一種基于冷原子氣體量子渦旋的超流體陀螺裝置的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種冷原子氣體量子渦旋的超流體陀螺裝置，適用于新型超高精度、 超高靈敏度超流體陀螺裝置的設計。 技術背景
[0002] 自19世紀末到現在，陀螺儀作為主要的慣性導航檢測設備，在軍、民用領域發揮 著重要的作用。傳統概念的陀螺是通過轉子轉動產生動量矩來敏感陀螺殼體相對慣性空間 的角運動。光纖陀螺和激光陀螺通過sagnac效應，這種陀螺不再擁有高速旋轉的轉子，而 是基于新型的物理機理來完成殼體相對慣性空間的運動測量。近年來隨著低溫物理學等領 域的快速發展，出現了一系列新型的超過精度超高靈敏度陀螺，比如原子陀螺和超流體陀 螺。
[0003] 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兩類。在原子自旋陀螺中，原子間的碰撞必然存在，從而不可 避免地影響和制約了陀螺儀的精度。而超流體陀螺儀的研究對象是基于玻色-愛因斯坦凝 聚理論形成的超流體，由于超流體的粘滯系數、流體間以及流體對周圍運動產生的阻尼很 小，當超流體腔體發生運動時，超流體可以保持其原來的狀態。利用這一特性可以制造一個 物理的慣性空間。因此，基于超流體的新概念陀螺在原理上可以進行高精度的慣性測量，預 計精度可達到10 12rad/s，尤其適用于超高精度姿態測量場合。
[0004] 按原理分，超流體陀螺又可分成基于量子渦旋、直流約瑟夫森效應和交流約瑟夫 森效應的三類陀螺儀。其中基于直流和交流約瑟夫森效應的陀螺相對較為成熟，美國加州 大學伯克利分校和哈佛大學已經設計出原理裝置。而基于量子渦旋的超流體陀螺的理論和 方案都還有待發展。
[0005] 1995年玻色-愛因斯坦凝聚的實驗實現，使得以前只能在液氦中進行研究的超 流現象可以直接通過囚禁低溫堿金屬原子而進行研究。在量子渦旋生成和調控方面，相對 于液He超流體，堿金屬原子的波色-愛因斯坦凝聚具有如下優點：液氦中發生玻色凝聚的 成份僅約10%左右，而原子氣體中發生玻色凝聚的成份高達99% ;冷原子氣體純凈、稀薄， 其相互作用可以用散射長度來近似描述，液氦是強相互作用液體，濃度高，氦原子相互作用 非常復雜，不利于實驗與理論作比較；原子氣體的內部自由度易于操控，有利于對旋量波 色-愛因斯坦凝聚進行研究。因此探索基于冷原子氣體量子渦旋的超流體陀螺的高精度實 現方案具有重要的科學意義和應用價值。

【發明內容】

[0006]本發明的技術解決問題是：克服原子自旋陀螺的原子自旋碰撞破壞弛豫問題，提 高陀螺的靈敏度和精度；克服基于液He量子渦旋的超流體陀螺所存在的不易操控等不足。
[0007]本發明的技術解決方案是：一種基于冷原子氣體量子渦旋的超流體陀螺裝置，包 括真空系統、激光冷卻與囚禁系統、激勵系統、時序控制系統、信息檢測系統和角速率解算 系統：真空系統避免因原子與背景氣體的碰撞而減小在阱中的壽命；激光冷卻和囚禁系統 用于氣態超流體的制備；激勵系統實現氣態超流體的量子渦旋生成；時序控制系統對每個 實驗參數進行控制，并實現對不同時序的控制；信息檢測系統實現對冷原子團信息的探測； 角速率解算系統根據檢測信息完成平臺轉動角速率的解算。
[0008] 真空系統采用雙腔結構；激光冷卻與囚禁系統采用基于二維磁光阱和三維磁光阱 相結合的雙磁光阱高通量冷原子束流方案；激勵系統采用純磁激勵的方案實現渦旋的生 成；所述的時序控制系統采用美國NI公司的高性能測試測量與控制平臺（PXI)為主體，實 現對相關參數和時序的控制；信息檢測系統采用吸收成像的辦法對冷原子團的位置、數目、 密度、溫度和速度等信息進行測量和解算。
[0009] 其進動頻率Q與原子個數和原子質量等系統參數之間的關系為
陷講諧波的振蕩長度，a表示S-波散射長度，Ox= ?y= ?p?y表示X和y方向 上的陷阱頻率，^是單粒子的角動量，d是渦旋的徑向位置，R1^是徑向凝聚尺寸。
[0010] 本發明的原理是：
[0011] 基于量子渦旋的超流體陀螺理念主要來自于將渦旋看成由超流體原子轉動而形 成的微型陀螺，由于超流體的內摩擦力幾乎可以忽略不計，超流體渦旋的轉動基本上可以 認為是無阻力的，因此呈現出了良好的轉動慣性。1995年玻色-愛因斯坦凝聚的實驗實現， 使得以前只能在液氦中進行研究的超流現象可以直接在囚禁的低溫堿金屬原子氣體中進 行研究。
[0012] 將超流體約束在某些勢阱下，使其形成量子化渦旋，如圖2中三個軸中心所示即 為一個量子化渦旋。圖2中的坐標系可視為渦旋陀螺的承載平臺，當勢阱的約束力不變時， 超流體的量子化旋流處于不變的旋轉狀態且旋轉軸保持指向z軸方向，這就形成了一個量 子陀螺。
[0013] 研究表明，具有量子渦旋特性的波色-愛因斯坦凝聚原子氣體在陷阱勢突然轉動 后可望呈現進動特性。圖2所示的0為轉動引起的量子渦旋軸的偏角，此時超流體渦旋將 產生進動，進動角為圖中所示的巾，進動頻率與旋轉速度的數學關系表達式也已由Trento 大學的研究推導給出：

?\和wy表示X和y方向上的陷阱頻率，A是單粒子的角動量，d是渦旋的徑向位置，艮是 徑向凝聚尺寸。
[0016] 本發明的方案與現有方案相比，主要優點在于：
[0017] (1)基于冷原子氣體量子渦旋的超流體陀螺，不僅有效解決了原子自旋陀螺中的 原子碰撞弛豫問題，而且有效克服了基于液He量子渦旋的超流體陀螺所存在的難以操控 的不足；
[0018] (2)采用雙磁光阱的高通量冷原子束流方案，既能避免第一級氣室中背景原子對 第二級氣室干涉環境的破壞，又能為第二級氣室提供高通量易捕獲的原子。
【附圖說明】
[0019] 圖1為本發明一種基于冷原子氣體量子渦旋的超流體陀螺裝置的結構示意圖；
[0020] 圖2為本發明基于冷原子氣體量子渦旋的超流體陀螺的原理示意圖；
[0021] 圖3為本發明制備冷原子超流體的整個時序圖；
[0022] 圖4為本發明時序控制系統的結構示意圖；
[0023] 圖5為本發明信息檢測系統的結構示意圖。 具體實施方案
[0024] 請參照圖1，并結合圖2至圖5所示，本發明一種基于冷原子氣體量子渦旋的超流 體陀螺裝置包括真空系統、激光冷卻與囚禁系統、激勵系統、時序控制系統、信息檢測系統、 角速率解算系統。本發明的基于冷原子氣體量子渦旋的超流體陀螺原理示意圖如圖2所 不。
[0025] 真空系統采用雙腔結構，其中