一種基于微晶玻璃腔體的重力測量裝置及測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于加速度測量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種小型化微晶玻璃腔體的可移動(dòng)式重力測量裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]對(duì)重力加速度的傳統(tǒng)測量方法是使用機(jī)械式重力儀，結(jié)合真空腔的使用，可減少各種阻力對(duì)物體加速度的影響，而實(shí)現(xiàn)重力加速度的測量。自1991年以來，物質(zhì)波干涉儀逐漸成為除機(jī)械式重力儀之外僅有的一種可達(dá)到高分辨率的重力測量手段。
[0003]原子重力儀作為最近發(fā)展出來的先進(jìn)物質(zhì)波干涉儀之一，由于其高精度，可應(yīng)用于很多研究領(lǐng)域，包括地震學(xué)、測地學(xué)、大地構(gòu)造物理學(xué)等。但是由于原子冷卻、原子操控、原子測量等系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，使得原子重力儀的體積較大，不便于移動(dòng)測量，影響了原子重力儀的環(huán)境適應(yīng)性，阻礙了其工程化的進(jìn)展。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的:提供一種結(jié)構(gòu)簡單、體積小，基于微晶玻璃腔體的重力測量裝置。
[0005]另外，本發(fā)明還提供一種基于上述重力測量裝置的重力測量方法。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案:基于微晶玻璃腔體的重力測量裝置，其包括二維微晶玻璃真空腔體、三維微晶玻璃真空腔體、堿金屬源、差分栗浦管，其中，所述三維微晶玻璃真空腔體從上到下分成三維冷卻真空腔、原子自由下落腔體、原子探測腔，其中，所述二維微晶玻璃真空腔體通過差分栗浦管連接在三維微晶玻璃真空腔體的三維冷卻真空腔一側(cè)，所述三維冷卻真空腔另一側(cè)連接有吸氣裝置，堿金屬源連接在二維微晶玻璃真空腔體上，另外，所述差分栗浦管為與兩個(gè)腔體材質(zhì)一致的微晶玻璃制成。
[0007]所述堿金屬源通過四通接頭與二維微晶玻璃真空腔體連接。
[0008]所述四通接頭上分別連接有離子栗和真空閥。
[0009]所述差分栗浦管與二維微晶玻璃真空腔體以及三維玻璃真空腔體之間均通過低溫鍵合技術(shù)連接。
[0010]所述二維微晶玻璃真空腔體和三維玻璃真空腔體均通過低溫鍵合技術(shù)將微晶玻璃窗片鍵合或粘接在微晶玻璃基礎(chǔ)框架上制成。
[0011]所述吸氣裝置為吸氣栗或離子栗。
[0012]一種基于所述測量裝置的重力測量方法，其包括如下步驟:
[0013]步驟1.將—■維微晶玻璃真空腔內(nèi)部抽到超尚真空后，并維持超尚真空狀態(tài)；
[0014]步驟2.打開堿金屬源，維持二維微晶玻璃腔體內(nèi)堿金屬原子的數(shù)量；
[0015]步驟3.在二維微晶玻璃真空腔內(nèi)施加兩對(duì)正交二維冷卻光束對(duì)，對(duì)腔體內(nèi)的堿金屬原子進(jìn)行預(yù)冷卻，使其在1，z方向上的運(yùn)動(dòng)速度得到降低；
[0016]步驟4.與此同時(shí)，在二維微晶玻璃真空腔體側(cè)面注入一束推送光束，提高預(yù)冷卻原子束流到三維微晶玻璃真空腔體的裝載率；
[0017]步驟5.隨后，在三維微晶玻璃腔內(nèi)施加三對(duì)正交三維冷卻光束對(duì)，獲得陷俘冷原子團(tuán)；
[0018]步驟6.完成對(duì)冷原子團(tuán)的態(tài)制備，關(guān)閉光束，使原子自由下落；
[0019]步驟7.在冷原子團(tuán)下落過程中，沿著y方向，作用一對(duì)相向傳輸?shù)?1/2拉曼脈沖光束對(duì)，隨后冷原子團(tuán)再經(jīng)歷自由下落時(shí)間T后，在同樣方向作用31拉曼脈沖光束對(duì)，再間隔時(shí)間T后，最終作用/2拉曼脈沖光束對(duì)，經(jīng)過三次拉曼脈沖光束對(duì)的作用后，相位差可表示為:
[0020]Δ φ = ΦΑ-2ΦΒ+Φε (5)
[0021 ] 式中Α，B，C分別對(duì)應(yīng)三次拉曼脈沖作用，
[0022]其中，設(shè)t = O時(shí)為第一個(gè)脈沖對(duì)作用時(shí)間，則根據(jù)間隔時(shí)間T，可得到ΦΑ= 0，ΦΒ= k effgT2/2以及Φε= keffg(2T)2/2，式中keff為脈沖對(duì)有效波矢。
[0023]步驟8.在原子探測腔內(nèi)利用一探測光束，完成下落原子態(tài)布居數(shù)分布的探測，得到:
[0024]P|F = 2>= [l-cos(A φ)]/2 (6)
[0025]結(jié)合式(I)即可得到探測布居數(shù)與重力加速度的關(guān)系式:
[0026]P|F = 2>= [ 1-cos (k effgT2)]/2 (7)
[0027]根據(jù)已知參數(shù)有效波矢krff和時(shí)間間隔T，結(jié)合探測布居數(shù)分布P |F = 2>，即可得到當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣龋瓿芍亓y量。
[0028]制備兩團(tuán)原子團(tuán)同時(shí)完成自由下落，兩路原子干涉儀的相位差與兩原子團(tuán)位置的重力加速度相關(guān):
[0029]Δ Φ2-Δ φ! = k eff (g2-g!)T2 (8)
[0030]則根據(jù)已知參數(shù)有效波矢krff和時(shí)間間隔T，結(jié)合兩團(tuán)原子團(tuán)探測布居數(shù)分布P ,P=2>，能夠測量當(dāng)?shù)刂亓μ荻取?br>[0031]本發(fā)明的技術(shù)效果:本發(fā)明的重力測量裝置基于低溫鍵合技術(shù)，利用微晶玻璃構(gòu)建真空腔體，通光性更好，結(jié)構(gòu)更緊湊，熱、磁穩(wěn)定性以及抗沖擊能力更高，有利于實(shí)現(xiàn)重力測量裝置的小型化，便于實(shí)現(xiàn)高精度高可靠性可移動(dòng)式重力測量裝置的工程化實(shí)用。另外，本發(fā)明的重力測量裝置在微晶玻璃真空腔內(nèi)根據(jù)制備的原子團(tuán)的數(shù)目不同可實(shí)現(xiàn)重力加速度和重力梯度參數(shù)測量。
【附圖說明】
[0032]圖1基于微晶玻璃腔體的重力測量裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033]圖2基于微晶玻璃腔體的重力測量裝置二維真空腔結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034]圖3基于微晶玻璃腔體的重力測量裝置三維真空腔內(nèi)原子冷卻示意圖；
[0035]圖4基于微晶玻璃腔體的重力測量裝置重力測量中冷原子自由下落示意圖；
[0036]圖5基于微晶玻璃腔體的重力測量裝置重力測量中第一束/2拉曼脈沖光束對(duì)作用不意圖；
[0037]圖6基于微晶玻璃腔體的重力測量裝置重力測量中第一次脈沖間隔T時(shí)間內(nèi)冷原子自由下落示意圖；
[0038]圖7基于微晶玻璃腔體的重力測量裝置重力測量中拉曼脈沖光束對(duì)作用示意圖；
[0039]圖8基于微晶玻璃腔體的重力測量裝置重力測量中第二次脈沖間隔T時(shí)間內(nèi)冷原子自由下落示意圖；
[0040]圖9基于微晶玻璃腔體的重力測量裝置重力測量中第二束/2拉曼脈沖光束對(duì)作用不意圖；
[0041]圖10基于微晶玻璃腔體的重力測量裝置重力測量中冷原子探測示意圖；其中1- 二維微晶玻璃真空腔體，2-三維微晶玻璃真空腔體，3-吸氣栗，4-四通接頭，5-離子栗，6-堿金屬源，7-真空閥，8-差分栗浦管，9- 二維冷卻光束對(duì)，10-原子團(tuán)，11-推送光束，12-三維冷卻光束對(duì)，13-三維冷卻真空腔，14-原子自由下落腔，15-原子探測腔，16- Ji /2拉曼脈沖光束對(duì)，17- JT拉曼脈沖光束對(duì)，18-探測光束。
【具體實(shí)施方式】
[0042]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明:
[0043]請(qǐng)參閱圖1，本發(fā)明基于微晶玻璃腔體的重力測量裝置包括一套用于產(chǎn)生冷卻原子束流的二維真空腔體、一套用于產(chǎn)生冷卻原子團(tuán)以及重力和重力梯度探測區(qū)域的三維微晶玻璃腔體以及激光系統(tǒng)。
[0044]所述二維真空腔體包括二維微晶玻璃真空腔1、四通接頭4、離子栗5、堿金屬源6、真空閥7和差分栗浦管8。所述四通接頭4的四個(gè)開口分別與二維微晶玻璃真空腔1、離子栗5、堿金屬源6和真空閥7連接。
[0045]所述差分栗浦管8兩端分別連接二維微晶玻璃真空腔I和三維微晶玻璃真空腔2。
[0046]所述三維微晶玻璃真空腔體套包括三維冷卻真空腔13、吸氣栗3、原子自由下落腔14和原子探測腔15。
[0047]所述激光系統(tǒng)包括冷卻激光系統(tǒng)、推送激光系統(tǒng)、拉曼激光系統(tǒng)以及探測激光系統(tǒng)。所述冷卻激光系統(tǒng)提供二維冷卻光束對(duì)9和三維冷卻光束對(duì)12，用以在二維微晶玻璃真空腔I和三維微晶玻璃真空腔2內(nèi)實(shí)現(xiàn)原子團(tuán)冷卻制備。所述推送激光系統(tǒng)提供推送光束11，用以提高二維微晶玻璃腔I內(nèi)冷原子束流向三維微晶玻璃腔2內(nèi)的加載率。所述拉曼激光系統(tǒng)提供η/2拉曼脈沖光束16對(duì)以及拉曼脈沖光束對(duì)17，用以在自由下落腔14內(nèi)實(shí)現(xiàn)冷原子團(tuán)相干操控。
[0048]探測激光系統(tǒng)提供探測光束18，用以在原子探測腔15內(nèi)實(shí)現(xiàn)冷原子探測。