KR101473737B1

KR101473737B1 - 디스펜서와 시준 개스킷을 이용한 원자간섭계 자이로스코프

Info

Publication number: KR101473737B1
Application number: KR1020130165752A
Authority: KR
Inventors: 임신혁
Original assignee: 국방과학연구소
Priority date: 2013-12-27
Filing date: 2013-12-27
Publication date: 2014-12-18

Abstract

본 발명은, 내부로 입사되는 원자빔의 간섭신호를 검출하도록, 상기 원자빔의 진행방향과 교차되는 방향으로 발생되는 라만레이저 및 검출레이저에 상기 원자빔을 차례로 통과시키는 간섭부, 및 상기 간섭부의 양측에 각각 구비되고, 상기 원자빔을 생성하여 상기 간섭부의 내부로 입사시키는 원자빔생성부를 포함하고, 상기 원자빔생성부는, 양단이 개방되도록 형성되는 중공부를 구비하고 전류를 인가받아 상기 중공부에 수용되는 원자를 가열하여 형성된 증기상태의 원자물질파를 개방된 일단으로 방출시키는 디스펜서, 및 상기 간섭부를 향하여 일 방향으로 연장되게 형성되고, 상기 원자물질파를 상기 원자빔으로 변환시키도록 상기 원자물질파를 통과시켜 상기 원자물질파의 방향성을 형성하는 개스킷을 포함하는 원자간섭계 자이로스코프를 제공한다.

Description

디스펜서와 시준 개스킷을 이용한 원자간섭계 자이로스코프{ATOM INTERFEROMETER GYROSCOPE USING DISPENSER AND COLLIMATION GASKET}

본 발명은 생성되는 원자빔의 간섭신호를 검출하는 원자간섭계 자이로스코프에 관한 것이다.

원자간섭계 자이로스코프는 원자의 내부에너지 상태를 이용하여 원자빔에 작용하는 각속도를 측정하는 장치이다.

원자의 내부에너지 상태는 외부 섭동과는 무관하기 때문에, 이를 기반으로 하는 다양한 원자간섭계 실험에서 여러가지 물리량의 정밀 측정방법에 대한 연구가 활발하게 수행되고 있다.

원자간섭계 자이로스코프는 라만레이저(Raman laser)를 이용하여 원자를 분리, 반사 및 간섭시킴으로써 구현할 수 있다. 라만레이저에 의해 내부에너지 상태가 변화된 원자는 라만레이저로부터 운동량을 전달받게 된다. 이러한 기술은 높은 기술 성숙도를 갖는다.

원자간섭계 자이로스코프에서 가장 먼저 고려되어야 할 부분은, 속도 분포 성분이 좁은 저속의 원자빔을 생성시키는 일이다. 간섭 신호를 연속적으로 얻기 위해서는 원자가 원자물질파 생성부에서 연속적으로 생성되어 빔(beam)의 형태로 간섭이 이루어지는 간섭부로 날아가야 한다. 원자를 분리, 반사 및 간섭시킬 때 원자의 속도 분포 성분이 넓으면 간섭 신호의 신호대잡음비(signal to noise ratio)가 나빠져 원자간섭계 자이로스코프의 측정 정밀도가 떨어지게 된다. 또한 간섭 신호를 연속적으로 얻지 못하면 동적인 환경에서 자이로스코프로 응용하기 어렵고, 측정 정밀도가 떨어지면 원자간섭계 자이로스코프의 활용도가 낮아진다.

도 1은 종래기술에 따른 오븐을 이용한 원자간섭계 자이로스코프를 나타낸 개념도이다.

도 1을 참조하면, 종래의 원자간섭계 자이로스코프(10)는 오븐(11)을 이용하여 원자를 수백도의 높은 온도로 가열하여 원자물질파를 생성한다. 그리고, 오븐(11)으로부터 길게 연결된 시준튜브(13)를 이용하여 상기 원자물질파를 냉각 및 정렬함으로써 원자빔(14)을 발생시킨다.

이와 같은 원자빔(14)의 생성방법은 원자빔(14)의 플럭스(flux)가 안정적이라는 장점이 있는 반면, 크기가 큰 오븐(11)을 열선(12)으로 계속 가열해야 하고, 장치의 구동 준비 시간이 길며, 전력의 소비도 많다. 또한, 수백도로 가열된 오븐(11)에서 발생하는 열이 다른 장비로 전도되지 않도록 냉각장치(15)를 추가해야 한다. 아울러 오븐(11)과 간섭부(16)를 가깝게 배치할 수 없어 장치의 소형화에도 어려움이 있다.

한편, 최근 원자간섭계 실험에서 원자빔 대신 두 개의 자기광포획을 이용하여 원자물질파를 생성하고, 이를 빠르게 교차시켜 라만레이저를 조사하는 방식으로 측정 반복률이 높은 원자간섭계 자이로스코프가 개발되었다. 이러한 장치는 원자의 속도 분포 성분이 좁고, 장치의 소형화가 가능하다. 하지만 이러한 방법은 측정 반복률이 높다 하더라도 자기광포획을 로딩하는데 시간이 필요하기 때문에, 간섭 신호가 나오지 않는 데드 타임(dead time)이 발생한다.

따라서, 장치의 소형화가 가능하며, 원자물질파의 로딩시간에 의한 데드 타임 없이 원자빔을 발생시키는 원자간섭계 자이로스코프의 개발이 고려될 수 있다.

본 발명은 오븐을 이용하지 않고, 속도 분포 성분이 좁은 동시에 원자물질파의 생성시 데드 타임이 없어, 높은 측정정밀도를 갖는 원자간섭계 자이로스코프를 제공하기 위한 것이다.

이와 같은 본 발명의 해결 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 원자간섭계 자이로스코프는, 내부로 입사되는 원자빔의 간섭신호를 검출하도록, 상기 원자빔의 진행방향과 교차되는 방향으로 발생되는 라만레이저 및 검출레이저에 상기 원자빔을 차례로 통과시키는 간섭부, 및 상기 간섭부의 양측에 각각 구비되고 상기 원자빔을 생성하여 상기 간섭부의 내부로 입사시키는 원자빔생성부를 포함하고, 상기 원자빔생성부는, 양단이 개방되도록 형성되는 중공부를 구비하고 전류를 인가받아 상기 중공부에 수용되는 원자를 가열하여 형성된 증기상태의 원자물질파를 개방된 일단으로 방출시키는 디스펜서, 및 상기 간섭부를 향하여 일 방향으로 연장되게 형성되고 상기 원자물질파를 상기 원자빔으로 변환시키도록 상기 원자물질파를 통과시켜 상기 원자물질파의 방향성을 형성하는 개스킷을 포함한다.

본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 원자물질파의 종단속도를 감소시켜 상기 원자빔의 플럭스(flux)를 증가시키도록, 상기 디스펜서와 상기 개스킷의 사이를 흐르는 상기 원자물질파에 냉각레이저를 입사시키는 냉각레이저부를 더 포함할 수 있다.

상기 개스킷은 상기 개스킷의 단부로부터 상기 디스펜서를 바라보도록 연장되게 형성되고 입사되는 빛을 반사하는 반사부재를 구비하고, 상기 냉각레이저는 상기 반사부재를 향하여 입사되고, 상기 반사부재로부터 반사되는 냉각레이저에 의해 상기 원자물질파가 냉각되도록 이루어질 수 있다.

상기 원자빔생성부는 외부로부터 입사되는 상기 냉각레이저가 상기 원자빔생성부 내부로 투과될 수 있도록 형성되는 적어도 하나의 냉각레이저 윈도우를 포함할 수 있다.

본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 도체로 이루어지고, 상기 디스펜서에 연결되어 상기 디스펜서로 전류를 전달하는 피드스루(feed-through)를 더 포함할 수 있다.

본 발명과 관련한 또 다른 일 예에 따르면, 상기 원자빔생성부와 상기 간섭부가 적어도 일부 연통되도록 연결하는 연결부재를 더 포함하고, 상기 개스킷은 상기 연결부재의 내부에서 상기 간섭부와 연통되도록 설치될 수 있다.

본 발명의 원자간섭계 자이로스코프는 원자물질파의 생성을 위한 디스펜서의 크기가 작아 장치의 소형화가 가능하며, 디스펜서에 전류를 인가하면 원자물질파가 생성되므로 장치의 동작이 신속하게 이루어질 수 있다.

또한, 냉각레이저로 원자물질파를 냉각시켜 원자물질파의 종단속도를 줄임으로써, 플럭스가 크고 속도 분포 성분이 좁은 원자빔을 생성시킬 수 있다.

도 1은 종래기술에 따른 오븐을 이용한 원자간섭계 자이로스코프를 나타낸 개념도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 원자간섭계 자이로스코프를 나타낸 개념도.
도 3은 도 2에 도시된 라만레이저를 통과하는 원자빔의 분리, 반사 및 간섭현상을 나타낸 개념도.

이하, 본 발명의 원자간섭계 자이로스코프에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

도 2은 본 발명의 일 실시예에 따른 원자간섭계 자이로스코프(100)를 나타낸 개념도이고, 도 3은 도 2에 도시된 라만레이저(R)를 통과하는 원자빔(B)의 분리, 반사 및 간섭현상을 나타낸 개념도이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 원자간섭계 자이로스코프(100)는 간섭부(110) 및 원자빔생성부를 포함하고, 상기 원자빔생성부는 디스펜서(120) 및 개스킷(130)을 포함한다.

간섭부(110)는 원자빔(B)에 작용하는 각속도를 측정하도록, 내부로 입사되는 원자빔(B)의 간섭신호를 검출하도록 이루어진다. 구체적으로, 간섭부(110)는 원자빔(B)의 진행방향과 교차되는 방향으로 발생되는 라만레이저(R) 및 검출레이저(D)에 원자빔(B)을 차례로 통과시킨다. 먼저, 도 2를 참조하면, 원자빔(B)은 라만레이저(R)를 통과하면서 발생되는 상호작용에 의해 분리 및 반사현상을 거쳐 간섭현상이 일어나게 된다. 다음으로, 간섭이 일어난 원자빔(B)은 검출레이저(D)를 통과하면서 반응이 일어나며 간섭신호를 발생시킨다. 이때 발생되는 상기 간섭신호를 이용하여 원자빔(B)에 작용하는 각속도의 측정이 이루어진다.

또한, 간섭부(110)는 라만레이저(R) 및 검출레이저(D)가 간섭부(110)의 내부로 투과될 수 있도록 각각 형성되는 적어도 하나의 라만레이저 윈도우(112) 및 검출레이저 윈도우(114)를 포함할 수 있다.

상기 원자빔생성부는 디스펜서(120) 및 개스킷(130)을 포함한다. 또한, 상기 원자빔생성부는 간섭부(110)의 양측에 각각 구비되고, 원자빔(B)을 생성하여 간섭부(110)의 내부로 입사시킨다. 도 2에서는 원자빔(B)이 간섭부(110)의 양측에서 모두 생성되는 것으로 도시되었으나, 원자빔(B)이 간섭부(110)의 양측이 아닌 일측에서만 생성되어 간섭부(110)의 내부로 입사될 수도 있다.

디스펜서(120)는 원자를 상기 원자의 증기상태인 원자물질파로 변환하여 개방된 일단으로 방출시키도록 형성된다. 구체적으로, 양단이 개방되도록 형성되는 중공부를 구비하고, 전류를 인가받아 상기 중공부에 수용되는 원자를 가열하여 상기 원자를 증기상태의 원자물질파로 변환시킨다. 변환된 상기 원자물질파는 개방된 일단을 통하여 디스펜서(120)의 외부로 방출된다. 한편, 원자간섭계 자이로스코프(100)는 도체인 디스펜서(120)로 전류를 전달하도록 이루어지고, 디스펜서(120)에 연결되어 인가되는 전류를 디스펜서(120)로 전달시키는 피드스루(feed-through,140)를 더 포함할 수 있다.

개스킷(130)은 상기 원자물질파를 원자빔(B)으로 변환시키도록 이루어진다. 보다 구체적으로, 디스펜서(120)로부터 방출되는 상기 원자물질파는 증기상태로서 일정한 방향성을 갖지 않는다. 개스킷(130)은 상기 원자물질파의 방향성을 형성하도록 간섭부(110)를 향하여 일 방향으로 연장되게 형성된다. 상기 원자물질파는 관(tube) 형태로 형성되는 개스킷(130)의 내부로 공급되어 정렬되는 과정을 통하여 시준(collimation)된다. 상기 시준된 원자물질파는 일 방향으로 방향성을 갖고 집중되어 흐르는 원자빔(B)으로 변환되어 간섭부(110)의 내부로 입사된다. 또한, 개스킷(130)은 구리(Cu) 재질로 이루어질 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명의 구성에 의하면, 디스펜서(120)에 전류를 인가하면 상기 원자물질파가 생성되므로 상기 원자물질파를 생성하기 위한 조작의 편의성이 높다. 또한, 디스펜서(120)의 크기를 작게 제작하는 것이 가능하여 전체적으로 원자간섭계 자이로스코프(100)의 크기를 소형화시키는 것이 가능하다.

한편, 원자간섭계 자이로스코프(100)는 냉각레이저부(미도시)를 더 포함할 수 있다.

상기 냉각레이저부는 상기 원자물질파를 냉각시키도록 이루어진다. 보다 구체적으로, 상기 냉각레이저부는 조사되는 대상을 냉각시키는 냉각레이저(C)를 발생시켜, 상기 개스캣(130)의 내부로 유입되는 상기 원자물질파에 입사시킨다. 이에 따라, 상기 원자물질파는 냉각레이저(C)에 의해 이동되는 속도 즉, 종단속도가 감소된다. 그리고, 상기 원자물질파는 상기 종단속도가 낮아짐에 따라 개스캣(130)의 내부로 유입되는 양이 증가하게 된다. 결과적으로, 개스캣(130)의 내부로 유입되는 상기 원자물질파의 양이 증가함에 따라 개스캣(130)을 통과하며 변환되는 원자빔(B)의 플럭스(flux)가 증가될 수 있다.

또한, 개스킷(130)은 입사되는 빛을 반사시키며, 개스킷(130)의 단부로부터 디스펜서(120)를 바라보도록 형성되는 반사부재(132)를 구비할 수 있다. 반사부재(132)는 빛을 반사시키는 재질로 이루어진다. 예를 들어, 반사부재(132)는 거울(mirror)로 이루어질 수 있다. 냉각레이저(C)는 반사부재(132)를 향하여 입사되되, 냉각레이저(C)가 반사되어 상기 원자물질파에 조사될 수 있도록, 도 2에 도시된 바와 같이 반사부재(132)를 향하여 경사지게 입사될 수 있다.

또한, 상기 원자빔생성부는 냉각레이저(C)가 상기 원자빔생성부의 내부로 투과될 수 있도록 형성되는 적어도 하나의 냉각레이저 윈도우(150)를 포함할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명의 구성에 의하면, 냉각레이저(C)로 상기 원자물질파를 냉각시켜 상기 원자물질파의 종단속도를 줄임으로써, 플럭스가 크고 속도 분포 성분이 좁은 원자빔(B)을 간섭부(110)의 내부로 입사시킬 수 있다. 이에 따라, 단위 시간당 발생되는 원자빔(B)의 양이 증가하고, 발생되는 원자빔(B)의 양이 증가함에 따라 원자빔(B)의 간섭신호를 검출하는 것이 용이해진다. 결과적으로, 원자간섭계 자이로스코프(100)를 이용한 원자빔(B)의 가속도 측정의 정밀도를 향상시킬 수 있다.

한편, 원자간섭계 자이로스코프(100)는 상기 원자빔생성부와 간섭부(110)을 연결하는 연결부재(160)를 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 연결부재(160)는 양측이 개방되게 형성되어 상기 원자빔생성부와 간섭부(110)가 적어도 일부 연통되도록 형성되고, 개스킷(130)은 연결부재(160)의 내부에서 간섭부(110)와 연통되도록 설치된다. 이에 따라, 개스킷(130)이 연결부재(160)와 일체로 형성되어, 개스킷(130)을 디스펜서(120)와 간섭부(110)의 사이에 배치시키기 위한 설치작업이 용이해진다.

다만, 본 발명의 권리범위는 위에서 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정됨은 아니고, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다. 또한, 특허청구범위로부터 파악되는 본 발명의 권리범위와 비교하여 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자 수준에서 변형, 부가, 삭제, 치환 가능한 발명 등 모든 균등한 수준의 발명에 대하여는 모두 본 발명의 권리 범위에 속함은 자명하다.

100 : 원자간섭계 자이로스코프 110 : 간섭부
120 : 디스펜서 130 : 개스킷
140 : 피드스루 150 : 냉각레이저 윈도우
160 : 연결부재

Claims

내부로 입사되는 원자빔의 간섭신호를 검출하도록, 상기 원자빔의 진행방향과 교차되는 방향으로 발생되는 라만레이저 및 검출레이저에 상기 원자빔을 차례로 통과시키는 간섭부; 및
상기 간섭부의 양측에 각각 구비되고, 상기 원자빔을 생성하여 상기 간섭부의 내부로 입사시키는 원자빔생성부를 포함하고,
상기 원자빔생성부는,
양단이 개방되도록 형성되는 중공부를 구비하고, 전류를 인가받아 상기 중공부에 수용되는 원자를 가열하여 형성된 증기상태의 원자물질파를 개방된 일단으로 방출시키는 디스펜서; 및
상기 간섭부를 향하여 일 방향으로 연장되게 형성되고, 상기 원자물질파를 상기 원자빔으로 변환시키도록 상기 원자물질파를 통과시켜 상기 원자물질파의 방향성을 형성하는 개스킷을 포함하는 원자간섭계 자이로스코프.
제1항에 있어서,
상기 원자물질파의 종단속도를 감소시켜 상기 원자빔의 플럭스(flux)를 증가시키도록, 상기 디스펜서와 상기 개스킷의 사이를 흐르는 상기 원자물질파에 냉각레이저를 입사시키는 냉각레이저부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원자간섭계 자이로스코프.
제2항에 있어서,
상기 개스킷은 상기 개스킷의 단부로부터 상기 디스펜서를 바라보도록 연장되게 형성되고 입사되는 빛을 반사하는 반사부재를 구비하고,
상기 냉각레이저는 상기 반사부재를 향하여 입사되고, 상기 반사부재로부터 반사되는 냉각레이저에 의해 상기 원자물질파가 냉각되도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 원자간섭계 자이로스코프.
제3항에 있어서,
상기 원자빔생성부는 외부로부터 입사되는 상기 냉각레이저가 상기 원자빔생성부 내부로 투과될 수 있도록 형성되는 적어도 하나의 냉각레이저 윈도우를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자간섭계 자이로스코프.
제1항에 있어서,
도체로 이루어지고, 상기 디스펜서에 연결되어 상기 디스펜서로 전류를 전달하는 피드스루(feed-through)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원자간섭계 자이로스코프.
제1항에 있어서,
상기 원자빔생성부와 상기 간섭부가 적어도 일부 연통되도록 연결하는 연결부재를 더 포함하고,
상기 개스킷은 상기 연결부재의 내부에서 상기 간섭부와 연통되도록 설치되는 것을 특징으로 하는 원자간섭계 자이로스코프.