【摘要】：熱原子系綜是未來(lái)精密測(cè)量領(lǐng)域重要的研究對(duì)象,基于熱原子系綜的精密測(cè)量裝置有原子磁強(qiáng)計(jì)、原子自旋陀螺儀等。極化的原子會(huì)繞著外磁場(chǎng)做拉莫爾進(jìn)動(dòng),進(jìn)動(dòng)的頻率與外磁場(chǎng)大小有關(guān),原子磁強(qiáng)計(jì)是通過(guò)探測(cè)原子自旋的進(jìn)動(dòng)頻率來(lái)推測(cè)磁場(chǎng)的大小,目前,這種磁強(qiáng)計(jì)是理論靈敏度和實(shí)驗(yàn)靈敏度最高的磁強(qiáng)計(jì);核磁共振陀螺儀也是通過(guò)測(cè)量原子自旋的進(jìn)動(dòng)頻率來(lái)得到載體轉(zhuǎn)動(dòng)角速度的大小,這個(gè)進(jìn)動(dòng)頻率包含原子的拉莫爾進(jìn)動(dòng)頻率和載體的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度,通過(guò)探測(cè)到的頻率和已知的拉莫爾進(jìn)動(dòng)頻率可以推算出載體的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度。核磁共振陀螺儀具有高精度、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于小型化等優(yōu)點(diǎn),是未來(lái)陀螺儀發(fā)展的重要方向之一。此外,我們還提出了一種基于堿金屬氣室的轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器,該傳感器可以連續(xù)測(cè)量角位移,進(jìn)而可提取角速度和角加速度信息,這對(duì)于實(shí)時(shí)觀察發(fā)動(dòng)機(jī)高速旋轉(zhuǎn),監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性具有重要意義,這個(gè)工作為開(kāi)發(fā)高精度、緊湊性和低成本的原子蒸汽傳感器提供了可能性。本論文一共包含七章內(nèi)容。第一章是引言,主要總結(jié)了前人在原子磁強(qiáng)計(jì)、原子自旋陀螺儀、角度測(cè)量裝置方向的研究工作。第二章介紹了基于熱原子系綜精密測(cè)量的基本物理原理,包括堿金屬原子的能級(jí)結(jié)構(gòu)、堿金屬原子與光的相互作用。第三章介紹了基于熱原子系綜精密測(cè)量的實(shí)驗(yàn)裝置,包括實(shí)驗(yàn)光路部分、原子氣室組分以及選擇、磁場(chǎng)的產(chǎn)生和控制系統(tǒng)、磁屏蔽系統(tǒng)、無(wú)磁電加熱系統(tǒng)。其中,實(shí)驗(yàn)光路部分包括泵浦光和探測(cè)光。我們利用飽和吸收譜技術(shù)來(lái)穩(wěn)定激光器的頻率,利用聲光調(diào)制器來(lái)反饋穩(wěn)定激光器的功率。原子氣室中充有堿金屬原子、緩沖氣體、淬滅氣體。我們利用Thorlabs電流源在線(xiàn)圈上施加電流來(lái)控制磁場(chǎng),磁屏蔽裝置的材料是坡莫合金,無(wú)磁電加熱系統(tǒng)采用薄膜電阻加熱。第四章介紹了一種基于熱原子系綜的角度測(cè)量裝置,我們提出了一種基于堿金屬氣室的轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器,將四分之一波片固定在待測(cè)物體上,當(dāng)物體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),線(xiàn)偏振光經(jīng)過(guò)固連在物體上的四分之一波片時(shí),偏振狀態(tài)會(huì)發(fā)生變化,導(dǎo)致原子氣室吸收不一樣,通過(guò)探測(cè)氣室的透射光強(qiáng)可以得到四分之一波片的轉(zhuǎn)動(dòng)角度或角速度,即為待測(cè)物體的轉(zhuǎn)動(dòng)角度或角速度,目前,這種角度測(cè)量裝置的靈敏度為1× 10-5o/(?)。第五章介紹了基于熱原子系綜的磁強(qiáng)計(jì),包括Bell-Bloom磁強(qiáng)計(jì)、射頻磁強(qiáng)計(jì)、參數(shù)振蕩磁強(qiáng)計(jì),目前,我們磁強(qiáng)計(jì)達(dá)到的靈敏度都是在pT/(?)的量級(jí)。第六章介紹了基于熱原子系綜的核磁共振陀螺儀,我們得到了核磁共振信號(hào)并且實(shí)現(xiàn)了對(duì)核自旋的操控,提出了一種實(shí)時(shí)反饋機(jī)制,并且給出了數(shù)值模擬的結(jié)果,證明了這種反饋機(jī)制的有效性。此外,我們還實(shí)現(xiàn)了核磁共振陀螺儀的閉環(huán)測(cè)試,對(duì)慣性信號(hào)進(jìn)行頻譜分析,在低頻區(qū)域,得到的閉環(huán)陀螺儀的靈敏度為3°/(?)左右,利用阿倫方差分析閉環(huán)陀螺儀在三個(gè)小時(shí)內(nèi)的頻率漂移得到的零偏穩(wěn)定性為10°/h。第七章總結(jié)了整個(gè)論文的工作,并且對(duì)未來(lái)做了展望,提出了新的研究問(wèn)題。圖98幅,表1個(gè),參考文獻(xiàn)128篇。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)工程物理研究院
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：O562
【圖文】：

基于熱原子系綜的精密測(cè)量螺儀逡逑綜合利用了光、熱、電、電磁、微電子等領(lǐng)域技術(shù)核自旋在一定磁場(chǎng)下進(jìn)動(dòng)頻率的漂移來(lái)得到載體的體積、加速度不敏感等優(yōu)勢(shì)，有望成為戰(zhàn)術(shù)級(jí)、導(dǎo)小型陀螺儀領(lǐng)域研宄的重要對(duì)象。研宄核磁共振陀在滿(mǎn)足戰(zhàn)術(shù)級(jí)、導(dǎo)航級(jí)陀螺儀對(duì)精度苛刻要求的前，另一方面，理論上研宄如何提高陀螺儀的靈敏度可度的需求。逡逑

Ｆｉｇｕｒｅ邋３．１核磁共振陀螺儀的實(shí)驗(yàn)裝置逡逑圖３．１為基于熱原子系綜精密測(cè)量的實(shí)驗(yàn)裝置，整個(gè)裝置的核心是一個(gè)充有堿金屬逡逑Ｒｂ、Ｎ２和惰性氣體１２９Ｘｅ、１３１Ｘｅ的玻璃氣室，氣室的形狀是正方體（邊長(zhǎng)為１．５ｃｍ），氣逡逑室外面是氮化硼材料制作的加熱爐，加熱爐外面是磁場(chǎng)線(xiàn)圈，可以通過(guò)電流源（ｃｕｒｒｅｎｔ逡逑ｓｏｕｒｃｅ）給線(xiàn)圈通電流進(jìn)而產(chǎn)生磁場(chǎng)，氣室、加熱爐、線(xiàn)圈都是放在磁屏蔽筒（用來(lái)屏蔽逡逑

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本文編號(hào)：2717033