本發明專利技術公開了一種基于冷原子束干涉儀的水平重力梯度測量傳感器，屬于重力勘測技術領域。由兩個結構相同的且在水平方向并行排列的第1重力敏感型冷原子干涉單元和第2重力敏感型冷原子干涉單元組成；或由兩個結構相同的第1重力敏感型冷原子干涉單元和第2重力敏感型冷原子干涉單元通過真空管道連通組成；第1重力敏感型冷原子干涉單元由自下而上依次連接的第1冷原子束產生部分、第1冷原子束偏轉部分和第1原子干涉及探測部分組成。解決了冷原子束產生裝置中出射原子被推載激光照射的問題；大幅提高了原子干涉重力梯度儀的測量帶寬；通過真空管道在拉曼激光光束傳播路徑上連通的結構可避免由空氣間隙及窗片結構偏差所引入的系統誤差和噪聲。
【技術實現步驟摘要】
基于冷原子束干涉儀的水平重力梯度測量傳感器
本專利技術屬于重力勘測
，特別涉及一種基于冷原子束干涉儀的水平重力梯度測量傳感器。
技術介紹
地質結構中質量和密度分布的不均勻會導致地表重力及重力梯度場的異常。而作為重力位的更高階微商，重力梯度場具有比重力場更高的空間分辨率和靈敏度。因此，重力梯度測量在資源勘察、環境監測和國防建設等領域具有非常廣泛的應用和重要意義。目前較成熟的重力梯度儀方案主要包括:美國Bell Aerospace公司和澳大利亞BHP Billiton 公司所采用的“旋轉加速度計方案”(J.B.Lee,FALCON gravity gradiometertechnology, BHP Billiton Discovery Technologies, I ~4，1992)、英國 ARKeX 公司所米用的“超導方案”(M.V.Moody, H.J.Paik, and E.R.Canavanc, Three-axissuperconducting gravity gradiometer for sensitive gravity Experiments, Rev.Sc1.1nstrum.73, 3957，2002)、法國航空航天中心(ONERA)所采用的“靜電加速度計方案”(PTouboul, B Foulon, M Rodrigues, J.P Marque, In orbit nano-g measurements, lessonsfor future space missions, Aerospace Science and Technology, 8, 431, 2004),以及本專利技術所涉及的“原子干涉儀方案” (M.J.Snadden, J.M.McGuirk, P.Bouyer, et al,Measurement of the earth’ s gravity gradient with an atom interferometer-basedgravity gradiometer, Phys.Rev.Lett.81,971,1998)。 與旋轉加速度計和靜電加速度計方案相比，原子干涉儀方案具有更高的理論精度(目前已經實現了 ICT121^?的單個重力儀(S.M.Dickerson, J.M.Hogan, A.Sugarbaker, et al,Multiaxis inertial sensing with long-time point source atom interferometry, Phys.Rev.Lett.111，083001，2013))，與精度相當的超導方案相比，由于不需要極端的超導條件，因此更具有體積、功耗和成本等方案的工程化優勢。此外，其他各方案均以相對加速度計(重力儀)為構成單元，無法給出絕對的重力值，而且不同加速度之間的系統誤差之差也會引入重力梯度測量的結果，而原子干涉重力梯度儀由兩個絕對重力梯度儀組成，不僅可以進行絕對的重力梯度測量，也可以一并給出絕對重力值。早在1991年，美國斯坦福大學的Kasevich就在其導師朱棣文的帶領下實現了國際上第一個原子干涉儀并用于重力測量(M.Kasevich and S.Chu, Atomic interferometryusing stimulated Raman transitions, Phys.Rev.Lett.67, 181, 1991);隨后 Kasevich在耶魯大學成立研究小組并于1998年將兩個原子干涉重力儀垂向層疊并進行共模差分測量實現了第一個用于測量豎直重力梯度的原子干涉豎直重力梯度儀(M.J.Snadden,J.M.McGuirk, P.Bouyer, et al, Measurement of the Earth’ s gravity gradient withan atom interferometer-based gravity gradiometer, Phys.Rev.Lett.81,971，1998)；2006年，Kasevich返回斯坦福大學并于2009年成功研制了一臺用于測量水平重力梯度的車載水平重力梯度儀，在經過180秒的積分時間以后，其測量精度可以達到7萬(X.A.Wu,Gravity gradient survey with a mobile atom interferometer, PhD thesis, StanfordUniversity, 2009)) (IE ^ W10g/m)o意大利佛羅倫薩大學的Tino小組采用了與斯坦福大學雙重力儀方案不同的單重力儀雙噴泉方案，經過了 8000秒的積分時間，實現了精度為 0.5萬的垂向重力梯度測量(F.Sorrentino, Q.Bodart, L.Cacciapuoti, et al,Sensitivity limits of a Raman atom interferometer as a gravity gradiometer, Phys.Rev.A.89, 023607, 2014)。重力梯度儀搭乘航空、航天飛行器可以突破山地、海洋等地理條件的限制，大幅提高勘測的效率，星載重力梯度儀甚至可以對全球的重力梯度進行測量，因此高分辨率航空、航天測量是重力梯度儀的重要發展方向，這就對其測量帶寬做出了很高的要求，而這恰恰是原子干涉重力梯度儀的短板所在。目前國際上所有的原子干涉重力及重力梯度測量方案全部基于脈沖發射的冷原子團，每發射一團原子只能獲得一個數據點，采樣完成后才能進行下一次發射，其中單次數據采集過程包括冷原子團的制備、上拋、態制備、拉曼激光脈沖相干操作和末態探測幾個步驟，其中單個冷原子團的制備通常要耗時0.3~I秒，使得單點采樣速率僅能達到0.5~2.5 Hz，而要獲得一個重力梯度的測量值往往需要多個不同相位的數據點進行擬合處理，這就使得實際的重力梯度測量帶寬普遍處于I Hz以下，要獲得高精度的測量值更是需要成千上萬秒的積分平均。目前，美國Bell Aerospace與加拿大McPHAR公司生產的基于GT-1A加速度計的航空重力梯度儀的測量帶寬可以達到100 Hz，搭乘Piper Navajo型飛機(140海里/小時)可實現I?的勘測線分辨率。而原子干涉重力梯度儀要滿足高分辨率航空、航天測量的需求，其測量帶寬是一個迫切需要解決的問題。利用原子束代替原子團可以顯著提高原子干涉儀的采樣速率。美國的Kasevich小組曾經使用連續的熱原子束干涉儀進行轉動測量，得到了時間連續的測量數據點，但由于熱原子束中的原子飛 行速度過快(在千米/秒量級)，要獲得高精度數據所需的拉曼激光相干操作時間，就必須要建造很大尺寸的測量裝置，無法滿足工程化的需求。美國國家標準局的盧征天等人曾在1996年演示了一種能產生冷原子束的方法并得到了束流5X IO9/ s，平均速度14 ，分布2.7 m/s的銣冷原子束。但是該方法所獲得的原子束始終在推射冷卻光的照射之下，無法對其內態進行相干操作。清華大學的馮焱穎小組在橫向冷原子束產生裝置中曾利用重力讓原子下落從而避開冷卻光的照射。但是在重力梯度測量過程中，需要對原子進行豎直本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種基于冷原子束干涉儀的水平重力梯度測量傳感器，其特征在于：由兩個結構相同的且在水平方向并行排列的第1重力敏感型冷原子干涉單元（100）和第2重力敏感型冷原子干涉單元（200）組成；或由兩個結構相同的第1重力敏感型冷原子干涉單元（100）和第2重力敏感型冷原子干涉單元（200）通過真空管道（300）連通組成；第1重力敏感型冷原子干涉單元（100）由自下而上依次連接的第1冷原子束產生部分（110）、第1冷原子束偏轉部分（120）和第1原子干涉及探測部分（130）組成。
【技術特征摘要】
1.一種基于冷原子束干涉儀的水平重力梯度測量傳感器，其特征在于: 由兩個結構相同的且在水平方向并行排列的第I重力敏感型冷原子干涉單元(100)和第2重力敏感型冷原子干涉單元(200)組成； 或由兩個結構相同的第I重力敏感型冷原子干涉單元(100)和第2重力敏感型冷原子干涉單元(200)通過真空管道(300)連通組成； 第I重力敏感型冷原子干涉單元(100)由自下而上依次連接的第I冷原子束產生部分(110)、第I冷原子束偏轉部分(120)和第I原子干涉及探測部分(130)組成。2.按權利要求1所述的一種基于冷原子束干涉儀的水平重力梯度測量傳感器，其特征在于: 所述的第I冷原子束產生部分(110)包括第I囚禁激光光束發射器(111)、第2囚禁激光光束發射器(113)、第I三維磁光講反向亥姆赫茲線圈(115)、第I堿金屬源(116)和第I包含1/4波片的反射鏡組(I 17)； 以第I三維冷原子束(118)制備區為中心，豎直方向設置有I個發射方向指向該中心的第I囚禁激光光束發射器(111)，水平方向空間對稱地設置有2對發射方向指向該中心的第2囚禁激光光束發射器(113)，另有第I包含1/4波片的反射鏡組(117)置于該中心的正上方，同時以第I囚禁激光光束(112)的傳播方向為軸，空間對稱地設置有一對第I三維磁光阱反向亥姆赫茲線圈(115)...
【專利技術屬性】
技術研發人員：朱磊，仲嘉琪，陳曦，熊宗元，宋宏偉，王玉平，李大偉，王謹，詹明生，
申請(專利權)人：中國科學院武漢物理與數學研究所，
類型：發明
國別省市：湖北;42
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