万双爱,孙晓光,郑 辛,秦 杰

(1.北京自动化控制设备研究所,北京100074；2.航天科工集团三院，北京 100074)

核磁共振陀螺技术发展展望

万双爱1,孙晓光1,郑 辛2,秦 杰1

(1.北京自动化控制设备研究所,北京100074；2.航天科工集团三院，北京 100074)

核磁共振陀螺基于原子操控技术的前沿研究进展,具有高精度、小体积、纯固态、加速度不敏感等综合优势,是未来高精度、微小型陀螺技术的主要发展方向之一。介绍了核磁共振陀螺近年来国内外取得的研究进展,从工作原理出发指出了核磁共振陀螺实现涉及的核自旋极化、核自旋进动检测、核自旋磁共振、磁屏蔽等关键技术,重点分析了核磁共振陀螺向高精度、小型化方向发展需要重点研究的关键技术及其可能的解决思路,最后对核磁共振陀螺技术的未来发展进行了展望。

核磁共振陀螺;原子陀螺;陀螺;惯性导航

0 引言

核磁共振陀螺基于原子操控技术的前沿研究进展,利用核自旋磁共振频率在惯性空间的不变性测量角运动,具有高精度、小体积、纯固态、加速度不敏感等综合优势,已成为当前陀螺技术领域的研究热点之一[1-3]。该陀螺的研制成功与应用,有望使高精度陀螺及系统应用到当前无法应用或延伸的领域,使得小型飞行器/潜航器等小体积武器装备具备高精度自主导航能力;另一方面,可以满足未来武器装备小型化、轻质化等方面的应用需求,推动新型惯性导航与制导系统的发展,从而对未来惯性导航市场带来重要影响[4-5]。

以下重点介绍核磁共振陀螺近年来的研究进展,分析核磁共振陀螺在高精度、小型化方向发展需要重点研究的关键技术及其可能的解决思路,最后对核磁共振陀螺的发展进行了展望。

1 研究进展

近年来,在美国国防部高级研究计划局对微小型、高精度陀螺的需求牵引下,随着原子操控、芯片级原子器件微加工制造等技术的前沿研究进展,诺斯罗普·格鲁门公司近年来取得了积极的研究进展[3, 6],研制的陀螺样机如图1所示。

图1 诺斯罗普·格鲁门公司研制的核磁共振陀螺样机[3, 6]Fig.1 Northrop Grumman NMRG prototype

近年来,国内多家单位积极跟踪了核磁共振陀螺技术的发展动态,开展了相关研究工作[7-13]。北京自动化控制设备研究所自2011年开展了核磁共振陀螺的探索研究,研究进展如图2所示。

图2 核磁共振陀螺技术研究进展Fig.2 The progresses of NMRG

2013年,研制了核磁共振陀螺的原理试验装置,实现了原理验证;2014年,基于自主研制的小型化磁共振气室、无磁电加热片、三维异型线圈等部件,实现了核磁共振陀螺原理样机的研制[7];2015年,实现了光源与物理表头的集成、自旋系综的系统级闭环控制,研制了表头体积(含光源)250cm3、零偏稳定性优于2(°)/h的原理样机,实现了对地速的敏感测量(如图3所示),证明了该陀螺在惯性空间的角运动测量能力。

图3 核磁共振陀螺地速敏感测试曲线Fig.3 The earth rate sensed by NMRG

图4 研制的核磁共振陀螺原理样机Fig.4 The developed NMRG prototype

(a)

(b)图5 核磁共振陀螺零偏稳定性(a)与随机游走测试曲线(b)Fig.5 The measured bias drift (a) and allan deviation(b) of NMRG

从国内外发展情况来看,核磁共振陀螺在微小型敏感单元条件下具有突出的高精度发展潜力。随着自旋系综操控技术的发展、微光机电精密制造技术的进步,核磁共振陀螺在目前已实现的技术指标基础上仍有提高精度、减小体积的潜力,正在向战略级精度、芯片级尺寸持续发展。

2 关键技术实现与分析

微小型兼具高精度是核磁共振陀螺的突出优点,以下从核磁共振陀螺的工作原理出发,重点分析核磁共振陀螺在高精度、小型化方向发展需要重点研究的关键技术及其可能的解决思路。

图6 核磁共振陀螺的工作原理示意图Fig.6 The principle of NMRG

根据核磁共振陀螺的工作原理,该陀螺的实现主要涉及以下四项关键技术:1)核自旋极化技术;2)核自旋进动检测技术;3)核自旋磁共振技术;4)磁屏蔽技术。

2.1 核自旋极化技术

核自旋的指向在自然状态下杂乱无章,需要采用驱动激光赋予核自旋宏观指向。由于采用光场直接极化核自旋相对困难,可以采用电子自旋这一媒介,通过核自旋-电子自旋的耦合,基于光场对电子自旋的极化[14],最终实现对核自旋的超极化,制备出敏感角运动的自旋系综。

1)超极化。核自旋极化率越大,越有利于提高陀螺精度,核自旋的极化率主要与电子自旋极化率、电子自旋-核自旋交换速率等参数相关[15]。

(1)

式中,Pn为核自旋极化率,Pe为电子自旋极化率,T1为核自旋纵向弛豫时间,Rse为电子自旋-核自旋交换速率。

从式(1)中可以看出,电子自旋-核自旋交换速率增大,有利于提高核自旋极化率;但是,在驱动激光功率一定的情况下,电子自旋-核自旋交换速率增大会增加电子自旋的总弛豫率[15],从而降低电子自旋极化率,最终降低核自旋极化率。因此,需要综合考虑电子自旋-核自旋交换速率,根据驱动激光功率、碱金属原子与惰性气体原子密度等优化原子源参数,提高核自旋极化率。

2)气室内壁镀膜。从式(1)可以得到,提高核自旋纵向弛豫时间有利于提升核自旋极化率。随着核磁共振陀螺体积的降低,磁共振气室尺寸大幅减小,核自旋与气室内壁的碰撞速率增加,导致核自旋纵向弛豫时间减少。气室内壁镀膜是提高核自旋纵向弛豫时间的有效途径。目前,比较成熟的抗弛豫镀膜材料是石蜡,但是石蜡的熔点比较低(一般70℃左右)。核磁共振陀螺中磁共振气室的工作温度一般在100℃以上,传统的石蜡膜难以在该陀螺中应用。目前,OTS(Octadecyltrichlorosilane)镀膜等耐高温的镀膜材料与工艺手段已成为研究热点[16],需要根据所选择的核自旋种类、磁共振气室的制作工艺综合考虑,探索具有抗弛豫效果的内壁镀膜材料,研究成品率高、一致性好的镀膜工艺,在小体积条件下提升核磁共振陀螺的精度与工程可用性。

2.2 核自旋进动检测技术

角运动信息的获取,需要在载体系中对核自旋进动进行精密测量。与核自旋极化类似,检测激光直接与核自旋相互作用以提取进动信息较为困难。核自旋进动产生磁场,能够被电子自旋感受而引起电子自旋进动。因此,可以通过电子自旋构造原子磁强计,测量核自旋的进动磁场从而得到核自旋的进动信息[17-18]。同时,在核磁共振陀螺中,电子自旋与核自旋被混合于同一个磁共振气室内,电子自旋与核自旋的耦合会使电子自旋感受到的核自旋进动磁场增强,从而提高对核自旋进动检测的能力[17，19]。

1)光学检测。目前,核磁共振陀螺一般采用线偏振光检测电子自旋进动,构造原子磁强计最终获得核自旋进动信息,检测方式主要包括法拉第调制法、光弹调制法、差分偏振法等[16]。法拉第调制、光弹调制法将待测的低频区光学信号调制到高频区,从而隔离低频区1/f等噪声影响,有利于提高检测系统的信噪比。但是,法拉第调制、光弹调制法的硬件系统构成较为复杂,难以在小体积核磁共振陀螺中应用。差分偏振法结构简单,有利于系统的集成化与小型化。但是,由于该方法自身缺乏调制功能,当待测信号处于低频区时,检测系统的1/f等噪声较大,会制约系统的信噪比提升。在核磁共振陀螺实际工作中,可以通过提高主磁场的大小,增加核自旋的磁共振频率,从而提高待测信号的频率,有效隔离低频区的1/f噪声。但是,核磁共振频率的增加,扩大了磁共振频率的测量范围,不利于提升磁共振频率的检测分辨率,又会制约陀螺精度提升。因此,在核磁共振陀螺有限的体积下,当采用差分偏振检测时,需要综合考虑主磁场大小与检测光路设计,提高系统低频区的检测能力;另一方面,在兼顾小体积与高精度的前提下,设计新原理与方法也是提升陀螺检测能力的有效途径。

2)工作点参数。核自旋进动检测工作点参数优化主要涉及检测激光、纵向磁场及磁共振气室温度等参数优化。在检测激光方面,需重点考虑功率与频率参数,配合磁共振气室内自旋系综参数,提高检测能力。在纵向磁场方面,通过上述分析可知,纵向磁场越大,越有利于抑制低频噪声。但是,纵向磁场的增大导致电子自旋总弛豫率增加、测量范围增大,电子自旋构造的原子磁强计检测灵敏度降低[20-21]。因此,需要综合考虑信号强度与低频噪声,优化纵向磁场参数提升检测信噪比。在磁共振气室温度方面,电子自旋构造的原子磁强计灵敏度与电子自旋交换碰撞弛豫率密切相关,该弛豫率越低,检测灵敏度越高。降低磁共振气室温度可以降低电子自旋交换碰撞弛豫率,但是气室温度降低导致电子自旋密度降低,检测信号强度减弱。因此,需要通过综合考虑与检测系统相关的光场、磁场、自旋系综参数,提升系统的检测能力,进而提升陀螺的精度。

2.3 核自旋磁共振技术

核磁共振陀螺的正常工作,不仅需要赋予核自旋宏观指向,同时也需要维持核自旋始终处于磁共振状态,从而实现相对惯性空间角运动的精密测量。

1)磁共振闭环控制。核自旋在纵向主磁场和横向激励磁场下发生磁共振,其中激励磁场在载体系进行施加,该激励磁场的频率相对核自旋而言会随着载体转动而变化,因此需要对在载体系施加的磁共振频率进行实时测量并反馈控制,维持核自旋的磁共振状态。磁共振闭环控制的精度、响应时间等会直接影响陀螺的精度与测量带宽。在核磁共振陀螺中,可采用调整频率或相位的方式实现磁共振频率的闭环控制。从闭环反馈控制的精度与响应时间上看,相位闭环控制是提高核磁共振陀螺性能的有效途径,不仅有利于提升陀螺精度与带宽,而且可实现陀螺输出从速率工作模式到直接输出角度工作模式的转变。因此,需要针对基于相位的磁共振闭环系统开展研究工作,降低闭环系统误差,提升控制精度与响应速度。

2)电四极矩频移稳定控制。从目前国内外发展现状来看,核磁共振陀螺一般采用同位素129Xe与131Xe的核自旋来实现角运动的敏感。不同于129Xe,131Xe核自旋存在电四极矩,会产生电四极矩弛豫[22],引起131Xe核自旋频率偏移,产生陀螺误差,通过两种核自旋差分方式难以消除该影响,从而制约陀螺精度的提升。电子自旋能感受到核自旋产生的磁场,129Xe、131Xe核自旋也能感受电子自旋产生的磁场,但强度存在差异。国外学者提出采用电子自旋极化率和磁场翻转等方法测量129Xe、131Xe核自旋感受到的不同电子自旋磁场[23-25],利用两者强度差异补偿电四极矩频移,但是技术途径较为复杂。电四极矩频移与气室的材料、内壁镀膜、形状、结构尺度、气室温度等多种参数有关。因此,需要首先从优化气室材料、形状、结构尺度等参数方面降低131Xe的电四极矩频移。在气室参数确定后,需要综合分析影响电四极矩弛豫频移的参数,例如温度、电子自旋极化率等,采取温度、电子自旋极化率等的闭环控制手段提高电四极矩频移的稳定性。

2.4 磁屏蔽技术

角运动会导致观测的核自旋磁共振频率改变,磁场也会引起核自旋进动频率的改变。因此,需要屏蔽环境磁场,隔离磁场对核自旋进动测量的影响。一般采用基于高导磁材料的被动磁屏蔽+基于原子磁强计的主动磁补偿方案实现。被动磁屏蔽在地磁场环境下一般仅能实现105～106的磁场衰减系数,在此基础上的进一步磁场衰减,需要采用基于原子磁强计的主动磁补偿技术。

1)被动磁屏蔽。在核磁共振陀螺中,被动磁屏蔽一般需要进行开孔设计为光路、电路提供传输通路。随着核磁共振陀螺体积降低,被动磁屏蔽的尺寸减小,开孔相对尺寸变大,开孔破坏作用增强,磁屏蔽效果降低。通过优化被动磁屏蔽结构、开孔形式与位置、屏蔽层厚度等参数是实现小型化高效被动磁屏蔽的重要途径。原子磁强计的发展为磁场屏蔽带来了新途径,被动磁屏蔽结合主动磁补偿可以使磁场屏蔽系统实现优于1010的磁场衰减能力[6],为实现高精度核磁共振陀螺提供了技术途径。另一方面,被动磁屏蔽材料本身会产生磁场噪声[26-27],制约了主动磁补偿性能的提高。因此,针对高精度、小体积核磁共振陀螺的需要,磁屏蔽材料的选择、结构形式、制造工艺等是小型化高效被动磁屏蔽研究的重点与难点。

(2)

解上述方程组,得到:

(3)

(4)

式中,Pe为电子自旋极化率,δ1与δ2分别为两种核自旋感受电子自旋磁场的放大系数,与气室温度、形状、原子种类等参数相关[28]。

由式(4)可知,核自旋磁共振频率差分难以去除电子自旋磁场。随着核磁共振陀螺向高精度发展,此项误差不可忽略,是三维主动磁补偿技术需解决的难点。当气室形状、原子种类等参数确定后,可通过气室温度、电子自旋极化率稳定控制等途径抑制此项误差的漂移,从而提升陀螺的零偏稳定性。

3)微小型三维磁场线圈。磁场线圈是三维主动磁场补偿、磁共振激励的执行机构,高均匀区的磁场有利于降低核自旋的弛豫率,提高陀螺的精度。随着核磁共振陀螺体积降低,磁场线圈的尺寸减小,如何在小体积下实现高均匀区是三维线圈研究的重点与难点。另一方面,现有线圈设计理论一般基于自由空间,随着核磁共振陀螺向小型化发展,被动磁屏蔽桶与三维线圈会尽可能靠近,磁屏蔽边界条件会吸引三维线圈的磁力线,从而改变磁场空间分布,破坏线圈磁场均匀性。因此,针对核磁共振陀螺中的小型、高均匀区三维线圈研究,需要综合考虑磁屏蔽边界条件的影响,提升三维线圈的设计能力。

3 发展展望

诺斯罗普·格鲁门公司已经在体积10cm3下实现0.02(°)/h的零偏稳定性,随着自旋系综操控技术的发展、微光机电精密制造技术的进步,核磁共振陀螺在目前已实现的技术指标基础上仍有提高精度、减小体积的潜力。美国国防部C-SCAN项目正在进一步挖掘核磁共振陀螺的潜力,不仅向10-4(°)/h精度发展,同时也向芯片级尺寸不断进步。因此,核磁共振陀螺有望成为应用较为广泛的新一代惯性器件,兼具高精度、小体积、纯固态、加速度不敏感等综合优势。

我国在核磁共振陀螺技术领域研究起步较晚,虽然取得了积极的研究进展,但在陀螺的精度、体积、技术成熟度等方面与国外仍有较大差距,需要在自旋系综的操控机理与方法、高性能的小型核心部件研制、微小型精密制造与集成等方面深入开展研究工作,推动相关技术的快速发展,实现高精度、微小型的核磁共振陀螺。

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Prospective Development of Nuclear Magnetic Resonance Gyroscope

WAN Shuang-ai1, SUN Xiao-guang1, ZHENG Xin2, QIN Jie1

(1.Beijing Institute of Automatic Control Equipment, Beijing 100074,China； 2.The 3rd Academy of China Aerospace Science & Industry Corp., Beijing 100074,China)

With the rapid progress of frontier technologies such as atomic manipulation, Nuclear Magnetic Resonance Gyroscope (NMRG), which features high precision, micro scale, insensitive to acceleration and no moving parts, has becoming one of the main developing trends of the high precision and compact gyroscope at present. The recent development of the NMRG were summarized firstly; the key technologies(nuclear polarization, nuclear precession detection, nuclear magnetic resonance, and magnetic shield)to realize the NMRG were introduced from the point of the basic operation principle secondly; the possible approaches to develop high precision and micro scale NMRG in the near further were analyzed; the development of the NMRG in the near future were prospected finally.

Nuclear magnetic resonance gyroscope; Atomic gyroscope; Gyroscope; Inertial navigation

10.19306/j.cnki.2095-8110.2017.01.002

2016-11-02；

2016-12-07。

国家高技术研究发展计划(2014AA123401)；国家自然科学基金(61473268,61503353)

秦杰(1984-)，男，博士，主要从事量子传感技术方面的研究。E-mail: jie.qin@yahoo.com

TN249

A

2095-8110(2017)01-0007-07