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美研究人员开发用于导航的便携式原子陀螺仪
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>《科技类》
2019.09.05
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美国国家标准与技术研究院(NIST)的研究人员,在基于单个原子的特性成功对原子钟与磁强计小型化后,正研究用来测量旋转的精度陀螺仪。
NIST的便携陀螺仪是陀螺仪/加速度计的结合
NIST的研究小组已对紧凑型原子陀螺仪的设计进行验证,进一步研发后,它将更加便携、功耗低、且精度更高可用于导航。陀螺仪传统上基于机械部件的自旋或振动,在导航中应用普遍,并被越来越多地用于智能手机等电子产品中。NIST研发的新设备可用于尺寸特殊,重量、功率受限情况下的超高精度导航,如航天器或潜艇等。此外,NIST的陀螺仪还可以同时测量加速度。陀螺仪/加速度计的结合允许进行“航迹推测”导航,无需参照其他物体或星星。
这种新型原子陀螺仪的玻璃舱室大小仅3.5立方厘米。整个实验装置,包括低功率激光器和光学原件,目前为桌面大小尺寸,但NIST的研究者旨在将整个装置尺寸缩小为便携式立方体,约迷你冰箱大小。
结构与工作原理
这种新型陀螺仪是原子干涉陀螺仪,它基于激光冷却原子的原理,该技术最初在斯坦福大学10米高的原子“喷泉”上进行了演示。传统的光学干涉仪,组合或“干扰”光中电磁波,之后从结果波形模式提取出原始光路的信息。与之相似,原子干涉仪利用原子物质波的特性,干涉这些波以测量原子上的力。当原子加速或旋转时,它们的物质波以可预见的方式发生偏移和干扰,在干涉图形中可见。
NIST陀螺仪的核心是一个小的玻璃室,包含约800万冷铷原子——被捕获和释放。虽然原子在重力作用下回落,激光束使它们在两个能量状态之间转换。这一过程涉及光粒子的吸收和发射,这给予原子动量使其物质波分离,而后重组干涉。
冷原子云在50毫秒的测量序列内,扩展到初始大小的5倍。旋转通过倾斜玻璃室下方的镜子进行模拟。对一个原子的干涉效果取决于其速度,所以旋转产生的干扰原子带跨越最后的云图像。
未来应用
项目负责人伊丽莎白·唐利表示,通常情况下,陀螺仪/加速计的结合需要两个独立的原子源。NIST的版本从单一的扩展原子云同时得到两个信号,这可大大简化设备。原子陀螺仪将比传统的精度陀螺仪产生更少的偏差,NIST的系统与其他类似原子干涉仪相比,不仅体积更为紧凑,也更简单。
来源:《每日科学》网站/图片来自互联网
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