本发明专利技术涉及一种基于冷原子气体量子涡旋的超流体陀螺装置。所述超流体陀螺装置包括真空系统、激光冷却与囚禁系统、激励系统、时序控制系统、信息检测系统、角速率解算系统。本发明专利技术采用激光冷却原子实现气态超流体，不仅有效解决了原子自旋陀螺中的原子碰撞弛豫问题，而且有效克服了基于液He量子涡旋的超流体陀螺所存在的难以操控的不足。同时，本发明专利技术采用双磁光阱的高通量冷原子束流方案，既能避免第一级气室中背景原子对第二级气室干涉环境的破坏，又能为第二级气室提供高通量易捕获的原子。本发明专利技术属于新型量子陀螺技术领域，可应用于基于冷原子气体的超流体陀螺的设计。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种冷原子气体量子涡旋的超流体陀螺装置，适用于新型超高精度、 超高灵敏度超流体陀螺装置的设计。 技术背景 自19世纪末到现在，陀螺仪作为主要的惯性导航检测设备，在军、民用领域发挥 着重要的作用。传统概念的陀螺是通过转子转动产生动量矩来敏感陀螺壳体相对惯性空间 的角运动。光纤陀螺和激光陀螺通过sagnac效应，这种陀螺不再拥有高速旋转的转子，而 是基于新型的物理机理来完成壳体相对惯性空间的运动测量。近年来随着低温物理学等领 域的快速发展，出现了一系列新型的超过精度超高灵敏度陀螺，比如原子陀螺和超流体陀 螺。 原子陀螺主要包括原子自旋陀螺和原子干涉陀螺。其中，原子自旋陀螺又包括原 子SERF陀螺和核磁共振陀螺两类。在原子自旋陀螺中，原子间的碰撞必然存在，从而不可 避免地影响和制约了陀螺仪的精度。而超流体陀螺仪的研究对象是基于玻色-爱因斯坦凝 聚理论形成的超流体，由于超流体的粘滞系数、流体间以及流体对周围运动产生的阻尼很 小，当超流体腔体发生运动时，超流体可以保持其原来的状态。利用这一特性可以制造一个 物理的惯性空间。因此，基于超流体的新概念陀螺在原理上可以进行高精度的惯性测量，预 计精度可达到10 12rad/s，尤其适用于超高精度姿态测量场合。 按原理分，超流体陀螺又可分成基于量子涡旋、直流约瑟夫森效应和交流约瑟夫 森效应的三类陀螺仪。其中基于直流和交流约瑟夫森效应的陀螺相对较为成熟，美国加州 大学伯克利分校和哈佛大学已经设计出原理装置。而基于量子涡旋的超流体陀螺的理论和 方案都还有待发展。 1995年玻色-爱因斯坦凝聚的实验实现，使得以前只能在液氦中进行研究的超 流现象可以直接通过囚禁低温碱金属原子而进行研究。在量子涡旋生成和调控方面，相对 于液He超流体，碱金属原子的波色-爱因斯坦凝聚具有如下优点：液氦中发生玻色凝聚的 成份仅约10%左右，而原子气体中发生玻色凝聚的成份高达99% ;冷原子气体纯净、稀薄， 其相互作用可以用散射长度来近似描述，液氦是强相互作用液体，浓度高，氦原子相互作用 非常复杂，不利于实验与理论作比较；原子气体的内部自由度易于操控，有利于对旋量波 色-爱因斯坦凝聚进行研究。因此探索基于冷原子气体量子涡旋的超流体陀螺的高精度实 现方案具有重要的科学意义和应用价值。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是：克服原子自旋陀螺的原子自旋碰撞破坏弛豫问题，提 高陀螺的灵敏度和精度；克服基于液He量子涡旋的超流体陀螺所存在的不易操控等不足。本专利技术的技术解决方案是：一种基于冷原子气体量子涡旋的超流体陀螺装置，包 括真空系统、激光冷却与囚禁系统、激励系统、时序控制系统、信息检测系统和角速率解算 系统：真空系统避免因原子与背景气体的碰撞而减小在阱中的寿命；激光冷却和囚禁系统 用于气态超流体的制备；激励系统实现气态超流体的量子涡旋生成；时序控制系统对每个 实验参数进行控制，并实现对不同时序的控制；信息检测系统实现对冷原子团信息的探测； 角速率解算系统根据检测信息完成平台转动角速率的解算。 真空系统采用双腔结构；激光冷却与囚禁系统采用基于二维磁光阱和三维磁光阱 相结合的双磁光阱高通量冷原子束流方案；激励系统采用纯磁激励的方案实现涡旋的生 成；所述的时序控制系统采用美国NI公司的高性能测试测量与控制平台（PXI)为主体，实 现对相关参数和时序的控制；信息检测系统采用吸收成像的办法对冷原子团的位置、数目、 密度、温度和速度等信息进行测量和解算。 其进动频率Q与原子个数和原子质量等系统参数之间的关系为陷讲谐波的振荡长度，a表示S-波散射长度，Ox= ?y= ?p?y表示X和y方向 上的陷阱频率，^是单粒子的角动量，d是涡旋的径向位置，R1^是径向凝聚尺寸。 本专利技术的原理是： 基于量子涡旋的超流体陀螺理念主要来自于将涡旋看成由超流体原子转动而形 成的微型陀螺，由于超流体的内摩擦力几乎可以忽略不计，超流体涡旋的转动基本上可以 认为是无阻力的，因此呈现出了良好的转动惯性。1995年玻色-爱因斯坦凝聚的实验实现， 使得以前只能在液氦中进行研究的超流现象可以直接在囚禁的低温碱金属原子气体中进 行研究。 将超流体约束在某些势阱下，使其形成量子化涡旋，如图2中三个轴中心所示即 为一个量子化涡旋。图2中的坐标系可视为涡旋陀螺的承载平台，当势阱的约束力不变时， 超流体的量子化旋流处于不变的旋转状态且旋转轴保持指向z轴方向，这就形成了一个量 子陀螺。 研究表明，具有量子涡旋特性的波色-爱因斯坦凝聚原子气体在陷阱势突然转动 后可望呈现进动特性。图2所示的0为转动引起的量子涡旋轴的偏角，此时超流体涡旋将 产生进动，进动角为图中所示的巾，进动频率与旋转速度的数学关系表达式也已由Trento 大学的研究推导给出： ?\和wy表示X和y方向上的陷阱频率，A是单粒子的角动量，d是涡旋的径向位置，艮是 径向凝聚尺寸。 本专利技术的方案与现有方案相比，主要优点在于： (1)基于冷原子气体量子涡旋的超流体陀螺，不仅有效解决了原子自旋陀螺中的 原子碰撞弛豫问题，而且有效克服了基于液He量子涡旋的超流体陀螺所存在的难以操控 的不足； (2)采用双磁光阱的高通量冷原子束流方案，既能避免第一级气室中背景原子对 第二级气室干涉环境的破坏，又能为第二级气室提供高通量易捕获的原子。【附图说明】 图1为本专利技术一种基于冷原子气体量子涡旋的超流体陀螺装置的结构示意图； 图2为本专利技术基于冷原子气体量子涡旋的超流体陀螺的原理示意图； 图3为本专利技术制备冷原子超流体的整个时序图； 图4为本专利技术时序控制系统的结构示意图； 图5为本专利技术信息检测系统的结构示意图。 具体实施方案 请参照图1，并结合图2至图5所示，本专利技术一种基于冷原子气体量子涡旋的超流 体陀螺装置包括真空系统、激光冷却与囚禁系统、激励系统、时序控制系统、信息检测系统、 角速率解算系统。本专利技术的基于冷原子气体量子涡旋的超流体陀螺原理示意图如图2所 不。 真空系统采用双腔结构，其中当前第1页1 2 本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于冷原子气体量子涡旋的超流体陀螺装置，包括真空系统、激光冷却与囚禁系统、激励系统、时序控制系统、信息检测系统、角速率解算系统：真空系统避免因原子与背景气体的碰撞而减小在阱中的寿命；激光冷却和囚禁系统用于气态超流体的制备；激励系统实现超流体的量子涡旋生成；时序控制系统对每个实验参数进行控制，并实现对不同时序的控制；信息检测系统实现对冷原子团信息的探测；角速率解算系统根据检测信息完成平台转动角速率的解算。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：任元，陈晓岑，赵玉龙，王卫杰，辛朝军，夏长峰，邓茂林，李基，许国锋，
申请(专利权)人：中国人民解放军装备学院，中国人民解放军六三九六一部队，
类型：发明
国别省市：北京;11
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