量子惯性仪表用磁屏蔽材料进展

量子惯性仪表是利用光场和磁场等手段操控原子、电子等微观粒子实现载体运动信息测量的新型惯性设备,量子惯性仪表对外界磁场的大小、稳定性和均匀性等提出了很高的要求,需要高性能的磁屏蔽技术与之相匹配。回顾了目前常用的磁屏蔽方式,针对最常用的被动型磁屏蔽所涉及的材料铁镍合金、非晶合金和软磁铁氧体等进行了梳理和总结,阐述了上述三种材料的优缺点以及适用范围,并展望了量子惯性仪表用磁屏蔽材料的发展趋势。     

原子磁力仪的空间应用及发展趋势

在太空探索中,磁场测量为很多重要的科学研究提供了数据支撑。空间探测器和磁测卫星均多次采用原子磁力仪作为磁场测量的主载荷,原子磁力仪在空间磁场测量中发挥着不可替代的作用。回顾了用于空间磁场测量的原子磁力仪的发展历程,总结了不同种类原子磁力仪的技术特点,分析了空间应用原子磁力仪载荷的发展趋势。     

序言

随着量子光学、原子物理学等领域的飞速发展,惯性测量已经迈入量子时代,量子惯性测量已成为惯性测量技术的重要发展方向,在当今受到越来越广泛的关注。“惯性测量与量子技术”专栏,致力于探索利用量子效应进行惯性测量的物理机理,发掘超高灵敏量子惯性测量的方法,以促进量子惯性测量技术的发展。     

环形磁铁空间磁场的解析计算与仿真

从永磁体的磁荷模型出发,运用标量磁位法、广义二项式定理、矢量叠加原理等建立了环形磁铁在磁体外部空间磁场分布的解析表达式,并在MATLAB仿真软件中进行了计算。利用三维数字式特斯拉计实际测量了两种规格的永磁体的磁场分布,利用Ansoft Maxwell电磁场分析软件建立了两种永磁体在磁体外部空间的磁场分布,通过对比解析计算结果、实际测量结果和Ansoft Maxwell仿真结果发现解析表达式很好地反映了永磁环空间磁场的分布规律,误差不超过7％,从而验证了解析表达式的正确性。     

金刚石氮-空位色心惯性测量技术发展与展望

金刚石内嵌负电荷氮-空位(NV-)色心,因其结构性质稳定、常压室温下自旋弛豫时间长、易于操控和检测等特点,已广泛应用于磁场、电场、温度等物理量的测量。基于金刚石NV-色心的惯性测量技术是基于量子效应的原子自旋惯性测量领域的新兴方向之一。首先介绍了金刚石NV-色心的结构与性质,其次阐述了量子体系几何相的基本原理以及NV-色心几何相的惯性测量方案和系统,然后总结了自提出以来金刚石NV-色心惯性测量的国内外发展现状,最后对金刚石NV-色心惯性测量技术的未来发展趋势进行了展望。     

航空磁探中水下目标三维积分方程磁场建模

为获取航空磁探中水下铁磁性目标的空间磁场分布,通过三维积分方程法的基本原理推导出空间磁场的解析式,根据矢量恒等式和高斯散度定理简化空间磁场计算式,建立水下铁磁性目标空间磁场预测模型。通过铁磁性长方体对模型进行理论验证,使用铯光泵磁力仪测量铁磁性长旋转椭球体的高空磁场;然后,基于预测模型推算铁磁性长旋转椭球体的磁场,根据实际测量的磁场数据和预测值进行比较。结果表明,预测模型的推算精度较高,平均绝对误差为0.320 5 nT,平均相对误差为12.368%。     

碱金属原子气室研究进展

碱金属原子气室是原子陀螺、原子磁力仪和原子钟等量子仪表的核心部件,高性能微小型原子气室是制约上述量子仪表性能的重要因素之一。从理论基础、制造工艺和材料等方面回顾了原子气室的研究进展,对微型气室玻壳精密加工技术、原子气室精确充制技术、耐高温抗弛豫镀膜技术、原子气室后烘处理工艺等相应关键技术进行了分析和讨论,并针对量子仪表微小型、高精度、集成化的发展需求,分析了碱金属原子气室的发展趋势。     

惯性技术发展历程回顾与展望

科学的进步推动了惯性技术新理论、新思维、新机理和新结构的发展,装备的竞争繁荣了惯性技术应用的新方法途径、新领域市场和新应用模式,惯性仪表性能精度快速提高.20世纪以来,两次量子技术革命方兴未艾,推动惯性技术突飞猛进地发展.世界惯性领域专家一直以需求为牵引,以提高精度为宗旨,积极推进基础惯性技术关键技术攻关,积极探索新机理,创新拓展新型功能应用.目前,在传统机械转子陀螺的基础上,总结积淀、升华跃迁,创新促成光学干涉、量子纠缠等多种新型惯性技术仪表的诞生.惯性技术又迎来了量子信息和大数据为基础的量子+人工智能的新时代,获得了复兴和繁荣的新机遇.本文分析了惯性技术的发展总历程及现状,并提出了一些认知和思考,供惯性领域不断探索的技术工作者商榷参考.     

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.     

量子重力梯度仪研究进展

重力梯度是重力位的二阶微分,对地球密度扰动具有更高的分辨率,能够更加精细、全面地反映重力位在空间上的变化。高精度重力梯度测量在地质调查、地球重力场测绘、惯性导航以及基础科学研究等方面发挥着重要作用。量子重力梯度仪是近年来快速发展的一种基于激光操控原子技术的新型高精度重力梯度测量设备,具有测量精度高、长期稳定性好等特点,尤其是对振动噪声具有良好的抑制效果。目前,量子重力梯度仪的最佳灵敏度可达4E/√Hz,与最先进的旋转加速度计式重力梯度仪灵敏度3E/√Hz的水平相当。本文介绍了量子重力梯度仪的基本原理和应用,并分析了其国内外研究现状,最后讨论了目前限制量子重力梯度仪灵敏度的主要因素以及未来发展方向。     

原子气室内自旋极化率的空间操控与测量

目前,对原子气室内自旋极化率的空间操控与测量已有不少研究,但是对这类研究缺乏系统的分析、整理和综述。通过对文献的梳理,将现有的操控与测量方法分为三类,即光操控/磁测量方法、磁操控/光测量方法和光操控/光测量方法。分别对这三类方法进行了叙述,尤其是对笔者所在小组提出和研究的光操控/光测量方法进行了详细的介绍。该方法采用时空双重调制技术和正交隔离技术,实现了13.7μm线宽的自旋极化率空间操控与测量。此结果不仅远小于之前毫米量级的空间分辨率,而且突破了无扩散干扰距离的限制。基于上述实验进展,对原子气室内自旋极化率操控与测量的空间分辨率理论极限进行了初步分析。     

基于磁记忆技术对含缺陷焊缝的疲劳试验

对含有不同隐形损伤的40Cr焊板进行射线检测、疲劳试验和正交磁记忆信号测量，探索试件在疲劳应力作用下磁记忆信号的变化特征。试验结果表明：单一测量方式下的磁特征值不能表征焊板在疲劳循环载荷下的变化特征，所得结论存在偶然性；研究发现，可用磁场矢量梯度积分特征和磁场矢量合成梯度特征来评价焊板的疲劳损伤过程，并建立了以磁场矢量梯度特征为损伤参量的疲劳损伤模型，从而可以对含有隐形损伤焊接构件的疲劳寿命进行定量评估，为金属磁记忆技术在焊接缺陷定量评价上的进一步研究提供参考依据。     

三轴矢量原子磁力仪综述

原子磁力仪可分为标量磁力仪和矢量磁力仪两大类。标量磁力仪的测量结果与传感器的姿态无关,对平台的机动不敏感。矢量磁力仪能够获得更多的磁场信息,可以实现更精确的磁源定位。目前,共有7种三轴矢量原子磁力仪,测量方法分别为磁场扫描法、磁场旋转调制法、磁场轮流抵消法、磁场投影法、磁场交叉调制法、磁场分立调制法和自旋进动调制法。重点对上述7种三轴矢量原子磁力仪的测量方法进行了整理和分析。     

基于数值微分计算的SERF原子自旋惯性测量动态仿真

基于量子调控技术的SERF原子自旋惯性测量仪表与传统惯性测量仪表相比,具有精度高、无活动部件、对加速度不敏感等优点,被公认是下一代高精度惯性测量的发展方向。分析了SERF原子自旋惯性装置Bloch微分方程组模型下磁场、激光、角速度输入对碱金属电子极化率和惰性气体核子极化率的影响。针对实验条件下原子系综Bloch微分方程组难以解析求解的问题,基于可变阶次数值微分计算,建立了相应的Simulink模型对实验条件下的原子系综进行数值求解,并分析了极化率对光场、磁场、角速度输入的瞬态响应与稳态响应。仿真结果与理论计算结果相吻合,验证了Bloch方程数值求解的可行性与准确性。该方法可得到惯性测量系统的动态响应,可用于模拟复杂输入下的SERF原子自旋惯性测量系统的输出响应。     

地磁导航技术研究进展

地磁场是地球的固有资源,利用地磁场匹配进行导航是一种新型导航技术.与传统的惯性导航和卫星导航比较,地磁导航具有无积累误差、抗干扰、隐蔽性好、导航信息丰富等优势.文章介绍了地磁导航的3个基本要素,即磁场测量技术、地磁模型以及定位与导航技术.分析了弱磁场磁力仪在地磁导航中的应用及其优缺点,讨论了地磁场模型和地磁匹配算法,展望了地磁导航技术的应用前景.