微型原子陀螺儀的製作方法

2023-05-20 04:36:56

專利名稱：微型原子陀螺儀的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種利用冷原子幹涉環路來測量轉動的微型原子陀螺儀，尤其涉及一種利用原子晶片來囚禁和操縱冷原子，並進一步利用原子晶片上的原子導引形成的幹涉環路來實現對轉動的測量的微型冷原子陀螺儀，它主要用於慣性導航。
背景技術：
目前，用於慣性導航的陀螺儀主要是光學陀螺儀，其原理是利用光學幹涉環路中由轉動引起的薩格奈克(Sagnac)效應所造成幹涉條紋的移動來測量轉動速度=4Am]]>其中，A為幹涉環路包圍的面積，Ω為轉動的速度，m為光子或原子的質量。
光學陀螺儀可以很容易地實現小型化和實用化，它的不足和缺點主要是測量精度不高。而利用原子的波動性來形成幹涉，並進一步構成包圍一定面積的幹涉環路，同樣利用薩格奈克效應來測量轉動速度的原子陀螺儀的測量精度則可以大大提高，原因是原子的質量比光子大得多，在相同環路面積下，很小的轉動就可以引起相對於光學陀螺儀來說大很多的相位差，從而大大提高了陀螺儀的解析度和精度。目前，在國際上實現的此類原子陀螺儀主要有兩種，熱原子束陀螺儀和冷原子陀螺儀，其測量精度比其它任何類型陀螺儀都高出好幾個數量級；但是其缺點和不足是整個系統很龐大，很難做到實用化。

發明內容
本發明的目的是在於提供一種微型原子陀螺儀，結構簡便，操作方便，測量精確，可行性強，該微型原子陀螺儀是在不影響現有原子陀螺儀對轉動高精度測量的基礎上，對原子陀螺儀進行了微型化設計，使其成為一種可以搬運的冷原子陀螺儀。
本發明涉及一種微型原子陀螺儀系統的設計，以及利用原子晶片上導引所構成的冷原子幹涉環路來測量轉動的技術方案一種微型原子陀螺儀，整個系統由真空玻璃腔、原子晶片、鹼金屬釋放劑(市場上購置)、四通、角閥、饋通法蘭、雙面法蘭和離子泵組成，其核心部分是原子晶片，原子晶片與支撐底座相連，支撐底座安裝在真空玻璃腔內，真空玻璃腔通過雙面法蘭與四通相連，四通分別與角閥、離子泵、饋通法蘭相連；支撐底座由無氧銅底座、陶瓷底座、四根固定支杆、銅電極和無氧銅導線構成。無氧銅底座與陶瓷底座相連，銅電極固定在陶瓷底座上面，銅電極一端分別與鹼金屬釋放劑、無氧銅導線、原子晶片相連，另一端與饋通法蘭相連。整個系統構成以原子晶片為基礎，首先是利用光刻技術在鍍金的襯底上刻出系統所需要的微型導線而製成原子晶片，原子晶片上微型導線包括形成雙Y型原子導引的四根導線和分別布置在雙Y型原子導引的四根導線的兩邊的用來囚禁原子的一對U型導線，以及布置在雙Y型原子導引的四根導線一側的用來掃描原子相位的一根U型導線。將準備好的原子晶片用可在高真空中使用的導熱絕緣膠粘到支撐底座上，支撐底座中間部分是用來散熱的無氧銅底座，無氧銅底座和原子晶片之間的中間部位留一個缺口，用以穿過兩根固定在陶瓷底座上的無氧銅導線，無氧銅底座邊緣固定著絕緣的陶瓷底座，並用點焊技術將原子晶片上的導線與陶瓷底座上銅電極用金絲相連，銅電極最後通過饋通法蘭引到真空系統外面，陶瓷底座的側面的銅電極上固定一個鹼金屬釋放劑，用來產生需要的原子蒸汽，如銣原子蒸汽；安裝好原子晶片的支撐底座最後放到一個由四通，直角閥，離子泵，饋通法蘭，雙面法蘭和真空玻璃腔構成的真空系統裡面，並通過四根固定支杆固定在雙面法蘭上面；整個系統先通過直角閥與分子泵機械泵等前級真空預抽系統相連，等得到比較理想的高真空後，關閉直角閥，斷開前級系統，整個真空系統通過離子泵維持在高真空狀態。然後將真空系統固定在偏置磁場底座的上方，並保證真空玻璃腔中的原子晶片處於固定在偏置磁場底座上的一對與水平方向成45度角的矩形反亥姆赫茲線圈的中央；偏置磁場底座上固定一對與水平方向成45度角的矩形反亥姆赫茲線圈，同時偏置磁場底座上分別在XYZ方向上的固定矩形亥姆赫茲線圈。
本發明提供的利用晶片上原子導引所形成的冷原子幹涉環路來測量轉動的技術方案為首先以原子晶片為鏡面，利用固定在偏置磁場底座上的一對與水平方向成45度角的矩形反亥姆赫茲線圈產生的四極磁場和囚禁雷射構成鏡面磁光阱來囚禁原子；接著利用晶片上的用來囚禁原子的一對U型導線和固定在偏置磁場底座上X方向的一對矩形亥姆赫茲線圈產生的均勻磁場共同形成的四極磁場和囚禁雷射構成的U型鏡面磁光阱將冷原子轉移到晶片上；然後進一步將冷原子轉移到原子晶片上的雙Y型原子導引和固定在偏置線圈底座上Z方向上的一對矩形亥姆赫茲線圈共同形成的原子導引中，並用原子晶片下方的兩根無氧銅導線產生的梯度磁場讓冷原子團在雙Y型原子導引中運動，並通過雙Y型原子導引實現冷原子團的分束和合束；由於冷原子相干長度很小，而測量轉動需要的幹涉環路面積越大越好，這樣直接利用原子導引的分束和合束很難在動量空間得到幹涉條紋；為了得到好的幹涉條紋，必須利用原子內態的相干特性，即在分束前將原子相干製備到基態的一個子能級上，如銣-85的5S基態上兩個子能級中的一個，在分束後，由於轉動引起的薩格奈克效應會使兩路原子產生相位差，合束後相干探測某個基態能級上原子數布居，得到幹涉條紋，從幹涉條紋便可以讀出轉動引起的相位差，從而得到轉動的速度(Ω)，實現對轉動的測量。
本發明涉及的微型原子陀螺儀的特點在於1、利用原子晶片來操縱冷原子，整個系統很小，是一種可以搬運的原子陀螺儀。
2、利用原子晶片上的原子導引來實現原子的分束和合束，可以在很小的系統中得到很大的幹涉環路，從而在微型化的基礎上，也不會影響原子陀螺儀的精度3、將原子內態的相干與原子導引相結合來實現馬赫-曾特(Mach-Zehnder)原子幹涉儀，從而實現原子幹涉的微型化和實用化，並進一步利用微型化原子幹涉環路來實現對轉動的精確測量。


圖1為一種微型原子陀螺儀結構示意圖。
圖2為一種原子晶片整體外觀示意圖。
圖3為圖2原子晶片上導線結構示意圖。
圖4為一種原子晶片支撐底座側視示意圖。
圖5為一種原子晶片支撐底座俯視示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步詳細描述根據圖1、圖2、圖3、圖4和圖5可知，它由真空玻璃腔6、原子晶片13，鹼金屬釋放劑20、四通3、角閥1、饋通法蘭2、雙面法蘭5和離子泵4組成，其特徵是原子晶片13與支撐底座8相連，支撐底座8安裝在真空玻璃腔6內，真空玻璃腔6通過雙面法蘭5與四通3相連，四通3分別與角閥1、離子泵4、饋通法蘭2相連；支撐底座8由無氧銅底座21、陶瓷底座19、四根固定支杆17、銅電極18和無氧銅導線22構成。無氧銅底座21與陶瓷底座19相連，銅電極18固定在陶瓷底座19上面，銅電極18的一端與鹼金屬釋放劑20、無氧銅導線22、原子晶片13相連，另一端與饋通法蘭2相連。
系統的核心是原子晶片13，原子晶片13上微型導線包括形成雙Y型原子導引的四根導線15和分別布置在雙Y型原子導引的四根導線15的兩邊的用來囚禁原子的一對U型導線16，以及布置在雙Y型原子導引的四根導線15一側的用來掃描原子相位的一根U型導線14。先將原子晶片13用可以在高真空中使用的絕緣導熱膠粘到支撐底座8上；整個支撐底座8由五部分構成，原子晶片13正下方的無氧銅底座21和固定在無氧銅底座13邊緣的陶瓷底座19，其次是無氧銅底座21和原子晶片13之間缺口穿過的兩根固定在陶瓷底座19上的冷原子驅動磁場無氧銅導線22，用來限制和驅動冷原子團在雙Y型原子導引15中的運動；以及將底座最後固定到雙面法蘭5上的四根支杆17和用來連通原子晶片上導線的銅電極18。
無氧銅底座21邊緣固定著的陶瓷底座19主要用來固定銅電極18，並在最邊緣的兩根銅電極18上固定鹼金屬釋放劑20，銅電極18的頂端通過金絲與原子晶片13上的導線相連，所有銅電極18的底端則通過絕緣線引到饋通法蘭2上，最後通過饋通法蘭2接到真空腔外面的電源上。
安裝好原子晶片13的支撐底座8最後放到真空系統中，並通過四根固定支杆17固定在雙面法蘭5上。
整個真空腔的組成如附圖1所示，主要由饋通法蘭2，標準四通3，直角閥1，離子泵4、雙面法蘭5和真空玻璃腔6組成。整個系統先通過直角閥1與分子泵機械泵等前級真空預抽系統相連，等得到比較理想的高真空後，關閉直角閥1，斷開前級系統，整個真空系統通過離子泵4維持在高真空狀態。然後將真空玻璃腔6固定在偏置磁場底座12的上方，並保證真空玻璃腔6中的原子晶片13處於固定在偏置磁場底座12上的一對與水平方向成45度角矩形反亥姆赫茲線圈7的正中央。偏置磁場底座12上固定一對產生四極磁場的與水平方向成45度角的矩形反亥姆赫茲線圈7，偏置磁場底座12上分別在XYZ方向上的固定產生均勻磁場的矩形亥姆赫茲線圈9、10、11。
測量轉動的具體實施方式
為首先給鹼金屬釋放劑20通電加熱，讓其放出一定量的原子蒸汽；然後以原子晶片13為鏡面(附圖2的原子晶片13中間黑色部位)，結合囚禁、泵浦雷射和玻璃真空腔6外一對與水平方向成45度角矩形反亥姆赫茲線圈7產生的四極磁場共同構成的鏡面磁光阱來囚禁和冷卻原子；之後關閉真空腔外一對與水平方向成45度角矩形反亥姆赫茲線圈7電流，並同時打開原子晶片13上的用來囚禁原子的一對U型導線16和偏置線圈底座12上X方向上的一對矩形亥姆赫茲線圈11的電流，將冷原子轉移到原子晶片13上；然後就可以打開雙Y型原子導引15和偏置線圈底座12上Z方向上的一對矩形亥姆赫茲線圈10的電流，以及原子晶片13下方兩根冷原子驅動磁場無氧銅導線22的電流，並同時關閉雷射和囚禁磁場，將冷原子轉移到由雙Y型原子導引15、偏置線圈底座12上Z方向上的一對矩形亥姆赫茲線圈10和原子晶片13下方兩根冷原子驅動磁場無氧銅導線22共同形成的靜磁阱裡面；此時，關閉原子晶片下方一根無氧銅導線22的電流，同時增大另一根的電流，便可以給冷原子團一個初速度，讓冷原子團開始在雙Y型原子導引22中運動，同時打開偏置線圈底座上Y方向上的一對矩形亥姆赫茲線圈9的電流，避免原子在雙Y型導引中運動時退相干，從而相干地實現冷原子的分束和合束。
在冷原子團分束前，先將其相干製備到基態的一個能級上，如銣85的5S的F＝2態和F＝3態中的一個，冷原子團被分開後，經過兩條不同的路徑最後合併，通過改變原子幹涉相位掃描U型導線14的電流大小來掃描兩條不同路徑原子的相位差，在對合束後冷原子團基態布居進行相干探測後，便可以得到原子幹涉條紋；從幹涉條紋的移動便可以讀出因為轉動所引起的原子的相位差，然後根據薩格奈克效應的理論就可以計算出轉到的速度。
以上技術方案可實現一種結構簡單、穩定度高、微型化的原子陀螺儀，具有廣闊的應用前景。
權利要求
1.一種微型原子陀螺儀，它包括真空玻璃腔(6)、鹼金屬釋放劑(20)、角閥(1)、雙面法蘭(5)和離子泵(4)、偏置磁場底座(2)，其特徵是原子晶片(13)與支撐底座(8)相連，支撐底座(8)安裝在真空玻璃腔(6)內，真空玻璃腔(6)通過雙面法蘭(5)與四通(3)相連，四通(3)分別與角閥(1)、離子泵(4)、饋通法蘭(2)相連。
2.根據權利要求書1所述的一種微型原子陀螺儀，其特徵在於支撐底座(8)由無氧銅底座(21)、陶瓷底座(19)、四根固定支杆(17)、銅電極(18)和無氧銅導線(22)構成，無氧銅底座(21)與陶瓷底座(19)相連，銅電極(18)固定在陶瓷底座(19)上，銅電極(18)一端分別與鹼金屬釋放劑(20)、無氧銅導線(22)、原子晶片(13)相連，另一端與饋通法蘭(2)相連。
3.根據權利要求書1所述的一種微型原子陀螺儀，其特徵在於真空玻璃腔(6)固定在偏置磁場底座(12)的上方，真空玻璃腔(6)中的原子晶片(13)固定在偏置磁場底座(12)上的一對與水平方向成45度角矩形反氦姆赫茲線圈(7)的中央。
4.根據權利要求書1所述的一種微型原子陀螺儀，其特徵在於偏置磁場底座(12)上固定一對與水平方向成45度角的矩形反亥姆赫茲線圈(7)，偏置磁場底座(12)上分別在XYZ方向上的固定矩形亥姆赫茲線圈(9、10、11)。
5.根據權利要求書1所述的一種微型原子陀螺儀，其特徵在於原子晶片(13)上微型導線包括雙Y型原子導引的四根導線(15)和分別布置在雙Y型原子導引的四根導線(15)兩邊的囚禁原子的一對U型導線(16)，以及布置在雙Y型原子導引的四根導線(15)一側的掃描原子相位的一根U型導線(14)。
全文摘要
本發明公開了一種微型原子陀螺儀，它包括真空玻璃腔、鹼金屬釋放劑、角閥、雙面法蘭和離子泵、偏置磁場底座，原子晶片與支撐底座相連，支撐底座安裝在真空玻璃腔內，真空玻璃腔通過雙面法蘭與四通相連，四通分別與角閥、離子泵、饋通法蘭相連。本發明結構簡便，可行性強，測量準確，廣泛用於慣性導航。
文檔編號G01P9/00GK1967145SQ20061012502
公開日2007年5月23日 申請日期2006年11月14日 優先權日2006年11月14日
發明者顏輝, 楊國卿, 王謹, 詹明生 申請人:中國科學院武漢物理與數學研究所