CN105652335B - 一种基于微晶玻璃腔体的重力测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于加速度测量技术领域，涉及一种基于微晶玻璃腔体的可移动式重力测量装置。本发明可移动式重力测量装置包括二维微晶玻璃真空腔体、三维微晶玻璃真空腔体、碱金属源、差分泵浦管。其中，所述二维微晶玻璃真空腔体通过差分泵浦管连接在三维微晶玻璃真空腔体的三维冷却真空腔一侧，所述三维冷却真空腔另一侧连接有吸气装置，碱金属源连接在二维微晶玻璃真空腔体上，另外，所述差分泵浦管为与两个腔体材质一致的微晶玻璃制成。本发明的重力测量装置基于低温键合技术，利用微晶玻璃构建真空腔体，通光性更好，结构更紧凑，热、磁稳定性以及抗冲击能力更高，便于实现高精度高可靠性可移动式重力测量装置的工程化实用。

Description

一种基于微晶玻璃腔体的重力测量装置及测量方法

技术领域

本发明属于加速度测量技术领域，涉及一种小型化微晶玻璃腔体的可移动式重力测量装置。

背景技术

对重力加速度的传统测量方法是使用机械式重力仪，结合真空腔的使用，可减少各种阻力对物体加速度的影响，而实现重力加速度的测量。自1991年以来，物质波干涉仪逐渐成为除机械式重力仪之外仅有的一种可达到高分辨率的重力测量手段。

原子重力仪作为最近发展出来的先进物质波干涉仪之一，由于其高精度，可应用于很多研究领域，包括地震学、测地学、大地构造物理学等。但是由于原子冷却、原子操控、原子测量等系统结构的复杂性，使得原子重力仪的体积较大，不便于移动测量，影响了原子重力仪的环境适应性，阻碍了其工程化的进展。

发明内容

本发明的目的：提供一种结构简单、体积小，基于微晶玻璃腔体的重力测量装置。

另外，本发明还提供一种基于上述重力测量装置的重力测量方法。

本发明的技术方案：基于微晶玻璃腔体的重力测量装置，其包括二维微晶玻璃真空腔体、三维微晶玻璃真空腔体、碱金属源、差分泵浦管，其中，所述三维微晶玻璃真空腔体从上到下分成三维冷却真空腔、原子自由下落腔体、原子探测腔，其中，所述二维微晶玻璃真空腔体通过差分泵浦管连接在三维微晶玻璃真空腔体的三维冷却真空腔一侧，所述三维冷却真空腔另一侧连接有吸气装置，碱金属源连接在二维微晶玻璃真空腔体上，另外，所述差分泵浦管为与两个腔体材质一致的微晶玻璃制成。

所述碱金属源通过四通接头与二维微晶玻璃真空腔体连接。

所述四通接头上分别连接有离子泵和真空阀。

所述差分泵浦管与二维微晶玻璃真空腔体以及三维玻璃真空腔体之间均通过低温键合技术连接。

所述二维微晶玻璃真空腔体和三维玻璃真空腔体均通过低温键合技术将微晶玻璃窗片键合或粘接在微晶玻璃基础框架上制成。

所述吸气装置为吸气泵或离子泵。

一种基于所述测量装置的重力测量方法，其包括如下步骤：

步骤1.将二维微晶玻璃真空腔内部抽到超高真空后，并维持超高真空状态；

步骤2.打开碱金属源，维持二维微晶玻璃腔体内碱金属原子的数量；

步骤3.在二维微晶玻璃真空腔内施加两对正交二维冷却光束对，对腔体内的碱金属原子进行预冷却，使其在y，z方向上的运动速度得到降低；

步骤4.与此同时，在二维微晶玻璃真空腔体侧面注入一束推送光束，提高预冷却原子束流到三维微晶玻璃真空腔体的装载率；

步骤5.随后，在三维微晶玻璃腔内施加三对正交三维冷却光束对，获得陷俘冷原子团；

步骤6.完成对冷原子团的态制备，关闭光束，使原子自由下落；

步骤7.在冷原子团下落过程中，沿着y方向，作用一对相向传输的π/2拉曼脉冲光束对，随后冷原子团再经历自由下落时间T后，在同样方向作用π拉曼脉冲光束对，再间隔时间T后，最终作用π/2拉曼脉冲光束对，经过三次拉曼脉冲光束对的作用后，相位差可表示为：

Δφ＝φ_A-2φ_B+φ_C (5)

式中A,B,C分别对应三次拉曼脉冲作用，

其中，设t＝0时为第一个脉冲对作用时间，则根据间隔时间T，可得到φ_A＝0，φ_B＝k_effgT²/2以及φ_C＝k_effg(2T)²/2，式中k_eff为脉冲对有效波矢。

步骤8.在原子探测腔内利用一探测光束，完成下落原子态布居数分布的探测，得到：

P_|F＝2>＝[1-cos(Δφ)]/2 (6)

结合式(1)即可得到探测布居数与重力加速度的关系式：

P_|F＝2>＝[1-cos(k_effgT²)]/2 (7)

根据已知参数有效波矢k_eff和时间间隔T，结合探测布居数分布P_|F＝2>，即可得到当地的重力加速度，完成重力测量。

制备两团原子团同时完成自由下落，两路原子干涉仪的相位差与两原子团位置的重力加速度相关：

Δφ₂-Δφ₁＝k_eff(g₂-g₁)T² (8)

则根据已知参数有效波矢k_eff和时间间隔T，结合两团原子团探测布居数分布P_|F＝2>，能够测量当地重力梯度。

本发明的技术效果：本发明的重力测量装置基于低温键合技术，利用微晶玻璃构建真空腔体，通光性更好，结构更紧凑，热、磁稳定性以及抗冲击能力更高，有利于实现重力测量装置的小型化，便于实现高精度高可靠性可移动式重力测量装置的工程化实用。另外，本发明的重力测量装置在微晶玻璃真空腔内根据制备的原子团的数目不同可实现重力加速度和重力梯度参数测量。

附图说明

图1基于微晶玻璃腔体的重力测量装置结构示意图；

图2基于微晶玻璃腔体的重力测量装置二维真空腔结构示意图；

图3基于微晶玻璃腔体的重力测量装置三维真空腔内原子冷却示意图；

图4基于微晶玻璃腔体的重力测量装置重力测量中冷原子自由下落示意图；

图5基于微晶玻璃腔体的重力测量装置重力测量中第一束π/2拉曼脉冲光束对作用示意图；

图6基于微晶玻璃腔体的重力测量装置重力测量中第一次脉冲间隔T时间内冷原子自由下落示意图；

图7基于微晶玻璃腔体的重力测量装置重力测量中π拉曼脉冲光束对作用示意图；

图8基于微晶玻璃腔体的重力测量装置重力测量中第二次脉冲间隔T时间内冷原子自由下落示意图；

图9基于微晶玻璃腔体的重力测量装置重力测量中第二束π/2拉曼脉冲光束对作用示意图；

图10基于微晶玻璃腔体的重力测量装置重力测量中冷原子探测示意图；其中1-二维微晶玻璃真空腔体，2-三维微晶玻璃真空腔体，3-吸气泵，4-四通接头，5-离子泵，6-碱金属源，7-真空阀，8-差分泵浦管，9-二维冷却光束对，10-原子团，11-推送光束，12-三维冷却光束对，13-三维冷却真空腔，14-原子自由下落腔，15-原子探测腔，16-π/2拉曼脉冲光束对，17-π拉曼脉冲光束对，18-探测光束。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

请参阅图1，本发明基于微晶玻璃腔体的重力测量装置包括一套用于产生冷却原子束流的二维真空腔体、一套用于产生冷却原子团以及重力和重力梯度探测区域的三维微晶玻璃腔体以及激光系统。

所述二维真空腔体包括二维微晶玻璃真空腔1、四通接头4、离子泵5、碱金属源6、真空阀7和差分泵浦管8。所述四通接头4的四个开口分别与二维微晶玻璃真空腔1、离子泵5、碱金属源6和真空阀7连接。

所述差分泵浦管8两端分别连接二维微晶玻璃真空腔1和三维微晶玻璃真空腔2。

所述三维微晶玻璃真空腔体套包括三维冷却真空腔13、吸气泵3、原子自由下落腔14和原子探测腔15。

所述激光系统包括冷却激光系统、推送激光系统、拉曼激光系统以及探测激光系统。所述冷却激光系统提供二维冷却光束对9和三维冷却光束对12，用以在二维微晶玻璃真空腔1和三维微晶玻璃真空腔2内实现原子团冷却制备。所述推送激光系统提供推送光束11，用以提高二维微晶玻璃腔1内冷原子束流向三维微晶玻璃腔2内的加载率。所述拉曼激光系统提供π/2拉曼脉冲光束16对以及π拉曼脉冲光束对17，用以在自由下落腔14内实现冷原子团相干操控。

探测激光系统提供探测光束18，用以在原子探测腔15内实现冷原子探测。

本发明差分泵浦管和两个腔体均采用相同材质的微晶玻璃制成，所述差分泵浦管与二维微晶玻璃真空腔体以及三维玻璃真空腔体之间均通过低温键合技术连接。所述二维微晶玻璃真空腔体和三维玻璃真空腔体均通过低温键合技术将微晶玻璃窗片键合或粘接在微晶玻璃基础框架上制成。

由于微晶玻璃具有较高的力学强度、良好的化学稳定性、光学性能以及极低的膨胀系数，低温键合技术具有极高的灵活性，且键合完成的窗片与框架之间具有极高的粘接强度，对比金属腔体，可极大地缩小体积，降低工艺复杂度及成本，提高腔体的热、磁稳定性和抗冲击特性。结合冷却激光系统和拉曼激光系统，可实现小体积、高稳定性、高精度的可移动式重力测量装置。该发明在地震学、测地学以及大地构造物理学等领域有着广泛的应用前景。

本发明基于微晶玻璃腔体的重力测量装置实际工作时，实现重力测量的优选方案实施过程如下：

步骤1.通过左端二维微晶玻璃真空腔内真空阀7与前级真空泵连接，将二维微晶玻璃真空腔内部抽到超高真空(1Torr以下)后，关闭真空阀，利用离子泵5维持超高真空状态；

步骤2.打开碱金属源6，维持二维微晶玻璃腔体1内碱金属原子的数量；

步骤3.在二维微晶玻璃真空腔1内施加两对正交二维冷却光束对9，如图2所示，对腔体内的碱金属原子进行预冷却，使其在y，z方向上的运动速度得到降低；

步骤4.与此同时，优选在二维微晶玻璃真空腔体1侧面注入一束推送光束，提高预冷却原子束流到三维微晶玻璃真空腔体2的装载率；

步骤5.随后，在三维微晶玻璃腔内施加三对正交三维冷却光束对12，获得陷俘冷原子团，如图3所示；

步骤6.完成对冷原子团的态制备，关闭光束，使原子自由下落，如图4所示；

步骤7.在冷原子团下落过程中，如图5所示，沿着y方向，作用一对相向传输的π/2拉曼脉冲光束对16，随后冷原子团再经历自由下落时间T后，在同样方向作用π拉曼脉冲光束对17，再间隔时间T后，最终作用π/2拉曼脉冲光束对16，经过三次拉曼脉冲光束对的作用后，相位差可表示为：

Δφ＝φ_A-2φ_B+φ_C (9)

式中A,B,C分别对应三次拉曼脉冲作用。假设t＝0时为第一个脉冲对作用时间，则根据间隔时间T，可得到φ_A＝0，φ_B＝k_effgT²/2以及φ_C＝k_effg(2T)²/2，式中k_eff为脉冲对有效波矢。

步骤8.最后在原子探测腔15内利用一探测光束18，完成下落原子态布居数分布的探测，得到：

P_|F＝2>＝[1-cos(Δφ)]/2 (10)

结合式(9)即可得到探测布居数与重力加速度的关系式：

P_|F＝2>＝[1-cos(k_effgT²)]/2 (11)

根据已知参数有效波矢k_eff和时间间隔T，结合探测布居数分布P_|F＝2>，即可得到当地的重力加速度，完成重力测量。

步骤9.制备两团原子团同时完成自由下落，可将该方案拓展为测量当地重力梯度。两路原子干涉仪的相位差与两原子团位置的重力加速度相关：

Δφ₂-Δφ₁＝k_eff(g₂-g₁)T² (12)。

Claims (7)

1.一种基于微晶玻璃腔体的重力测量装置，其特征在于，包括二维微晶玻璃真空腔体(1)、三维微晶玻璃真空腔体(2)、碱金属源(6)、差分泵浦管(8)，其中，所述三维微晶玻璃真空腔体(2)从上到下分成三维冷却真空腔(13)、原子自由下落腔体(14)、原子探测腔(15)，其中，所述二维微晶玻璃真空腔体(1)通过差分泵浦管(8)连接在三维微晶玻璃真空腔体(2)的三维冷却真空腔(13)一侧，所述三维冷却真空腔(13)另一侧连接有吸气装置，碱金属源(6)连接在二维微晶玻璃真空腔体(1)上，另外，所述差分泵浦管(8)为与两个腔体材质一致的微晶玻璃制成，所述差分泵浦管(8)与二维微晶玻璃真空腔体(1)以及三维玻璃真空腔体(2)之间均通过低温键合技术连接。

2.根据权利要求1所述的重力测量装置，其特征在于，所述碱金属源(6)通过四通接头(4)与二维微晶玻璃真空腔体(1)连接。

3.根据权利要求2所述的重力测量装置，其特征在于，所述四通接头(4)上分别连接有离子泵(5)和真空阀(7)。

4.根据权利要求3所述的重力测量装置，其特征在于：所述二维微晶玻璃真空腔体(1)和三维玻璃真空腔体(2)均通过低温键合技术将微晶玻璃窗片键合或粘接在微晶玻璃基础框架上制成。

5.根据权利要求4所述的重力测量装置，其特征在于：所述吸气装置为吸气泵(3)或离子泵(5)。

6.一种基于权利要求1至5任一项所述重力测量装置的重力测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1.将二维微晶玻璃真空腔内部抽到超高真空后，并维持超高真空状态；

步骤2.打开碱金属源，维持二维微晶玻璃腔体内碱金属原子的数量；

步骤3.在二维微晶玻璃真空腔内施加两对正交二维冷却光束对，对腔体内的碱金属原子进行预冷却，使其在y，z方向上的运动速度得到降低；

步骤4.与此同时，在二维微晶玻璃真空腔体侧面注入一束推送光束，提高预冷却原子束流到三维微晶玻璃真空腔体的装载率；

步骤5.随后，在三维微晶玻璃腔内施加三对正交三维冷却光束对，获得陷俘冷原子团；

步骤6.完成对冷原子团的态制备，关闭光束，使原子自由下落；

步骤7.在冷原子团下落过程中，沿着y方向，作用一对相向传输的π/2拉曼脉冲光束对，随后冷原子团再经历自由下落时间T后，在同样方向作用π拉曼脉冲光束对，再间隔时间T后，最终作用π/2拉曼脉冲光束对，经过三次拉曼脉冲光束对的作用后，相位差可表示为：

Δφ＝φ_A-2φ_B+φ_C (1)

式中A,B,C分别对应三次拉曼脉冲作用，

其中，设t＝0时为第一个脉冲对作用时间，则根据间隔时间T，可得到φ_A＝0，φ_B＝k_effgT²/2以及φ_C＝k_effg(2T)²/2，式中k_eff为脉冲对有效波矢；

步骤8.在原子探测腔内利用一探测光束，完成下落原子态布居数分布的探测，得到：

P_|F＝2>＝[1-cos(Δφ)]/2 (2)

结合式(9)即可得到探测布居数与重力加速度的关系式：

P_|F＝2>＝[1-cos(k_effgT²)]/2 (3)

根据已知参数有效波矢k_eff和时间间隔T，结合探测布居数分布P_|F＝2>，即可得到当地的重力加速度，完成重力测量。

7.根据权利要求6所述的重力测量方法，其特征在于，制备两团原子团同时完成自由下落，两路原子干涉仪的相位差与两原子团位置的重力加速度相关：

Δφ₂-Δφ₁＝k_eff(g₂-g₁)T² (4)

则根据已知参数有效波矢k_eff和时间间隔T，结合两团原子团探测布居数分布P_|F＝2>，能够测量当地重力梯度。