【摘要】：熱原子系綜是未來精密測量領(lǐng)域重要的研究對象,基于熱原子系綜的精密測量裝置有原子磁強計、原子自旋陀螺儀等。極化的原子會繞著外磁場做拉莫爾進動,進動的頻率與外磁場大小有關(guān),原子磁強計是通過探測原子自旋的進動頻率來推測磁場的大小,目前,這種磁強計是理論靈敏度和實驗靈敏度最高的磁強計;核磁共振陀螺儀也是通過測量原子自旋的進動頻率來得到載體轉(zhuǎn)動角速度的大小,這個進動頻率包含原子的拉莫爾進動頻率和載體的轉(zhuǎn)動角速度,通過探測到的頻率和已知的拉莫爾進動頻率可以推算出載體的轉(zhuǎn)動角速度。核磁共振陀螺儀具有高精度、結(jié)構(gòu)簡單、易于小型化等優(yōu)點,是未來陀螺儀發(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)動傳感器,該傳感器可以連續(xù)測量角位移,進而可提取角速度和角加速度信息,這對于實時觀察發(fā)動機高速旋轉(zhuǎn),監(jiān)測發(fā)動機的旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性具有重要意義,這個工作為開發(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)了前人在原子磁強計、原子自旋陀螺儀、角度測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量的基本物理原理,包括堿金屬原子的能級結(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量的實驗裝置,包括實驗光路部分、原子氣室組分以及選擇、磁場的產(chǎn)生和控制系統(tǒng)、磁屏蔽系統(tǒng)、無磁電加熱系統(tǒng)。其中,實驗光路部分包括泵浦光和探測光。我們利用飽和吸收譜技術(shù)來穩(wěn)定激光器的頻率,利用聲光調(diào)制器來反饋穩(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電流源在線圈上施加電流來控制磁場,磁屏蔽裝置的材料是坡莫合金,無磁電加熱系統(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量裝置,我們提出了一種基于堿金屬氣室的轉(zhuǎn)動傳感器,將四分之一波片固定在待測物體上,當物體轉(zhuǎn)動時,線偏振光經(jīng)過固連在物體上的四分之一波片時,偏振狀態(tài)會發(fā)生變化,導(dǎo)致原子氣室吸收不一樣,通過探測氣室的透射光強可以得到四分之一波片的轉(zhuǎn)動角度或角速度,即為待測物體的轉(zhuǎn)動角度或角速度,目前,這種角度測量裝置的靈敏度為1× 10-5o/(?)。第五章介紹了基于熱原子系綜的磁強計,包括Bell-Bloom磁強計、射頻磁強計、參數(shù)振蕩磁強計,目前,我們磁強計達到的靈敏度都是在pT/(?)的量級。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并且實現(xiàn)了對核自旋的操控,提出了一種實時反饋機制,并且給出了數(shù)值模擬的結(jié)果,證明了這種反饋機制的有效性。此外,我們還實現(xiàn)了核磁共振陀螺儀的閉環(huán)測試,對慣性信號進行頻譜分析,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)陀螺儀在三個小時內(nèi)的頻率漂移得到的零偏穩(wěn)定性為10°/h。第七章總結(jié)了整個論文的工作,并且對未來做了展望,提出了新的研究問題。圖98幅,表1個,參考文獻128篇。
【學(xué)位授予單位】：中國工程物理研究院
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：O562
【圖文】：

基于熱原子系綜的精密測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)核自旋在一定磁場下進動頻率的漂移來得到載體的體積、加速度不敏感等優(yōu)勢，有望成為戰(zhàn)術(shù)級、導(dǎo)小型陀螺儀領(lǐng)域研宄的重要對象。研宄核磁共振陀在滿足戰(zhàn)術(shù)級、導(dǎo)航級陀螺儀對精度苛刻要求的前，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驗裝置逡逑圖３．１為基于熱原子系綜精密測量的實驗裝置，整個裝置的核心是一個充有堿金屬逡逑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，加熱爐外面是磁場線圈，可以通過電流源（ｃｕｒｒｅｎｔ逡逑ｓｏｕｒｃｅ）給線圈通電流進而產(chǎn)生磁場，氣室、加熱爐、線圈都是放在磁屏蔽筒（用來屏蔽逡逑

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本文編號：2717033