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原子磁强计的测量极限研究取得进展
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2016-04-20 | 编辑:文\信息技术部

陀螺仪按精度可分为超高精度陀螺仪、高精度陀螺仪和低精度陀螺仪。实现超高精度的惯性测量无论对实际工程应用还是基础理论研究都具有重要的现实意义。迄今为止,依据不同的物理原理,相关人员已经研制出多种陀螺仪,如传统机械式陀螺仪以及基于光学Sagnac效应的光纤陀螺仪等。传统机械式陀螺仪,是一种超高精度陀螺仪,但是这种陀螺仪对工艺、材料要求很高,精度受到多方面的限制,因此传统机械式陀螺仪在国内外近三十年内鲜见进展。基于波动光学的光纤陀螺仪和激光陀螺仪凭借其灵敏度高和工作稳定等特点在二十世纪八十年代得以迅速发展,但是也已经达到了精度发展的极限,国内外近十年无突破性进展。因此,无论是实际工程应用还是促进基础科学研究,都迫切地需要研发新一代的超高精度陀螺仪。

原子自旋陀螺仪依据原子自旋在惯性空间中的定轴性来实现超高灵敏的惯性测量。因此,能否保持原子自旋在惯性空间中长期稳定的定轴性是提高原子自旋陀螺仪灵敏度的一个重要指标。现有的原子自旋陀螺仪装置,通常是利用初始状态已知的耦合的碱金属原子系综和惰性气体系综来感受载体转动。载体的转动影响原子系综的自旋状态,从而可以通过检测原子自旋状态的改变量来获取转动角速度的信息。对于实际原子自旋陀螺仪装置,整个系统处于开放的环境。原子系综的自旋状态受到装置外部磁场、光场、热场等环境噪声的影响以及装置内部原子与原子之间碰撞,原子与装置气室壁之间碰撞以及原子与光相互作用的影响,这些影响都会导致原子自旋态发生改变,即导致自旋退极化,影响原子自旋的定轴性,导致陀螺仪的精度和灵敏度下降。在原子自旋陀螺仪装置中,原子自旋状态改变量是通过测量检测激光的线偏振面转动得到的。在整个测量过程中,研究人员无法直接得到待测惯性转动角速度,而是根据量测输出来估计待测转动角速度的大小。因此,原子自旋陀螺仪本质上是一个高精度的参数估计过程。

原子磁强计利用原子自旋效应测量磁场,被认为是当前最灵敏的磁场探测装置。在原子磁强计中,作为探针的原子自旋会受到大量弛豫因素的影响,从而限制磁场测量的精度和灵敏度。因此找到提高原子磁强计灵敏度和精度的方法无论对新的科学研究还是实际的工程应用都具有重要的意义。目前信息技术部研究人员的研究主要围绕基于原子自旋效应的磁场测量(原子磁强计)进行展开。同时针对原子SERF磁强计,分析了装置内部最主要的弛豫因素(原子自旋破坏碰撞作用)对时变磁场测量灵敏度的影响,并给出了定常磁场测量情况下,磁场测量精度的理论极限。

原子磁强计原理

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