CN214470903U - 一种基于多反射腔的核磁共振原子陀螺仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于多反射腔的核磁共振原子陀螺仪，在含多反射腔的气室中充入碱金属原子和氙气的两种同位素气体。通过极化碱金属原子的自旋交换碰撞将极化传递给惰性气体原子的核自旋。惰性气体原子由激励磁场连续驱动，其频率通过锁相环保持共振，实现陀螺仪的闭环工作。在原子池中引入Herriott多反射腔提高系统的灵敏度，同时可以避免额外调制磁场的引入对系统的干扰，从而提高系统的稳定性。利用内置的铷原子磁力仪获取氙原子的核自旋信号，得到核自旋测到的转动信息，实现陀螺仪的功能。

Description

一种基于多反射腔的核磁共振原子陀螺仪

技术领域

本实用新型涉及原子器件领域，具体地说是一种基于核磁共振技术，利用多反射腔来提高灵敏度和系统稳定性的核磁共振陀螺仪。

背景技术

陀螺仪作为惯性测量的核心部件，一直以来受到了广泛的关注，在军事以及民用领域都有着巨大的需求。其中，原子陀螺仪近些年发展迅速，性能以及实用性等方面都有了快速的进步。在基础物理研究，与惯性测量密切相关的航空，航天，航海以及交通导航等领域都有着很好的应用前景。目前在原子陀螺仪领域主要分为利用原子自旋和原子干涉的陀螺仪。利用原子自旋相关的陀螺仪，可以分为补偿型陀螺仪和核磁共振陀螺仪等。补偿型陀螺仪实验装置复杂，数据处理繁琐，在未来的小型化和实用化过程中可能会遇到众多困难。核磁共振陀螺仪则有可能解决这些问题，但是，核磁共振陀螺仪也遭遇了其他挑战。

核磁共振陀螺仪是利用核自旋-碱金属系统来工作的，我们实验中采用Rb-¹²⁹Xe/¹³¹Xe 系统。铷原子在这里具有两个作用，一个是可以通过碰撞来极化氙原子，另一个作用则是作为内置的铷原子磁力仪来探测氙核自旋的进动信号。核自旋磁力仪利用极化的核自旋对磁场的响应来探测磁场的变化，它是核自旋共磁力仪的基础。在惰性气体原子中，氙气与碱金属原子的碰撞截面是最大的。这样，一方面它可以很快地被碱金属极化(极化时间约为1分钟)，另一方面，氙气的极化磁场也可以最灵敏地被碱金属原子磁力仪探测到。探测到的信号经过处理就可以得到转动信息。

充入惰性气体原子后，碱金属原子的驰豫主要受限于其与惰性气体原子之间的碰撞。惰性气体原子核自旋共磁力仪的灵敏度受限于碱金属原子磁力仪的灵敏度，而碱金属原子磁力仪的灵敏度与其共振线宽成反比。目前提出的增加核自旋气体中碱金属原子的探测灵敏度的一些解决方案都需要结合大幅度高频率的磁场调制来实现自旋与环境的解耦，这会对系统带来很大的干扰，影响系统的稳定性。使用多反射腔这种被动的方法则可以在提高灵敏度的同时，大幅降低这种干扰。

从1979年开始，美国的Litton公司和Singer-Kearfott公司分别开展了基于⁸⁷Rb-⁸³Kr/¹²⁹Xe和¹⁹⁹Hg/²⁰¹Hg系统的核磁共振陀螺仪的实验。同年，斯坦福大学也开始进行相关实验并且申请了专利。1980年Singer-Kearfott公司实现的核磁共振陀螺仪的角度随机游走和漂移稳定性分别为0.053°/h^1/2，0.02°/h。1983年Litton公司的指标则达到了0.002°/h^1/2和0.01°/h。1993年在德国的Stuttgart大学的实验在Rb-¹²⁹Xe 上得到的角度随机游走为1.7°/h^1/2。美国的Northrop Grumman公司从2005年至2014 年分四个阶段达到的角度随机游走和漂移稳定性分别为0.005°/h^1/2，0.02°/h。在国内，许多单位也开展了相关的研究，北京自动化控制设备研究所在2013年成功研制出了核磁共振陀螺仪的样机，并且在2016年做出了小型化样机，他们的样机漂移稳定性好于1°/h。国内的其他单位现阶段更多是在进行核磁共振陀螺仪附属模块的研究，整机的测试结果还没有看到更多的报道。

实用新型内容

本实用新型技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于多反射腔的核磁共振原子陀螺仪，具有结构简单、高灵敏度、高稳定性的优点，在提高灵敏度的同时，大幅降低这种干扰。其典型参数可以达到：角度随机游走和漂移稳定性分别为0.09°/h^1/2， 0.2°/h。

本实用新型技术解决方案：一种基于多反射腔的核磁共振原子陀螺仪，包括：含有Herriott多反射腔的原子池、加热单元、磁场单元、光电探测器、锁相放大器及频率测量采集系统；

含有Herriott多反射腔的原子池，与加热单元、磁场单元放置在坡莫合金制成的磁屏蔽桶中，磁屏蔽桶屏蔽地磁场以及外界杂散磁场的干扰；

加热单元，对含有Herriott多反射腔的原子池中的原子进行加热；加热单元是两块无磁加热片组成，由高频交流电实现加热，两片加热片分别紧贴在原子池上下两面，利用3D打印的盒子把原子池和加热片装在一起；

磁场单元包含X、Y和Z三个方向的磁场线圈，磁场线圈放置在磁屏蔽桶内部，通过转接板和螺丝钉与磁屏蔽桶连接；

光电探测器的探测电路由两个光电探测器组成，分别测量探测光的两个线偏振分量光功率，然后利用差分电路得到光偏振旋转的信号；

锁相放大器包括锁相环和振荡器；解调后得到在激励磁场对应的频率大小下的幅值和相位信息，锁相环会输出和氙同位素拉莫频率分别共振的频率大小，振荡器则负责将这个频率输出到磁场线圈上。

频率测量采集系统，对振荡器的输出频率进行测量，得出陀螺仪的转动信息。

所述包含Herriott多反射腔的原子池长宽高分别为30*18*17mm，其内部有前后两个柱面镜，使用的柱面镜直径12.7mm，厚度2.5mm，曲率半径100mm，两柱面镜间距 19.2mm，主轴相对转角52.2°。其中前面的柱面镜中心开2.5mm直径的小孔，探测光以水平5°的角度从小孔入射到多反射腔中，经21次反射后从相同的小孔出射。

所述加热单元采用两片无磁加热片通过交流电对原子池加热；在加热的同时采用保温材料将所述原子池中的原子气室部分包裹。

所述Herriott多反射腔在使用过程中放置入3D打印的盒子之中。

本实用新型的工作过程为：含有Herriott多反射腔的原子池、加热单元以及X、Y和Z方向的磁场单元都放置在五层磁屏蔽桶中，磁屏蔽桶起到屏蔽外界杂散磁场的作用，其他的组成单元放置在平台上用以采集实验数据，然后再对数据进行处理；设计的无磁加热片通过交流电为原子加热，温度需要达到大约110℃，让原子处于一个稳定的高原子数密度下，得到足够高的信噪比；抽运光在原子陀螺仪的工作过程中要持续对铷原子进行极化，并且会通过碰撞把极化传递给氙原子，在Z方向磁场线圈上通过高稳定性的电流源，产生稳定的偏置磁场；在偏置磁场为160mG的工作条件下，极化的氙气原子被Y方向磁场单元施加的交流激励磁场的驱动，部分氙气的极化会以激励磁场的频率在垂直于偏置磁场的方向进动，当激励磁场的频率等于氙同位素的拉莫进动频率的时候，探测得到的核磁共振的信号是最大的；探测光经过多反射腔后增大了与原子的作用距离，铷磁力仪测得的氙进动信号通过碱金属原子与探测光的相互作用体现在探测光的偏振变化上，利用光电探测器系统将探测光信号转换为电信号，再进一步被锁相放大器分别以之前的激励信号作为参考信号来解调处理，解调出来的有氙气进动信号的幅值和相位信息，其中相位与激励磁场的频率之间呈色散关系；激励磁场频率与氙气拉莫进动频率共振点对应于色散曲线的中点，同时也是相对磁场变化最敏感的点，而且信号的响应也是最大的，将该点作为锁相环闭环锁定的设置点，利用锁相环的输出反馈控制激励场的频率，从而使系统处于闭环工作状态，这样外界的转动等效为偏置磁场的改变量，它的变化会引起锁相环闭环反馈信号的改变，振荡器输出的激励磁场频率也随之发生改变，这样在频率测量端去采集频率的反馈量即实现对于转动的探测，基于多反射腔的核磁共振原子陀螺仪的功能则实现完成。

本实用新型的优点和积极效果为：

(1)使用含有多反射腔的原子池，在保持系统小型化的同时可以有效提高碱金属磁力仪灵敏度。典型情况下，冲入碱金属原子和惰性气体原子的原子池中，碱金属磁力仪灵敏度会限制核自旋磁力仪的灵敏度，进而限制陀螺仪性能。

(2)使用含有Herriott多反射腔的原子池，使得不需要附加额外的参数调制磁场，避免额外调制带来的干扰。

(3)在多反射腔的和3D打印的辅助下，本实用新型免去繁琐的光路调节，简化系统，为未来实现小型化核磁共振陀螺仪提供了便利。

(4)在实用新型中，两种惰性气体原子(¹²⁹Xe和¹³¹Xe)被束缚在同一原子池中，它们同时同地的感受到磁场的变化，可以利用这两种原子的信号消除磁场波动的影响，从而可以利用核自旋进行精密测量。

(5)核磁共振陀螺仪利用锁相环技术不仅可以实现系统的闭环连续工作，还可以提高系统的工作带宽。

附图说明

图1为本实用新型的一种基于多反射腔的核磁共振原子陀螺仪的组成框图；

图2为含有Herriott多反射腔的原子池；其中：前腔镜1、后腔镜2、玻璃罩3、硅片4；

图3为抽运光和探测光以及激励磁场施加示意图；

图4为3D打印平台与原子池结合后的实物图；其中：探测光光纤输出头5、打印平台6。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步详述。

如图1所示，本实用新型的一种基于多反射腔的核磁共振原子陀螺仪，包括：含有Herriott多反射腔的原子池、加热单元、磁场单元、光电探测器、锁相放大器及频率测量采集系统；

含有Herriott多反射腔的原子池，与加热单元、磁场单元放置在坡莫合金制成的磁屏蔽桶中，磁屏蔽桶屏蔽地磁场以及外界杂散磁场的干扰；

加热单元，对含有Herriott多反射腔的原子池中的原子进行加热，使原子处于一个稳定的高原子数密度下；加热单元要对含有Herriott多反射腔的原子池进行加热，因为碱金属原子在常温下的原子数密度是相对较低的，磁力仪探测灵敏度以及超极化氙气的程度都较弱。一般系统需要工作在110℃左右的温度来获得足够大的信噪比。加热单元是两块无磁加热片组成，由高频交流电实现加热，两片加热片分别紧贴在原子池上下两面，利用3D打印的盒子把原子池和加热片装在一起；

磁场单元包含X、Y和Z三个方向的磁场线圈，分别用来提供陀螺仪工作所需的偏置磁场和激励磁场，其中偏置磁场用来定义系统的极化轴方向，抽运光持续对铷原子进行极化，通过碰撞把极化传递给氙原子，由Z方向磁场单元施加偏置磁场；偏置磁场和抽运光的方向一致，原子的极化沿着抽运光的方向，同时氙气的拉莫进动频率也由偏置磁场决定；在Y方向磁场单元施加的单一频率的交流激励磁场的驱动，部分氙气极化会以激励磁场的频率在垂直于偏置磁场的方向进动，陀螺仪闭环工作时Y方向的激励磁场由振荡器提供，X方向磁场是空置的，但是当探测光方向改变时，激励磁场就需要加在 X方向上面，这里可以留作备用；含有Herriott多反射腔的原子池以及加热单元都是处于磁场单元的内部，原子池要尽量靠近磁场线圈的中心位置；

光电探测器的探测电路由两个光电探测器组成，它们分别测量探测光的两个线偏振分量光功率，然后利用差分电路得到光偏振旋转的信号，这个信号是锁相放大器的输入信号；

锁相放大器包括锁相环和振荡器；锁相放大器对信号作相位灵敏探测，并对信号中的某个频率附近的部分进行分离探测；锁相放大器的参考信号一方面作为输出信号，来驱动氙气同位素进动；另一方面，它也作为参考信号来解调光电探测器的输出信号，解调后就可以获取氙同位素各自进动的相位和幅值信号；相位信号利用锁相环来做闭环锁定在设定的相位值，而这个闭环是通过锁相环输出给振荡器来调节激励磁场频率；

频率测量采集系统，对振荡器的输出频率进行测量，得出陀螺仪的转动信息。

本实用新型的测试是在一个由坡莫合金制成的5层磁屏蔽桶中进行，磁屏蔽桶可以屏蔽地磁场以及外界杂散磁场的干扰。含有Herriott多反射腔的原子池是原子陀螺仪的核心部分，当原子陀螺仪工作时正是利用原子池内部的原子测量出转动信息。原子气室配合一个3D打印平台使用，这样省去光路调节的步骤。在实际工作中需要原子处于大约 110℃，因为高温可以得到更大的信号，进而提高信噪比。为了达到这个工作温度，使用自主设计的两片无磁加热片通过交流电来对原子池加热。在加热的同时需要保温材料将原子气室部分包裹起来以起到隔热保温的作用，同时减少对加热功率的需求，铷原子被抽运光极化后，通过碰撞将极化传递给氙气。探测光是相对于铷原子D1线蓝失谐的线偏振光，通过多反射腔后，其与碱金属原子的作用距离增大。原理上实验信号来自探测光的法拉第旋光效应，探测光的偏振被光电探测器测量到，并把光信号变为电信号，光电探测器获取的信号会输入到锁相放大器。锁相放大器利用相位敏感探测技术解调出探测信号里调制频率为¹²⁹Xe和¹³¹Xe的共振频率的部分。另一方面振荡器提供驱动氙气原子进动的激励场，锁相环是由鉴相器、低通滤波器和压控振荡器组成的，它可以通过改变驱动场频率来将输入相位锁定在设定的值上，这样振荡器就可以始终将输出的激励磁场频率保持在氙气共振频率。磁场单元是包含X、Y和Z这3个方向的磁场线圈，Y和Z方向分别用来提供测试中所需的偏置磁场和激励磁场，X方向的线圈则空置备用。频率测量采集系统对振荡器的输出频率进行测量以得出陀螺仪的转动信息。

所述Herriott多反射腔的前腔镜和后腔镜通过阳极键合的方法固定在硅片上，两个腔镜均为柱面镜，间距19.2mm，主轴相对转角52.2°。玻璃罩是在腔镜键合在硅片上面之后，再利用阳极键合的方法实现与硅片的密封，原子的充入需要通过玻璃罩上的尾管实现，全部的原子充入原子池中后，最后通过火焰灼烧将原子池从真空系统上取下，含有多反射腔的原子池制作完成。

所述加热单元采用两片无磁加热片通过交流电来对原子池加热；在加热的同时需要保温材料将所述原子池中的原子气室部分包裹起来，以起到隔热保温的作用，同时减少对加热功率的需求，铷原子被抽运光极化后，通过碰撞将极化传递给氙气。

使用含有多反射腔的原子池，在保持系统小型化的同时可以有效提高碱金属磁力仪灵敏度。一般情况下，冲入碱金属原子和惰性气体原子的原子池中，碱金属磁力仪灵敏度会限制核自旋磁力仪的灵敏度，进而限制陀螺仪性能。使用含有Herriott多反射腔的原子池，使得系统不需要附加额外的调制来提高测量的信噪比，避免额外调制带来的对系统稳定性的干扰。

如图2所示，构成Herriott多反射腔的前腔镜1和后腔镜2通过阳极键合的方法固定在硅片4上，两个腔镜均为柱面镜，间距19.2mm，主轴相对转角52.2°。玻璃罩3 是在腔镜键合在硅片4上面之后，再利用阳极键合的方法实现与硅片4的密封。原子的充入需要通过玻璃罩上的尾管实现，全部的原子充入原子池中后，最后通过火焰灼烧将原子池从真空系统上取下，含有多反射腔的原子池制作完成。

图3展示了核磁共振陀螺仪的抽运光和探测光光路构成。抽运光首先耦合进入锥形放大器，可以增加抽运光的功率。抽运光功率的锁定可以利用抽运光通过原子池后的透射光大小的变化来实现。具体做法是利用透射光信号组成一个PID反馈系统，其反馈信号给锥形放大器用以保证原子极化的稳定。抽运光进入到原子池之前通过四分之一玻片变为圆偏振光用来极化原子。探测光由激光器发出后经声光调制器(AOM)后耦合进入光纤，之后再由光纤打入原子池中的Herriott多反射腔内，经过21次反射后出射，由偏振分束器分成两束，初始没有进动信号时，调整使得两束光大小相等，差分输出为零，差分输出作为两个锁相放大器的输入信号，实现差分探测。两个光电探测器输出之和作为反馈信号输入到PID控制器，用来控制声光调制器(AOM)锁定探测光光强。

图4展示了将原子池与3D打印平台6相结合，抽运光通过窗口打入到原子池中。探测光光纤输出头5是经过特殊设计的，由3D打印方法制作，集成了输出准直透镜，使得探测器经光纤输出后不再需要人为调整，可以直接使用。同时在3D打印技术的帮助下，可以准确的定义探测光和多反射腔之间的入射关系，这样就免去了繁琐的光路调节。

Claims (4)

1.一种基于多反射腔的核磁共振原子陀螺仪，其特征在于，包括：含有Herriott多反射腔的原子池、加热单元、磁场单元、光电探测器、锁相放大器及频率测量采集系统；

含有Herriott多反射腔的原子池，与加热单元、磁场单元放置在坡莫合金制成的磁屏蔽桶中，磁屏蔽桶屏蔽地磁场以及外界杂散磁场的干扰；

加热单元，对含有Herriott多反射腔的原子池中的原子进行加热；加热单元是两块无磁加热片组成，由高频交流电实现加热，两片加热片分别紧贴在原子池上下两面，利用3D打印的盒子把原子池和加热片装在一起；

磁场单元包含X、Y和Z三个方向的磁场线圈，磁场线圈放置在磁屏蔽桶内部，通过转接板和螺丝钉与磁屏蔽桶连接；

光电探测器的探测电路由两个光电探测器组成，分别测量探测光的两个线偏振分量光功率，然后利用差分电路得到光偏振旋转的信号；

锁相放大器包括锁相环和振荡器；解调后得到在激励磁场对应的频率大小下的幅值和相位信息，锁相环会输出和氙同位素拉莫频率分别共振的频率大小，振荡器则负责将这个频率输出到磁场线圈上；

频率测量采集系统，对振荡器的输出频率进行测量，得出陀螺仪的转动信息。

2.根据权利要求1所述的基于多反射腔的核磁共振原子陀螺仪，其特征在于：所述含有Herriott多反射腔的原子池长宽高分别为30*18*17mm，其内部有前后两个柱面镜，使用的柱面镜直径12.7mm，厚度2.5mm，曲率半径100mm，两柱面镜间距19.2mm，主轴相对转角52.2°，其中前面的柱面镜中心开2.5mm直径的小孔，探测光以水平5°的角度从小孔入射到多反射腔中，经21次反射后从相同的小孔出射。

3.根据权利要求1所述的基于多反射腔的核磁共振原子陀螺仪，其特征在于：所述加热单元采用两片无磁加热片通过交流电对原子池加热；在加热的同时采用保温材料将所述原子池中的原子气室部分包裹。

4.根据权利要求1所述的基于多反射腔的核磁共振原子陀螺仪，其特征在于：所述Herriott多反射腔在使用过程中放置入3D打印的盒子之中。

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