相位噪聲與參與干涉的原子數目有關，原子干涉陀螺儀的靈敏度正比于1/N^1/2，相比于磁光阱技術的冷原子方案，熱原子束流的方案可以將原子數目提高10⁶倍以上，因此在標度因子相同的情況下，理論上原子干涉陀螺儀的靈敏度可以顯著提高。

早在2000年左右，斯坦福就利用熱原子束實現原子干涉陀螺儀，只對束流進行了橫向多普勒冷卻，橫向速度約為10cm/s，在技術上進行優化，最終將短期靈敏度提高到進一步提升了陀螺儀的性能，擁有當時原子干涉陀螺儀的最佳性能。但是為了利用原子干涉陀螺儀來檢驗廣義相對論效應，這就要求更高的原子束流強度和更大的原子干涉環路面積，意味著原子束源的發散角要更小，只有更小的發散角才能保證經過很長的干涉區域原子擴散小，對射原子的重合度高，滿足干涉條件的需求，因此我們提出了基于毛細管結構的熱原子束流去實現原子陀螺儀，同時對原子爐部分采用分段加熱的裝置，采用毛細管結構可以對原子束流進行預冷卻，大大的提高干涉儀的準直性，有利于提高原子陀螺儀的轉動測量分辨率。同時采用分段加熱的結構可以使得出射原子束流的強度達到10¹⁴atoms/s，相比于斯坦福的熱原子束方案原子束流強度提高了3個數量級以上，并且對于出射的原子束流除了進行橫向多普勒冷卻以外我們同時進行了亞多普勒冷卻，可以進一步降低原子橫向溫度，為探究利用原子干涉陀螺儀來檢驗廣義相對論效應提供合理方案和裝置。因此本發明主要針對于提高原子束流的束流強度以及降低原子的橫向溫度來實現更高精度的原子干涉陀螺儀。

發明內容

本發明的目的是針對現有技術存在的上述問題，提供一種連續束流原子干涉陀螺儀，還提供一種連續束流原子干涉陀螺儀的測量方法，提高原子干涉陀螺儀的精度，采用毛細管并且分段加熱的方案來提高原子束流強度，原子束流經過多普勒冷卻和亞多普勒冷卻以及選態以后，采用大尺度空間分離拉曼光去實現原子干涉，最終提取轉動信號，實現高精度測量。

本發明的上述目的通過以下技術方案實現：

一種連續束流原子干涉陀螺儀，包括干涉腔，還包括原子束流裝置，原子束流裝置包括原子腔、連接管、第一加熱裝置、直筒部、準直器、第二加熱裝置、石墨吸收裝置、波紋管、真空差分管和二維橫向冷卻裝置，