冷原子干涉型重力仪的发展现状与趋势

地球重力场反映了地球物质分布及其随时间和空间的变化.高精度重力加速度测量可以广泛应用于地球物理、资源勘探、地震研究、重力勘察和惯性导航等领域.冷原子重力仪是近二十年来快速发展起来的一种新型量子传感器,它利用激光冷却、原子干涉等技术实现高精度、高灵敏度的重力加速度测量.本文介绍了冷原子重力仪的发展历史、现状及趋势,详细论述了冷原子重力仪的原理、分类、装置及步骤等,并重点分析了小型化冷原子重力仪的关键技术.     

原子干涉重力测量技术研究进展及发展趋势

20世纪90年代至今，原子干涉重力测量技术以其高精度和鲁棒性等特点，逐渐成为绝对重力测量的重要技术之一。近年来，在国际重力比对活动中，原子干涉重力仪已有超越FG5 X的趋势，其在陆地、航海、航空、航天等领域均有成功的应用。介绍了原子干涉重力测量技术的工作原理、研究进展和小型化原子干涉重力仪的关键技术，并对其发展趋势进行了展望。     

冷原子干涉仪发展现状与应用分析

基于冷原子干涉仪的量子传感器具有极高的理论精度,在自然科学的各个领域特别是重力测量和惯性传感领域有着广泛的应用。首先介绍了原子干涉仪的基本原理,在此基础上给出了基于双光子受激Raman跃迁的脉冲式Mach-Zehnder原子干涉仪的干涉相位,描述了原子干涉仪在重力仪和陀螺上的应用及其发展历程,着重分析了当前发展最成熟的原子重力仪的发展历程和趋势,指出了原子干涉仪应用的发展方向。     

基于贝叶斯优化的磁光阱多参数自主优化系统

磁光阱是一种冷却陷俘原子的装置，磁光阱实验参数的优化是冷原子实验中基础且重要的工作，人工手动优化参数需耗费大量时间，且很难确保最终参数是全局最优的。基于贝叶斯优化的机器学习方法是一种对目标表达式未知、非凸、多峰的量子物理系统进行参数优化的有效方案，该过程通常远快于人工手动调节，且有更大概率找到全局最优值。提出了一种基于贝叶斯优化方法的冷原子多参数自主实时优化实验方案，该方案通过成本函数构造、控制程序编写、贝叶斯算法优化等形成一个可自主优化的闭环系统。实验结果表明，经过约30 min的迭代优化，所提方案可有效完成磁光阱系统的多参数优化，并得到最优的实验结果；所提方案验证了贝叶斯优化方法在多参数物理系统中应用的可行性，通过改进成本函数，还可应用于其他的复杂多参数实验物理系统最优参数快速确定。     

原子干涉技术在惯性领域中的应用

惯性技术因其强自主性、不依赖外界信号、适应全天候等特性在导航领域备受关注,为了提升惯性导航的精度,数十年来人们在如何提高惯性传感器性能方面进行了大量的攻关工作并研制出了多种基于不同原理的惯性传感器。得益于量子效应,原子传感器能在诸如时间、加速度、转动、磁场等领域提供比现有技术更高的测量灵敏度、精度和速度。通过研制基于原子干涉技术的高精度原子惯性器件,实现重力/重力梯度数据实时补偿匹配的量子导航将是新一代高精准军用惯性导航的首选。本文简要介绍了以物质波干涉为基础的原子干涉惯性器件的原理,回顾了以原子重力仪、原子干涉陀螺为主的技术发展历程及现状,并结合我国目前在该领域的发展态势,表达了对我国原子惯性设备实装应用的迫切性。     

连续冷原子束干涉陀螺仪研究进展

原子干涉陀螺仪是一种实现高精度角速率测量的新型惯性器件,被认为是下一代导航技术中的核心器件。报道了在连续冷原子束干涉陀螺仪研究上的最新进展。提出了基于连续冷原子束的干涉陀螺仪方案,该方案在保证系统灵敏度和紧凑型的前提下有助于解决冷原子干涉陀螺仪低带宽和数据率的问题。利用激光冷却的~(87) Rb冷原子束作为原子光源,利用多普勒敏感的双光子受激拉曼跃迁进行原子波包的相干操控,演示了π/2-π-π/2拉曼脉冲序列的空间型原子干涉。数据估算原子干涉陀螺的短期灵敏度为7.8×10~(-5)(rad/s)/Hz~(1/2)(1s积分时间),其中干涉条纹的信噪比为15.1,系统带宽为190Hz,系统理论带宽可以达到790Hz。     

事件时间测量系统及其在绝对重力仪中的应用

绝对重力仪通常采用真空腔中自由落体的方法,通过测量激光干涉条纹信号的过零时间来计算绝对重力加速度(g)。针对绝对重力仪的使用,依托电子计数法的基本原理,基于数字信号处理器(Digital Signal Processor,DSP)设计实现了事件时间测量系统,精确测量干涉条纹过零时间。首先介绍了事件时间测量的基本原理,然后具体介绍在以DSP为核心的硬件上的实现方法。根据理论计算和MATLAB~?数值仿真实验,评价系统测时误差以及对重力加速度测值的影响。最后分别通过硬件模拟实验和FG5X型高精度绝对重力仪上的对比实验进行验证。实验证明,该系统对重力加速度测量真值影响小于1μGal(1μGal=1×10~(-8) m/s~2),标准差影响小于5μGal。该系统体积小、成本低,尤其对于小型化、野外使用的绝对重力仪,完全符合其使用需求。     

三维光晶格在镱原子光钟中的应用研究

首先介绍了镱原子光晶格钟的基本原理及构成,随后提出了三维光晶格在镱原子光钟上应用的可行性。通过操控光晶格中冷镱原子的量子特性,降低了光晶格频移的不确定度,提高了光钟性能。在Mott绝缘区域中将冷镱原子装载到三维光晶格的基带中,使原子密度最大化,从而极大地抑制了光频移。在JILA小组锶原子费米简并三维光晶格的实验基础上,提出了对于镱原子光钟也可采用三维光晶格结构的方案,阐述了抑制镱原子光钟三维方向标量、矢量和张量频移的方法。最后对冷镱原子三维光晶格钟的应用研究进行了展望。     

拉曼光频移对原子干涉测量中原子数的影响

冷原子干涉测量技术在重力加速度测量等领域已经超越传统测量方法,成为量子精密测量的重要发展方向。在干涉测量过程中,由于原子受到重力场影响,速度不断变化,因此激光相对原子具有多普勒频移效应。本文通过对原子跃迁概率及速度选择的理论分析,计算了在拉曼激光脉冲持续时间内,由于多普勒频移造成的原子跃迁概率改变。进而,具体计算了π/2-π-π/2干涉方案中,频移造成的有效原子数损失,及其对干涉条纹对比度产生的影响。     

原子干涉陀螺仪关键技术及进展

原子作为一种微观粒子,具有波粒二象性.利用粒子的波动性,可以产生类似于光波的Sagnac效应,由此实现基于原子波干涉的原子干涉陀螺仪.其中原子干涉有内态干涉和物质波干涉两种.在围成相同面积的情况下,原子干涉陀螺仪的灵敏度将比光学陀螺仪高出10个量级以上,适宜于水下和空间等长时间惯性导航的应用.本文详细地论述了原子干涉陀...     

真空应用电火花点火的氢氧发动机设计与试验

为研究某大推力氢氧发动机真空羽流效应,设计采用火炬点火方式的60N缩比氢氧发动机.通过球头密封声速喷嘴组件控制流量,使真空下每个声速喷嘴组件减少3个密封面.进行真空点火方案设计,从理论上证明电火花点火的可行性.设计试验系统并进行地面及真空环境下的热试车,试车结果表明:燃烧室压力达到额定压力为0.6MPa时,发动机热防护结构良好,试验系统设计合理,真空电火花点火方案可行,为进行真空羽流效应研究奠定基础.      

模拟空间环境下小发动机羽流压力场

为研究空间发动机的羽流特性及其对卫星的污染,在模拟空间环境下,进行了电加热CO2气体模拟发动机羽流流场的试验测量和理论计算。试验台主要包括空间环境模拟系统,电热气体模拟发动机,稳压气源,测量系统及其温控。理论计算采用计算流体动力学(CFD)和直接模拟Monte Carlo(DSMC)相结合的方法,完成了羽流场的数值模拟。测试结果表明,试验系统满足在10-3Pa量级的真空压力和93±5 K的背景温度下稳定运行和精确测量。不同坐标位置处试验数据和数值结果的比较表明,试验测量和理论计算吻合较好。     

面向自动化物料传送的被动驱动托架设计与分析

针对现有的航天飞行器数字化装配生产线产品转运自动化、装配数字化的发展趋势,设计了一套兼容生产线全流程转运工作设备、适应多几何尺寸的托架。在分析作业现场产品转运流程、保证要求以及装配需求的基础上,提出了一种基于辊杠动力源的被动驱动托架总体设计方案,解析了托架关键受力部位和薄弱点,有针对性地开展了关键部件的设计、计算、校核,并使用专用软件开展了数值模拟分析与验证,托架试制完成后进行了工程试用。结果表明:关键部件的强度数值模拟值与理论设计计算值偏差在10%以内,位移形变均保持在0.1mm以下,验证了设计的准确性和合理性;工程使用阶段,托架的功能和性能均满足现场使用要求。     

基于真空羽流试验的洁净真空系统设计

研制的洁净真空系统可用于真空羽流试验及热真空试验研究.详细介绍了真空系统的组成、方案设计及工作模式;计算了不同工作模式下的真空抽气时间;分别对罗茨泵机组、分子泵及低温泵进行了容器极限抽速测试,测试结果表明,满足技术指标;最后对真空容器压力维持能力进行了测试,测得容器平均压升率为0.111Pa/h,对应的平均漏气率为7.24Pa·L/s,真空容器达到了较高的工艺水平.真空系统有多种工作模式供选择,可根据试验需求及故障模式选取,增加了“真空羽流效应实验系统”运行的实用性和经济性.      

Large-scale Vacuum Vessel Design and Finite Element Analysis

The vacuum plume effects experimental system (PES) is the first experimental system designed to study the effects of vacuum plume in China. The main equipment, a vacuum chamber of 5.5 m in diameter and 12.8 m in length, and structure design of hinged door are described. The finite element method (FEM) is adopted to analyze the static strength and stability of the PES vacuum chamber. It is demonstrated that the static strength and stability are qualified. For the 5.5 m diameter vacuum chamber door, three design schemes are put forward. After comparisons are made, the single-axis-double-pin hinged door is selected. The FEM is applied to checking its static strength as well as distortions. The results show that the door’s distortion and displacement change mainly due to the gravity of the door which leads to its sinking. The calculated displacement is less than 7.8 mm, while the actual measurement is 5 mm. The single-axis-double-pin hinged door mechanism completely satisfies the design requirements. This innovative structure can be introduced as a reference for the design of large-scale hinged doors.     

羽流效应地面模拟试验系统关键技术发展

叙述了羽流效应地面模拟试验系统由高空模拟试车台向真空试验系统发展的过程,指出引射原理的局限性和低温冷凝技术的适用性.介绍了应用低温冷凝技术建成的美国CHAFF-4(the collaborative high altitude flow facility-Ⅳ)系统和德国STG(Simulationsanlage für Treibstrahlenin G?ttingen)系统及中国首座大型羽流效应地面模拟试验系统——PES(the plume effects experimental system)系统.采用直接模拟蒙特卡罗DSMC (direct simulation Monte Carlo )方法对PES设备的内置式液氦深冷泵的抽气能力进行了数值模拟研究,结果表明无论有无羽流吸附泵时,2g/s级发动机点火时,内置式液氦深冷泵都能满足发动机出口截面后 ? 4m×5m范围内的背压小于10-3 Pa,羽流吸附泵能有效地阻止压缩波向喷管方向推进.      

面向悬浮光力系统的集成化反馈控制器研究

悬浮光力系统具有高灵敏度、高稳定性和低耗散等特点,有望发展成为新型高性能力学传感器。针对目前悬浮光力系统存在的反馈控制器兼容性差、软硬件成本高、集成度低等问题,提出了一种兼容多种反馈控制模式的软硬件设计方案,并研制了一套高度集成的反馈控制器,在160 mm×170 mm×42 mm的尺寸上集成了六通道模数/数模转换器、滤波器、现场可编程门阵列+微处理器(FPGA+ARM)等功能模块,并且开发了基于数字锁相环和比例积分微分(PID)控制器的控制算法,最终在同一套硬件系统上实现了跨尺度微粒的运动信息采集和反馈控制,以及数十赫兹至亚兆赫兹的感知带宽。实验结果表明,该集成反馈控制器能够实现超高真空(10^-6 Pa量级)下亚微米及微米尺度微粒的稳定悬浮和运动控制。在扩展系统感知带宽的同时减小了整体体积,为悬浮光力传感技术的器件化奠定了基础。     

Dynamic tensile behavior of AZ31B magnesium alloy at ultra-high strain rates

The samples having {0001} parallel to extruding direction(ED) present a typical true stress–true strain curve with concave-down shape under tension at low strain rate. Ultra-rapid tensile tests were conducted at room temperature on a textured AZ31 B magnesium alloy. The dynamic tensile behavior was investigated. The results show that at ultra-high strain rates of 1.93 · 102 s 1and 1.70 · 103 s 1, the alloy behaves with a linear stress–strain response in most strain range and exhibits a brittle fracture. In this case, {10-12} 10-11 extension twinning is basic deformation mode. The brittleness is due to the macroscopic viscosity at ultra-high strain rate, for which the external critical shear stress rapidly gets high to result in a cleavage fracture before large amounts of dislocations are activated. Because {10-12} tension twinning, {10-11} compressive twinning,basal a slip, prismatic a slip and pyramidal c + a slip have different critical shear stresses(CRSS), their contributions to the degree of deformation are very differential. In addition,Schmid factor plays an important role in the activity of various deformation modes and it is the key factor for the samples with different strain rates exhibit various mechanical behavior under dynamic tensile loading.     

高速切削超高强度合金钢时次表面层组织特性研究

在切削速度范围157~314m/min内,在23-1析因设计的基础上,对兵器用难加工材料超高强度合金钢进行了高速干式铣削试验。在考查表面特征测量值———表面粗糙度变化规律的基础上,深入分析了加工表面层一定深度内微观金相组织变化规律与显微硬度变化规律。研究结果表明,高速切削超高强度合金钢时,切削用量对工件表面层组织特性有显著影响;高速加工过程对可见表面之下会产生塑性变形堆积层、回火马氏体、过度回火马氏体和回火索氏体等变化;当以较高的切削速度铣削超高强度合金钢时,选择较大的每齿进给量对工件表层金相组织造成的影响较小。     

单向M40J/5228A复合材料在真空热循环作用下诱发热应力的数值模拟

对单向M40J/5228A复合材料进行了真空热循环试验(93～413K,10-5 Pa),利用MSC.Marc2001有限元分析软件对复合材料内的交变热应力分布进行了数值模拟.结果表明,真空热循环导致的累积残余热应力会引起复合材料出现局部脱粘,并且使复合材料界面层附近出现应力集中.