核陀螺儀

核陀螺儀又稱原子陀螺儀，是一種利用原子光譜感受外部轉動的高性能感測器，具有比傳統陀螺儀更高的精度，在慣性導航、姿態控制、科學研究等軍民領域已表現出巨大的發展潛力和套用價值。

基本介紹

• 中文名：原子陀螺儀
• 外文名：Atomic Gyroscopes
• 別稱：核陀螺儀

背景介紹

陀螺儀是慣導系統的核心感測器，其性能將直接決定慣導系統的導航精度。高精度陀螺儀的發展經歷了以牛頓經典力學為理論基礎的液浮陀螺、撓性陀螺，到以Sagnac（薩格納克）效應為基礎的雷射陀螺、光纖陀螺，陀螺儀的工作原理和性能發生了翻天覆地的變化。隨著現代物理的快速發展，原子冷卻、原子操控、雷射技術的飛速進步，又誕生了一種以原子物理和量子力學為理論基礎的新型陀螺儀即原子陀螺。

自1991年朱棣文小組首次觀察到原子干涉儀的陀螺效應，世界各國大力發展原子陀螺，經過20多年的研究，從最初的原理樣機驗證，到為滿足慣性導航實際需求的工程化技術攻關，原子陀螺已得到了長足的發展.

原子陀螺是原子感測器中特殊的一類，是一種利用原子光譜感受外部轉動的高性能感測器。作為一種新原理角度感測器，原子陀螺承擔著對未來陀螺儀精度更高，體積更小，可靠性更強，動態性能更卓越的殷切希望，在慣性導航、姿態控制、科學研究等軍民領域已表現出巨大的發展潛力和套用價值，並引起了國內外研究機構的巨大興趣。

原理及分類

從工作原理上，原子陀螺可分為兩類，即基於原子干涉的冷原子陀螺和基於原子自旋的核磁共振陀螺。其主要發展方向主要對應了高精度和小體積。

冷原子陀螺

冷原子陀螺（原子干涉陀螺（AIG））是一種基於物質波Sagnac效應的新型陀螺儀。由於典型原子的德布羅意波長比可見光波長短30000倍，且原子具有質量和內部結構。根據Sagnac效應的理論公式，原子干涉儀的理論精度比光學干涉儀高出 倍，將在超高精度導航、遠程導航、廣義相對論效應測量、量子引力研究等領域起重要作用。

原子干涉原理

如右圖為用於陀螺的原子干涉儀原理。原子束中的原子被泵浦到 態，然後依次通過三對拉曼光。第一束光（ 光）將原子束製備在基態 和 的疊加態。由於雷射作用和光子原子系統的動量守恆，2個基態的原子將處於特定的橫向動量上。在第一束光作用下， 態原子獲得橫向動量，原子波包從而被分成兩束；在第二束光（ 光）作用下，兩個態的原子交換原子態和動量，從而改變兩束原子的運動軌跡；在第三束光（ 光）作用下，兩束原子合束並產生干涉。旋轉將引起兩束原子間的相對相位移動，干涉信號可通過測量處於 態的原子數進行檢測。

旋轉 引起Sagnac相位移動為

式中：A 為迴路包絡的面積； 為波長； 為速度； 為轉速。

如果用原子的德布羅意波長 （m 為原子質量）代替 ，用原子的群速度 代替 ，可得物質波的Sagnac相移公式為

核磁共振陀螺

核磁共振陀螺（NMRG）的工作原理與冷原子陀螺完全不同。該陀螺是一種利用核磁共振原理工作的全固態陀螺儀，通過探測原子自旋在外磁場中的拉莫爾進動的頻率移動來確定轉速。它沒有運動部件，性能由原子材料決定，理論上動態測量範圍無限，綜合運用了量子物理、光、電磁和微電子等領域技術，是未來陀螺儀發展的新方向。

沿z軸施加靜磁場的磁感應強度B₀，轉矩將迫使核磁矩沿磁力線排列，約一半的原子平行於磁力線，另一半反平行於磁力線。使用光抽運技術使原子移動到特定的塞曼子能級，此時單個原子的磁矩μF在磁力線上的投影完全相同，然後通過自旋交換碰撞使惰性氣體原子沿著磁力線形成非零巨觀磁矩M，如下圖(a)所示：

核磁共振陀螺原理

在圖(b)中沿x軸施加一個振盪磁場 ，其頻率 約等於惰性氣體核磁矩的拉莫爾頻率，使M從z軸傾斜並在x-y平面內進動。此時M出現了x-y平面中的分量 ，並以拉莫爾頻率繞z軸進動。此時有

式中 為原子的旋磁比。

沿x軸施加的磁場類似於2個繞z軸在x-y平面上反向旋轉的靜磁場。2個磁場的x分量總指向同一方向，其和為；2個磁場的y分量指向相反，相互抵消。

如圖(c)所示，如果包圍進動磁化矢量的參考系開始旋轉，觀察到的頻率變為

式中：為介質的拉莫爾頻率；為參考系的角速率，正向旋轉定義為與M的進動方向相同。通過監視這個頻率，如果知道旋磁比和施加的磁場，就可確定參考系的角速率。

發展狀況

1991年首次在原子干涉儀中觀察到慣性效應，到2000年由Stanford和Yale大學聯合實現第一台實驗室陀螺儀，該陀螺儀基於熱的Cs（銫）原子束干涉原理，精度為當時世界已報導的陀螺儀中最高。之後歐美各經濟強國相繼報導了冷原子干涉陀螺儀，實現了線加速度和角速率的同步測量。這一時期的原子陀螺主要是原理驗證階段，重點驗證原子干涉在慣性測量領域具有高精度。

2000年至2010年的原子陀螺儀研究經歷了熱原子束向冷原子團的過渡，由於冷原子干涉儀相對於熱原子在構建小型化和系統集成化陀螺儀中的優勢，目前已經成為原子陀螺儀工程化套用研究的主要方向。代表性的科研小組研製的設備有：

耶魯大學的原子束干涉陀螺儀：零偏穩定性達到，這個指標是當時世界上所有陀螺儀中已經報導的最高精度；

法國巴黎天文台冷原子慣性測量裝置；

美國史丹福大學冷原子干涉陀螺儀：實現了零偏穩定性為，成為世界上第一個得到優良性能指標的冷原子干涉陀螺儀。

2010年以後，原子干涉陀螺儀研究開始面向工程化，瞄準慣性導航的實際需求，研究重點集中在降低設備體積、功耗，提高動態測量範圍、檢測頻寬和環境適應性等方面。代表性的科研小組研製的設備有：

美國聖地亞國家實驗室冷原子對拋干涉儀；

加州大學伯克利分校原子干涉儀；

歐洲航天試驗室與航空總署開發的原子干涉儀雷射單元。

在國內已有多家單位開展了原子陀螺技術研究，主要包括清華大學、北京航空航天大學、中國科學院上海光學精密機械研究所、中國科學院武漢物理與數學研究所、國防科技大學、航天十三所、航天三十三所、中航工業西安飛行自動控制研究所等。

隨著原子陀螺技術的逐漸成熟，原子陀螺儀已開始從實驗室走向工程化並最終邁向實際套用。