CN111551163A - 四极核旋转边带惯性转动测量方法和三轴nmr陀螺装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了四极核旋转边带惯性转动测量方法，还公开了三轴NMR陀螺装置，包括静电屏蔽不锈钢外壳，以及设置在静电屏蔽不锈钢外壳中陀螺单元，陀螺单元包括泵浦光激光器、锁相放大器、减法放大器、光电探测器阵列、聚光准直分束组件、第一真空管、第二真空管、控制计算显示模块、第一反射镜、第二反射镜、λ/4波片、扩束和准直透镜、立方体型样品泡、温控隔热系统、探测光激光器、准直变衰减器、λ/2波片、磁屏蔽筒、y方向亥姆赫兹线圈、z方向亥姆赫兹线圈以及x方向亥姆赫兹线圈。本发明测量的精度，改善了动态测量范围。

Description

四极核旋转边带惯性转动测量方法和三轴NMR陀螺装置

技术领域

本发明涉及核四极共振弱信号探测和惯性转动测量量子传感领域，更具体涉及四极核旋转边带惯性转动测量方法，同时还涉及到三轴NMR陀螺装置。适用于用导航级微小型陀螺仪测量惯性转动等惯性导航领域，同时也可用于改善芯片尺度核磁共振(NMR)陀螺仪的零偏稳定性等性能指标。

技术背景

利用核自旋进动制作的光泵型核磁共振陀螺仪原子传感器件，已达到很高测量精度和微小型导航级，可望在航天、航空、航海和军事等领域的有着极其重要潜在的实际应用。由于在三轴NMR陀螺仪需要三组不同取向物理系统以及在微小型NMR陀螺仪中核四极共振效应是影响陀螺仪零偏稳定性指标的主要因素之一，因此如何简化其三轴NMR陀螺仪物理系统以提高其可靠性，以及如何改善微小型NMR陀螺仪零偏稳定性等性能指标，从而实现微小型NMR陀螺仪高精度惯性转动测量，是方法或者技术上的巨大挑战。

针对本发明应用背景的已有相关文章和专利的技术方案如下：

从“激光极化惰性气体装置”[孙献平，罗军，曾锡之.，中国发明专利号：ZL01106694.6]可知：A、技术方案——由于NMR信号的灵敏度很低，所以采用激光增强核极化方法来增加NMR信号和核四极共振信号的灵敏度；B、基本原理是：使用来自半导体激光器的圆偏振抽远光，在低磁场下使Cs(Rb，或K)原子基态至高度的电子自旋极化。通过自旋交换碰撞产生高度核极化惰性气体原子核气体(例如使用¹²⁹Xe、¹³¹Xe、²¹Ne和⁸³Kr)，将超极化气态惰性气体原子核置于近零磁场或零磁场中微型样品泡中作为工作介质；C、其结构大体上是：一对产生均匀低磁场的线圈中放置充有碱金属原子、惰性气体原子和缓冲气体的原子气室(样品泡)；D、存在的问题：虽然此装置可以产生超极化的惰性气体，但不能作为测量惯性转动的敏感元件。

由“魔角的准确快速确定”[叶朝辉，裘鉴卿，李丽云，孙伯勤.，物理学报,33(12)，1680(1984)]可知:A、技术方案——使用慢旋转样品，利用四极相互作用产生的自由感应衰减(FID)信号分解一系列旋转回波，通过观测回波数的增加，迅速准确魔角；B、其原理是在慢旋转条件下四极相互作用的自由感应衰减(FID)信号分解为一系列旋转回波，其旋转边带的强度和线宽强烈依赖于样品的旋转轴。转速一定，基于旋转边带波数的多少准确快速确定魔角；C、其结构是在超导磁体中放置旋转的圆柱体样品转子，其样品转子的旋转轴与超导磁体产生的静磁场成大约54°角。D、存在问题，虽然可以较精确(±0.05°)魔角，但是需要强磁场，只能二维确定魔角，不能确定转子的转速；

由“Deviation from Berry's Adiabatic Geometric Phase in a ¹³¹Xe NuclearGyroscope”[S.Appelt,G.

and M.Mehring.,Physical Review Letters,72(25)，3921(1994)]和“Adiabatic Rotational Splittings and Berry's Phase in NuclearQuadrupole Resonance”[Robert Tycko，Physical Review Letters,53(22),2281(1987)]可知：A、技术方案——使用慢旋转样品的核四极共振测量Berry相位；B、其原理是在核四极共振谱中样品的旋转诱导共振频率的劈裂，由此导出相位从而获得样品的转速；C、其结构是在均匀静磁场中放置旋转的圆柱体样品转子；D、存在问题：虽然实验演示了可以研究Berry相位和非Abelian效应和测量了转速，但是不能确定转轴与静磁场之间的夹角。

此外，对高精度、小体积、低成本和低功耗陀螺仪一直是惯性导航领域迫切和重大需求。随着量子技术和原子传感器相关技术的快速发展，在惯性导航等领域也非常需要一种结构简单，低功耗，微型或芯片尺度，同时又具有很高零偏稳定性角运动测量方法和相应的原子传感装置。

发明内容

本发明的目的是在于提供了四极核旋转边带惯性转动测量方法。方法简单易行，具有大的动态测量范围，快速的冷启动，高精度等特点。与其它光泵自旋交换NMR陀螺仪相比，由于本发明利用了核四极共振效应，极大地改善了此类NMR陀螺仪的零偏稳定性等性能指标，从而提高了此类NMR陀螺仪的精度。而这一效应是影响其它的NMR陀螺仪零偏稳定性的重要的因素之一。

本发明的另一个目的是在于提供了三轴NMR陀螺装置。用单一物理系统就可以测量三个方向的惯性转动(测量在惯性空间的角速度矢量的大小,并确定其角速度矢量之方向)。因此具有结构简单，一体化集成、操作简单、运行可靠等特点。其性能指标预计：在原子气室线度小于1mm条件下，此类NMR陀螺仪零偏稳定性优于0.01°/h,动态测量范围大于25000°/s。芯片尺度大小物理系统，具有低功耗的等特点的NMR陀螺仪。具有很强的潜在实用性。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术措施：

三轴NMR陀螺装置，包括静电屏蔽不锈钢外壳，静电屏蔽不锈钢外壳设置有陀螺单元，

陀螺单元包括泵浦光激光器、控制计算显示模块、探测光激光器、磁屏蔽筒和立方体型样品泡，

泵浦光激光器与控制计算显示模块相连，泵浦光激光器输出的泵浦光束依次经过扩束和准直透镜和λ/4波片后，再经过磁屏蔽筒的圆型开孔垂直入射到立方体型样品泡，经过立方体型样品泡后打到发黑的遮光板上，

探测光激光器与控制计算显示模块相连，探测光激光器的输出光束分别经过准直变衰减器以及λ/2波片后，再穿过磁屏蔽筒上的小孔垂直入射至第二真空管的入射通光窗口，经过第二反射镜反射后，探测光束经第二真空管的出射通光窗口垂直入射到立方体型样品泡，在立方体型样品泡中与泵浦光束垂直相交于立方体型样品泡的中心，探测光束通过立方体型样品泡后经第一真空管入射到聚光准直分束组件，聚光准直分束组件对探测光依次进行聚光、准直和偏振分束输出形成两路光信号，聚光准直分束组件输出的两路光信号分别由光电探测器阵列的两个光电探测器接收，光电探测器阵列的两个光电探测器分别与减法放大器的两个输入端连接，减法放大器的输出端与锁相放大器连接，锁相放大器的参考信号来自控制计算显示模块，锁相放大器的输出信号传输到控制计算显示模块。

如上所述的立方体型样品泡被置于温控隔热系统中，温控隔热系统外装有y方向亥姆赫兹线圈、z方向亥姆赫兹线圈、和x方向亥姆赫兹线圈，立方体型样品泡、温控隔热系统、y方向亥姆赫兹线圈、z方向亥姆赫兹线圈、和x方向亥姆赫兹线圈均被置于磁屏蔽筒中心。

如上所述的立方体型样品泡中充有偶极惰性气体原子、四极惰性气体原子、碱金属原子蒸气、缓冲气体和氢气。

四极核旋转边带惯性转动测量方法，包括步骤：

步骤1、在立方体型样品泡中填充偶极惰性气体原子、四极惰性气体原子、碱金属原子蒸气、缓冲气体和氢气；

步骤2、控制计算显示模块控制温控隔热系统，使得立方体型样品泡的温度为90-120℃，控制计算显示模块控制泵浦光激光器使得泵浦光束的频率锁定在立方体型样品泡中的碱金属原子的第二共振谱线上，控制计算显示模块控制探测光激光器使得探测光束的频率锁定在立方体型样品泡中的碱金属原子的第一共振谱线的线翼处，

步骤3、关闭泵浦光束大约一小时后，维持立方体型样品泡的温度稳定不变，通过反复调节准直变衰减器和λ/2波片的偏振方向，进而调整探测光束的功率大小和偏振方向，使得减法放大器输出为零；

步骤4、施加沿电场梯度主轴方向的微小静磁场B₀时，测量四极耦合常数ν_Q和不对称参数η；

步骤5、分别反复调节y方向亥姆赫兹线圈、z方向亥姆赫兹线圈、和x方向亥姆赫兹线圈中的电流大小和方向，使其四极惰性气体原子核感受到的静磁场为近零磁场；

步骤6、测量近零磁场下四极惰性气体原子核的核磁共振自由感应衰减信号，控制计算显示模块对核磁共振自由感应衰减信号进行快速傅立叶变换，获得四极惰性气体核的6个共振谱线的可能跃迁频率，每个共振谱线的可能跃迁频率均为关于载体的转动速率Ω、球坐标系下的天顶角θ、和球坐标系下的方位角

的表达式，使用最小二乘法拟合方法获得载体的转动速率和转轴方向。

本发明相对于现有技术，具有以下优点：

由于利用了核四极共振效应，大大地改善了此类陀螺仪的零偏稳定性等性能指标，从而提高了陀螺仪的精度；

由于利用了四极核旋转边带谱，改善了此类陀螺仪的动态测量范围，使其能应用于更广泛的领域；

由于测量载体的转动速率是基于四极核旋转边带谱相对间隔，从而提高了测量的精度；

由于利用了核四极共振效应和四极核旋转边带谱，从而使得使用单一的原子气室，就可以同时实现载体的转动速率的测量和转动轴的空间方向的高精度确定，极大的简化了三轴陀螺仪的物理系统，增加了系统的可靠性。使其能用于可靠性要求较高的领域。

与现有的核磁共振陀螺仪相比，本发明动态测量范围宽，物理系统大为简化，用少的资源就可实现三轴核磁共振陀螺仪，克服了核四极共振效应对通常的核磁共振陀螺仪测量精度的影响，可大大提高核磁共振陀螺仪的零偏稳定性指标。

本发明提供的基于四极核旋转边带惯性转动测量(方法和装置)能用于在微型或芯片级尺度的原子传感器件中，它可克服在微型不对称物理系统中大的核四极共振效应对传感器件性能指标的影响。

附图说明

图1在零磁场下，以核自旋I＝3/2惰性气体在立方体型原子气室为例基于四极核旋转边带惯性转动测量方法能级和测量方法示意图。

图1(a)为惰性气体原子核自旋I＝3/2在相对于惯性空间未转动和转动时的能级图和可能的跃迁。当未转动时，能级±3/2和±1/2分别简并。当转动时，能级±3/2和±1/2简并解除，形成四个子能，有6个可能的跃迁。

图1(b)为以立方体型原子气室为例，相对于惯性空间转动时，转动的圆频率为Ω，在转动空间非惯性参考系中产生的等效的“规范势”为

这里γ_N为惰性气体原子核的旋磁比。

图2为本发明的三轴NMR陀螺仪装置示意图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

泵浦光激光器1采购商用半导体激光器，其控温和锁频电路模块自带。其波长依据在原子气室中所充的碱金属原子D₂线的波长而定。功率大约几百毫瓦。

锁相放大器2，其参考频率由控制计算显示模块7提供，输入信号由减法放大器3提供。

减法放大器3，包括减法器和前置放大器。输入信号由光电探测器阵列4提供。

光电探测器阵列4，采用采购的性能相近2个光电探测器元件构造而成，有两路独立的输入和输出。

聚光准直分束组件5，包括聚光透镜、准直透镜和偏振分束器。

第一真空管6，为L形状，由高强度玻璃管加工而成。将其真空度优于10^-6Pa。在直角转弯处有第一反射镜8。

控制计算显示模块7，分别与探测光激光器13、泵浦光激光器1、锁相放大器2、温控隔热系统12、y方向亥姆赫兹线圈19、z方向亥姆赫兹线圈20、和x方向亥姆赫兹线圈21连接。

第一反射镜8，采用商用元件，使用真空胶粘在真空管6的转弯处。

λ/4波片9，为市购产品。

扩束和准直透镜10，包括扩束透镜和准直透镜。

立方体型样品泡11，它是由石英玻璃制成的原子气室。其形状可以是圆柱体或四面体等部分对称和最不对称的形状。这里的光路是以立方体型样品泡为例设计的，其他形状的原子气室样品泡的光路需要修改，并作特定的设计。

温控隔热系统12，温控隔热系统12包括设置在原子气室上的加热系统和设置在加热系统外部的隔热系统，加热系统包括四线反向环绕柔性的加热片，加热片贴在原子气室外面不通光部分，由控制计算显示模块7为加热片提供加热电流，通过在原子气室外面贴有无磁感温电阻感温，控制计算显示模块7根据无磁感温电阻感温电阻测量的感温传感信号对加热片进行加热。从而获得合适的碱原子数密度(数量级大约为10¹⁴/cm³)。隔热系统为间隔双层无磁环氧树脂等材料制作保温室。在通光处开有不同大小的圆形孔。

探测光激光器13，由VCSEL激光器组成，其工作波长接近(失谐量大约20-50GHz范围)于碱原子D₁线，即工作在碱原子D₁线展宽的线翼处。其频率和驱动电流由控制计算显示模块7中控制和提供。

准直变衰减器14，包括准直透镜和可变衰减器，由采购的商用元件组装而成。

λ/2波片15，由采供的商用元件组成。

磁屏蔽筒16，由5-6层薄膜μ合金材料组成圆筒形磁屏蔽系统。

第二真空管17，同第一真空管6。

第二反射镜18，同第一反射镜8。

y方向亥姆赫兹线圈19、z方向亥姆赫兹线圈20、和x方向亥姆赫兹线圈21，均由无磁材料制作圆环形骨架，无氧铜漆包线环绕在圆环形骨架上组成磁场线圈。其电流由控制计算显示模块7提供。

静电屏蔽不锈钢外壳22，包括304不锈钢组成长方体形状的外壳和设置在外壳外部的优良导体制作屏蔽层。

一种基于四极核旋转边带惯性转动测量NMR陀螺装置，包括静电屏蔽不锈钢外壳22，以及设置在静电屏蔽不锈钢外壳22中陀螺单元，陀螺单元包括泵浦光激光器1、锁相放大器2、减法放大器3、光电探测器阵列4、聚光准直分束组件5、第一真空管6、第二真空管17，控制计算显示模块7、第一反射镜8、第二反射镜18、λ/4波片9、扩束和准直透镜10、立方体型样品泡11、温控隔热系统12、探测光激光器13、准直变衰减器14、λ/2波片15、磁屏蔽筒16、y方向亥姆赫兹线圈19、z方向亥姆赫兹线圈20以及x方向亥姆赫兹线圈21。连接关系如下：

陀螺单元置于静电屏蔽不锈钢外壳22中，光电探测器阵列4、聚光准直分束组件5、第一真空管6、第一反射镜8、立方体型样品泡11、温控隔热系统12、x方向亥姆赫兹线圈21、z方向亥姆赫兹线圈20、y方向亥姆赫兹线圈19、第二反射镜18、第二真空管17设置在磁屏蔽筒16中。

泵浦光激光器1与控制计算显示模块7相连，泵浦光激光器1输出的泵浦光束依次经过扩束和准直透镜10和λ/4波片9后，再经过磁屏蔽筒16的圆型开孔垂直入射到立方体型样品泡11，经过立方体型样品泡11(原子气室)后打到发黑的遮光板上。锁相放大器2与减法放大器3相连，锁相放大器2同时与控制计算显示模块7相连，锁相放大器2的参考信号来自控制计算显示模块7，锁相放大器2的输出信号送到控制计算显示模块7，进一步在显示面板上显示测量结果。减法放大器3与光电探测器4相连，光电探测器4两路信号送到减法放大器3，减法放大器先对光电探测器4两路信号放大在进行相减，相减后的信号输入到锁相放大器4。来自聚光准直分束组件5输出的两路光信号分别由光电探测器阵列4的两个光电探测器接收。第一真空管6的出射通光窗口的出射的探测光垂直入射到聚光准直分束组件5，聚光准直分束组件5对探测光依次进行聚光、准直和偏振分束输出形成两路光信号。第一真空管6的入射通光窗口穿过保温室12的开孔与立方体型样品泡11的表面垂直相连，第一真空管6的入射通光窗口接收经立方体型样品泡11出射的探测光束，探测光束经第一反射镜8反射后经第一真空管6的出射通光窗口入射聚光准直分束组件5。立方体型样品泡11(原子气室)安装在磁屏蔽筒16内的减振底座上。温控隔热系统12与控制计算显示模块7相连，温控隔热系统12中的无磁感温电阻感温传感信号被送往控制计算显示模块7中，控制计算显示模块7根据无磁感温电阻测量的感温传感信号对加热片进行加热，使其具有特定的原子气室温度产生合适的原子蒸汽的原子数密度。探测光激光器13与控制计算显示模块7相连。探测光激光器13的输出光束分别经过准直变衰减器14(先准直后衰减)、以及λ/2波片15后，具有合适光强的探测光束穿过磁屏蔽筒16上的小孔垂直入射至第二真空管17的入射通光窗口，经过第二反射镜18反射后，探测光束经第二真空管17的出射通光窗口垂直入射到立方体型样品泡11，在立方体型样品泡11中严格与泵浦光束垂直相交于立方体型样品泡11的中心，探测光束通过原子气室后经第一真空管8入射到聚光准直分束组件5。y方向亥姆赫兹线圈19、z方向亥姆赫兹线圈20、x方向亥姆赫兹线圈21分别由控制计算显示模块7提供驱动电流。

控制计算显示模块7控制泵浦光激光器1使得泵浦光束的频率锁定在立方体型样品泡11中的碱金属原子的第二共振谱线(D₂共振谱线)上。控制计算显示模块7控制探测光激光器13使得探测光束的频率锁定在立方体型样品泡11中的碱金属原子的第二共振谱线(D₁共振谱线)的线翼处。

泵浦光束经过扩束和准直透镜10和λ/4波片9后为圆偏振光，探测光束经过准直变衰减器14、以及λ/2波片15后为合适光强的线偏振光，泵浦光束和探测光束严格正交于立方体型样品泡11的中心，分别透射于立方体型样品泡11外，泵浦光束被发黑板阻挡。探测光束经第一反射镜8垂直入射到聚光准直分束组件5上。

立方体型样品泡11内充有碱金属原子中一种(如⁸⁷Rb,K,和Cs中的一种，取决于所用的惰性气体原子)，立方体型样品泡11被置于温控隔热系统12中，温控隔热系统12外装有y方向亥姆赫兹线圈19、z方向亥姆赫兹线圈20、和x方向亥姆赫兹线圈21。立方体型样品泡11、温控隔热系统12、y方向亥姆赫兹线圈19、z方向亥姆赫兹线圈20、和x方向亥姆赫兹线圈21均被置于磁屏蔽筒16中心，磁屏蔽筒16设置在静电屏蔽不锈钢外壳22中。

本发明基于四极核旋转边带惯性转动三轴NMR陀螺装置的工作流程如下：

泵浦光激光器1发射的泵浦光束经过扩束和准直透镜10和λ/4波片9后变为合适大小光束的圆偏振光(右旋或左旋)，圆偏振光与探测光激光器13发射的探测光束(弱光)经过准直变衰减器14和λ/2波片15变为合适光强光束的线偏振光(竖直偏振或水平偏振)平行传输，探测光束方向再经过第二反射镜18改变90度后与泵浦光束垂直相交于立方体型样品泡11的中心。探测光束经过立方体型样品泡11后透射出后光束方向再经过第一反射镜8改变90度与泵浦光束平行传输入射到聚光准直分束组件5，聚光准直分束组件5对入射的探测光束进行聚光、准直、分束后获得两路不同线偏振方向的探测光束，两路不同线偏振方向的探测光束分别打到光电探测器阵列4的两个光电探测器上，光电探测器阵列4输出的两路电信号经过减法放大器3先放大后相减后，在送到锁相放大器2中放大后，放大后的信号经过控制计算显示模块7计算获得转体相对于惯性空间坐标系的转动角速率和转轴的方向余弦。从而实现从大的背景噪声中提取微弱的核电四极共振信号。本发明可以实现零偏稳定性在0.01°/h量级的基于四极核旋转边带惯性转动测量多轴NMR陀螺仪。

本实施例中以立方体型样品泡11中充有⁸⁷Rb、¹²⁹Xe和¹³¹Xe进行基于四极核旋转边带惯性转动测量方法作详细说明，其具体实现步骤是：

立方体型样品泡11的制备:立方体型样品泡11是本发明的最核心的物理部件,其性能好坏直接决定了此类陀螺仪的性能指标。由于立方体型样品泡11中充有偶极惰性气体原子和四极惰性气体原子，他们的弛豫时间有很大的不同，一般来说，偶极惰性原子核(例如¹²⁹Xe)比四极惰性气体原子核(例如¹³¹Xe)的弛豫时间要长得多，为了增加四极惰性气体原子核(例如¹³¹Xe)的弛豫时间，所以立方体型样品泡11中充有氢气(例如，对于1mm³样品泡，大约充有100Torr的氢气)。再考虑到不同惰性气体原子核的旋磁比的不同，充有不同的惰性气体分压((例如，对于¹²⁹Xe和¹³¹Xe气体分压比大约为1比4)，使其在稳态时，不同的惰性气体原子核产生的极化场尽量在大小上接近。此外还充有缓冲气体(本实施例中为氮气)。按此方法制备合适的立方体型样品泡11(原子气室)；

泵浦光束波长锁定、探测光束波长锁定以及光路的调节：当立方体型样品泡11加热至设定温度并稳定后，使用控制计算显示模块7分别对泵浦激光器1和探测激光器13进行锁频，将泵浦光激光器1的泵浦光束的波长调节到原子气室中碱金属原子第二共振谱线(D₂共振谱线)上,泵浦光束经过扩束和准直透镜10和λ/4波片9后，将泵浦光转换为圆偏振光(右旋),再经过磁屏蔽筒的圆型开孔和真空玻璃管垂直入射到立方体型样品泡11的一个通光表面上，经过立方体型样品泡11(原子气室)后打到发黑的遮光板上。将探测光激光器13的频率调节到原子气室中碱金属原子第一共振谱线(D₁共振谱线)的线翼上(与共振时有大失谐，约30-50GHz),探测光激光器13发射的探测光束(弱光)经过准直变衰减器14和λ/2波片15变为合适光强光束的线偏振光(竖直偏振或水平偏振)平行传输，探测光束方向再经过第二反射镜18改变90度后与泵浦光束垂直相交于立方体型样品泡11的中心。探测光束经过立方体型样品泡11后透射出后再经过第一反射镜8改变90度后与泵浦光束平行传输入射到聚光准直分束组件5，聚光准直分束组件5对输入的探测光束进行聚光、准直、分束后形成两路不同先偏振的探测光束，两路不同线偏振的探测光束分别打到光电探测器阵列4的两个光电探测器上。当立方体型样品泡11(原子气室)的温度达到一个最佳温度点(最佳温度点的范围在90-120℃，不同的样品泡有不同的最佳温度点)并达到稳态后,打开泵浦光激光器1和探测光激光器13,通过仔细调节泵浦光束的波长和探测光束的波长，各自的光功率大小，泵浦光束和探测光束的两路光垂直度，使其碱原子电子自旋极化最大时并达到稳态后,当旋光信号达到最佳(即旋光角度达到最大值)时，分别锁定泵浦光束的频率和探测光束的频率。并将泵浦光激光器1和探测光激光器13相关于波长对应的参数(包括泵浦光激光器和探测光激光器各自控温温度值、驱动电流值以及波长值)记录在控制计算显示模块7中待用；

平衡零拍探测的调节：关闭泵浦光束大约一小时后，维持立方体型样品泡11(原子气室)的温度稳定不变，通过调节准直变衰减器14和λ/2波片15的偏振方向，选择探测光束的功率大小，通过调节探测光束的偏振方向,使其两路输出不同线偏振方向的探测光束分别打到光电探测器阵列4的两个光电探测器上，光电探测器阵列4的两个光电探测器输出的两路电信号经过减法放大器3，再送到锁相放大器2中放大，反复重复上述过程，直到两路信号放大后，使得两路信号大小相同，即两路放大后信号相减为零信号为止。此后保留此部分减法放大器3的两路输入的放大倍数；

超极化惰性气体制备最佳实验条件时参数确定、原子气室电场梯度张量大小和张量主轴测量和标定：由于气态四极惰性气体原子核(例如¹³¹Xe)的磁共振信号的低灵敏度，所以需要制备超极化惰性气体。将立方体型样品泡11加热到最佳温度点(90-120℃)，待温度稳定后，再打开泵浦激光器，将泵浦光束的波长调节到原子气室中碱金属原子第二共振谱线上，大约泵浦20多分钟后，高度电子极化碱金属原子通过自旋交换碰撞将其高度的电子自旋极化转换到惰性气体原子核上，经过一段时间后产生稳态的超极化惰性气体。当惰性气体原子核极化度达到最大后，记录立方体型样品泡11的温度、光泵浦时间、泵浦激光器的波长功率等等实验参数，存入控制计算显示模块7中待用。

由于不同原子气室的材料和形状以及充有碱金属量等等导致不同物理系统参数的离散性，需要对每一个制备好的原子气室对其电场梯度张量进行测量和标定。对于立方体型样品泡11，采用电场梯度张量主轴坐标系，V_xx、V_yy、V_zz分别为电场梯度张量主轴坐标系的x轴、y轴、z轴方向的电场梯度值，找出V_xx、V_yy、V_zz中绝对值最大的对应的轴为电场梯度张量主轴V_NN，例如，|V_zz|≥|V_yy|≥|V_xx|,即电场梯度张量主轴坐标系的z轴沿电场梯度张量主轴，测量四极惰性气体原子核(例如¹³¹Xe)与原子气室的电四极相互作用就是要确定四极耦合常数e²qQ＝eV_NNQ(这里V_zz和Q定义见附图1)和不对称参数η(这里η定义见附图1)，其中，e为电子的电荷量，定义V_NN＝eq，其中q为描述张量主轴(坐标系z轴)方向的电场梯度大小的量，Q为惰性气体原子核的电四极矩。

为了确定以频率为单位的四极耦合常数(ν_Q)和不对称参数(η)，以核自旋量子数为3/2的原子核为例：当原子气室处于静止时，如果静磁场为零，核自旋量子数为3/2惰性气体原子核有两个双重简并的自旋子能级(见附图1)：

这里h为普朗克常数。这时只有一个非零的跃迁频率ν方程，跃迁频率ν可以实际测量获得：

因此无法确定电四极跃迁频率ν_Q和不对称参数η两个未知参数。但是如果在沿电场梯度张量主轴(本实施例为z方向)加上一个很小的静磁场，可使得两个简并核自旋子能级简并解除，这时就可以分别确定两个未知参数。具体的方法如下：

当施加沿电场梯度主轴方向(本实施例为z方向)的微小静磁场B₀时，

这里

γ为惰性气体四极核的旋磁比，

(I为惰性气体四极核的核自旋量子数，e为电子的电荷量，h为普朗克常数，Q为四极核的电四极矩，q为描写电场梯度张量主值的量)，

c_z＝cosθ，为载体转动角速度在电场梯度张量主轴坐标系中的方向余弦，其中θ为球坐标系下的天顶角，

为球坐标系下的方位角。

当施加沿电场梯度主轴方向(z方向)的微小静磁场B₀时，产生六个跃迁频率ν，选取两个最高的跃迁频率ν和两个最低的跃迁频率ν，组成四组非零的跃迁频率ν方程，通过最小二乘法计算四组非零的跃迁频率ν方程中的电四极跃迁频率ν_Q和不对称参数η。将电四极跃迁频率ν_Q和不对称参数η存储在控制计算显示模块7中备用。

四极惰性气体原子核(例如¹³¹Xe)感受到的静磁场近零磁场调节：在高抑制比的多层磁屏蔽中，无磁感温元件和四线反向柔性加热片等等所产生剩余磁场大约几个微高斯。当打开泵浦激光器大约20多分钟后，这时高度电子极化碱金属原子通过自旋交换碰撞将其高度的电子自旋极化转移到惰性气体原子核上，产生稳态的超极化惰性气体。由于在原子气室中充有偶极核惰性原子核(例如¹²⁹Xe)、四极核惰性气体原子核(例如¹³¹Xe)、以及碱金属原子，高度极化的碱金属原子和超极化惰性气体分别产生一个具有几个微高斯和几个毫高斯量级极化磁场。静磁场近零磁场调节实际上由亥姆赫兹线圈产生的静磁场产生一个具有几个毫高斯量级和为几个微高斯的磁场抵消由超极化惰性气体原子核¹²⁹Xe产生的极化磁场和电子自旋极化的碱原子产生的极化磁场(不考虑四极核惰性气体原子核自己产生的极化磁场)和剩余磁场。通过测量四极惰性气体原子核磁共振信号，根据测量四极惰性气体原子核磁共振信号的频率大小和是否有边带分裂谱线，通过分别反复精密调节正交的y方向亥姆赫兹线圈19、z方向亥姆赫兹线圈20、和x方向亥姆赫兹线圈21中的电流大小和方向，使其四极惰性气体原子核(例如¹³¹Xe)感受到的静磁场为接近零磁场。亥姆赫兹线圈产生的静磁场产生的磁场与超极化惰性气体核¹²⁹Xe产生的极化磁场和电子自旋极化的碱原子产生的极化磁场方向是相反的。当四极惰性气体原子核(例如¹³¹Xe)感受到的静磁场为接近零磁场时，实际上这时惰性气体原子核¹²⁹Xe和电子自旋极化的碱原子这时所感受到的静磁场并不为零。将原子气室的温度、加在y方向亥姆赫兹线圈19、z方向亥姆赫兹线圈20、和x方向亥姆赫兹线圈21的电流精确值、泵浦光功率和泵浦时间等等参数存储到控制计算显示模块7中待用；

零转速定标和静磁场锁定：利用两个旋磁比符号相反的惰性气体核(例如：¹²⁹Xe和¹³¹Xe)的和频信号来实现零转速定标和静磁场锁定。

由于

与转体转动速率无关，已知静磁场B₀大小(静磁场B₀由z方向上亥姆赫兹线圈产生，大约10毫高斯)，可以计算偶极核惰性原子核(例如¹²⁹Xe)和四极核惰性气体原子核(例如¹³¹Xe)各自磁共振频率，在x方向上亥姆赫兹线圈中加上两个频率可调的交变磁场，使用Ramsey分离场方法，使用相位锁定方法将偶极核惰性原子核(例如¹²⁹Xe)和四极核惰性气体原子核(例如¹³¹Xe)的和频信号锁定原子钟上,从而实现将静磁场大小转换成频率锁定原子钟上，实现静磁场的锁定，其静磁场的稳定性取决于原子钟的频率稳定性。所有其他的电路信号的调制频率均以偶极核惰性原子核(例如¹²⁹Xe)和四极核惰性气体原子核(例如¹³¹Xe)的和频信号的频率为参考。即以这一频率为测量频率的参考标准。为了实现零转速定标，将载体的角速度设定为一系列已知的角速率±ω_i(i＝1,…100)，其方向沿电场梯度张量主轴方向，使用调制和解调和相位比较方法，使用¹²⁹Xe和¹³¹Xe的和频信号为参考信号，在本发明的三轴NMR陀螺装置的载体中(样品泡随载体一起转动)分别测量¹²⁹Xe和¹³¹Xe核磁共振频率，根据两个不同惰性气体原子测量惯性转动计算载体的转动速率Ω公式(此时测量的标定转动速率Ω与¹²⁹Xe和¹³¹Xe核所感受的静磁场大小无关)

其中，

为¹³¹ _Xe的旋磁比，

为¹²⁹ _Xe的旋磁比，

为¹²⁹ _Xe的核磁共振频率，

为¹³¹ _Xe的核磁共振频率，确定转动载体的转动速率，通过外推方法，从而实现载体的零转速定标；

低频噪声抑制：为了减少低频噪声，在电场梯度张量主轴方向(z方向)上亥姆赫兹线圈中加上频率20KHz(以原子钟的频率为标准)的交变磁场，使用20KHz的信号频率作为锁相放大器的参考频率。

在x方向上亥姆赫兹线圈中加上频率可变的交变磁场。使用共模碱原子磁强计探测四极惰性气体核在x-y平面的核磁共振自由感应衰减(FID)信号；

转动速率和转轴方向的测量：当产生了超极化的惰性气体后，基于上述实验过程所获得的实验参数，调用控制计算显示模块7中相关参数实现四极惰性气体原子核近零静磁场的实验条件。当转动载体时，在随转动载体一起转动的电场梯度张量主轴坐标系(即非惯性转动坐标系中，z轴取为沿电场梯度张量主轴方向)，由于转动,在非惯性转动坐标系中，会产生一个“规范势”的“虚拟磁场”[B_r,参见附图1(b)]，当引入了这一“虚拟磁场”后，在静止的坐标系中的所有公式都可以在非惯性坐标系中应用。在相对于非惯性坐标系静止的观测者看来，载体的转动轴方向在非惯性坐标系是时刻变化的。确定了转动轴方向在非惯性转动坐标系(随电场梯度一起转动的坐标系)中的相对方向，基于四极核惰性气体原子核¹³¹Xe在近零磁场下自旋方向的定轴性，就确定了载体相对于惯性坐标系的转动方向，这时相当于样品不动而外场(电场梯度)动。当测量了相对于固定在电场梯度张量一起转动坐标系中的“虚拟磁场”的大小，就确定了载体的转动速率。根据在慢转速条件下，当ν_Q远大于ν₀，绝热条件满足时，使用简并态的微扰近似可得：

其中，

Ω为载体的转动速率，

ν_Q为已知测量的物理量。有六个可能跃迁频率：

这里

c_z＝cosθ，为载体转动角速度在电场梯度张量主轴坐标系中的方向余弦，其中θ为球坐标系下的天顶角，

为球坐标系下的方位角。上述方程组中有三个未知变量，即ν₀，

θ，这是超约束方程组。只要测量获得了6个核电四级共振跃迁频率，就获得了超过了变量个数的方程组。原则上就可获得

θ，也即确定了载体的角速度矢量(大小和方向)。在随载体一起转动的非惯性坐标系中，使用共模碱原子磁强计测量近零磁场下四极惰性气体核¹³¹Xe的核磁共振自由感应衰减(FID)信号，通过计算机对核磁共振自由感应衰减(FID)信号进行快速傅立叶变换，就可以获得四极惰性气体核(主跃迁和边带跃迁)的共振谱线的频率(6个)，注意到转动轴相对于非惯性坐标系的方向余弦(即不对称参数)与跃迁频率之间的非线性以及多余限制未知变量(载体的转动速率和电场梯度张量的不对称参数)个数的约束方程。使用最小二乘法拟合方法获得载体的转动速率和转轴方向。

上述描述中均以充有⁸⁷Rb、¹²⁹Xe和¹³¹Xe样品泡为例，在具体实施过程中，本发明也可以选择其他的碱原子[例如：钾(K)和铯(Cs)]以及其他的惰性气体原子[例如：氖(²¹Ne)和氪(⁸³Kr)等等]。但是涉及其他碱原子和惰性气体原子，必须分别选择相应于碱原子谱线的激光锁频电路单元、激光器、工作波长镀膜的光学器件、与原子气室样品相关的等等实验参数。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (4)

1.三轴NMR陀螺装置，包括静电屏蔽不锈钢外壳(22)，其特征在于，静电屏蔽不锈钢外壳(22)中设置有陀螺单元，

陀螺单元包括泵浦光激光器(1)、控制计算显示模块(7)、探测光激光器(13)、磁屏蔽筒(16)和立方体型样品泡(11)，

泵浦光激光器(1)与控制计算显示模块(7)相连，泵浦光激光器(1)输出的泵浦光束依次经过扩束和准直透镜(10)和λ/4波片(9)后，再经过磁屏蔽筒(16)的圆型开孔垂直入射到立方体型样品泡(11)，经过立方体型样品泡(11)后打到发黑的遮光板上，

探测光激光器(13)与控制计算显示模块(7)相连，探测光激光器(13)的输出光束分别经过准直变衰减器(14)以及λ/2波片(15)后，再穿过磁屏蔽筒(16)上的小孔垂直入射至第二真空管(17)的入射通光窗口，经过第二反射镜(18)反射后，探测光束经第二真空管(17)的出射通光窗口垂直入射到立方体型样品泡(11)，在立方体型样品泡(11)中与泵浦光束垂直相交于立方体型样品泡(11)的中心，探测光束通过立方体型样品泡(11)后经第一真空管(8)入射到聚光准直分束组件(5)，聚光准直分束组件(5)对探测光依次进行聚光、准直和偏振分束输出形成两路光信号，聚光准直分束组件(5)输出的两路光信号分别由光电探测器阵列(4)的两个光电探测器接收，光电探测器阵列(4)的两个光电探测器分别与减法放大器(3)的两个输入端连接，减法放大器(3)的输出端与锁相放大器(2)连接，锁相放大器(2)的参考信号来自控制计算显示模块(7)，锁相放大器(2)的输出信号传输到控制计算显示模块(7)。

2.根据权利要求1所述的三轴NMR陀螺装置，其特征在于，所述的立方体型样品泡(11)被置于温控隔热系统(12)中，温控隔热系统(12)外装有y方向亥姆赫兹线圈(19)、z方向亥姆赫兹线圈(20)、和x方向亥姆赫兹线圈(21)，立方体型样品泡(11)、温控隔热系统(12)、y方向亥姆赫兹线圈(19)、z方向亥姆赫兹线圈(20)、和x方向亥姆赫兹线圈(21)均被置于磁屏蔽筒(16)中心。

3.根据权利要求2所述的三轴NMR陀螺装置，其特征在于，所述的立方体型样品泡(11)中充有偶极惰性气体原子、四极惰性气体原子、碱金属原子蒸气、缓冲气体和氢气。

4.四极核旋转边带惯性转动测量方法，利用权利要求3所述的三轴NMR陀螺装置，其特征在于，包括步骤：

步骤1、在立方体型样品泡(11)中填充偶极惰性气体原子、四极惰性气体原子、碱金属原子蒸气、缓冲气体和氢气；

步骤2、控制计算显示模块(7)控制温控隔热系统(12)，使得立方体型样品泡(11)的温度为90-120℃，控制计算显示模块(7)控制泵浦光激光器(1)使得泵浦光束的频率锁定在立方体型样品泡(11)中的碱金属原子的第二共振谱线上，控制计算显示模块(7)控制探测光激光器(13)使得探测光束的频率锁定在立方体型样品泡(11)中的碱金属原子的第一共振谱线的线翼处，

步骤3、关闭泵浦光束大约一小时后，维持立方体型样品泡(11)的温度稳定不变，通过反复调节准直变衰减器(14)和λ/2波片(15)的偏振方向，进而调整探测光束的功率大小和偏振方向，使得减法放大器(3)输出为零；

步骤4、施加沿电场梯度主轴方向的微小静磁场B₀时，测量四极耦合常数ν_Q和不对称参数η；

步骤5、分别反复调节y方向亥姆赫兹线圈(19)、z方向亥姆赫兹线圈(20)、和x方向亥姆赫兹线圈(21)中的电流大小和方向，使其四极惰性气体原子核感受到的静磁场为近零磁场；

步骤6、测量近零磁场下四极惰性气体原子核的核磁共振自由感应衰减信号，控制计算显示模块(7)对核磁共振自由感应衰减信号进行快速傅立叶变换，获得四极惰性气体核的6个共振谱线的可能跃迁频率，每个共振谱线的可能跃迁频率均为关于载体的转动速率Ω、球坐标系下的天顶角θ、和球坐标系下的方位角

的表达式，使用最小二乘法拟合方法获得载体的转动速率和转轴方向。

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