一种基于静电调控的悬浮光力重力测量装置及方法与流程

本发明涉及一种基于静电调控的悬浮光力重力测量装置及方法。

背景技术：

1、物体由于地球的吸引而受到的力称为重力，重力的大小与物体的质量成正比，比例系数称为重力加速度。作为刻画地球重力场的重要参数，重力加速度并不是一个常量，而是一个随时间和空间动态变化的物理量。重力加速度的精密测量，对于监测地球局域质量分布的变化、观测地壳的结构和运动、预测地震等环境灾害、勘探地下资源以及物理量的精确计量都有着积极而又深远的意义。

2、作为实现重力加速度精密测量的装置，重力仪经历了从单摆式重力仪、fg5自由落体型重力仪到冷原子干涉重力仪的发展迭代。单摆式重力仪根据单摆的长度l和摆动周期t实现重力加速度的测量，测量公式的近似性、长度测量的误差等因素限制了其测量精度的提升。fg5自由落体型重力仪根据物体自由落体的时间t和距离s实现对重力加速度的精确测量，自由落体的距离可以采用激光测距的方法精确测量。根据自由落体运动的距离与初速度 v0和时间t的关系式 对自由落体的时间和距离数据进行拟合，即可测量得到重力加速度。fg5型自由落体重力仪由于落体运动时间长，数据采集频率极低，难以在短时间内连续重复测量。近年来，以冷原子或者微纳颗粒为落体的重力仪得以迅速发展，极大地改善了fg5型自由落体重力仪的这一劣势。

3、冷原子干涉重力仪借助在冷原子在重力场的跃迁中实现重力加速度的测量[周敏康, 原子干涉重力测量原理性实验研究，华中科技大学，2011]。具体来讲，利用激光或者其他电磁场构成的势阱对碱金属原子体系进行冷却囚禁，从而制备竖直向上运动的原子喷泉。最常用的原子为87rb原子。在两束激光脉冲的作用下，冷原子发生拉曼跃迁从电子基态跃迁至某一特定的激发态。由于冷原子在重力场中发生拉曼跃迁的路径不唯一，并且冷原子携带的相位信息取决于跃迁的路径，因此经历不同的拉曼跃迁路径而到达相同末态的冷原子之间会发生干涉，冷原子位于末态的概率随着两束激光脉冲的时间延迟表现出振荡的特点。从这种振荡的特点可以测量得到不同拉曼跃迁路径之间的相位差，而不同路径的相位差又由重力加速度、两束激光的相位差和时间延迟共同决定，据此可以实现对重力加速度的精确测量。这种冷原子干涉重力仪极大地提高了数据的采集率，又能够实现μgal量级的分辨率，在工程应用和基础科研领域应用广泛，但是，对两束激光脉冲的相位差和时间延迟的改变依赖于精密的时序控制模块，冷原子的制备又对实验的真空度提出了极高的要求。

4、以微纳颗粒作为落体的重力仪已有文献报导，这种重力仪借助电磁场对微纳颗粒的悬浮作用控制微纳颗粒的自由落体运动，从而获得其自由落体运动的时间和距离数据，最终实现对重力加速度的精密测量。以基于聚焦光束的悬浮光力体系为例，在光力的作用下，聚焦光束能够将微纳颗粒悬浮在真空环境中，此时微纳颗粒在自身重力、光力、空气阻力和热噪声随机力的共同作用下振动，微纳颗粒的位移、速度和振动频率满足一定的概率分布。真空环境中的空气阻力和热噪声随机力相比光力和自身重力而言可以忽略不计。若将悬浮光束撤除，微纳颗粒则在自身重力的主导作用下自由落体，待微纳颗粒的位置发生一定量的改变之后再开启悬浮光束，微纳颗粒又会被悬浮在环境中，重新开始振动。据此可以获得一系列微纳颗粒自由落体的时间和距离数据。苏黎世联邦理工学院的研究团队基于这种原理，在实验上给悬浮光束施加方波调制信号，从而使悬浮微纳颗粒的运动状态在自由落体和振动之间切换，最终而获取微纳颗粒在自身重力作用下的自由落体的运动数据而实现对重力加速度的精确测量[phys rev lett, 121 (2018) 063602.]。在从自由落体的运动数据解算重力加速度的过程中，需要考虑微纳颗粒初始速度的随机性的影响，这增加了重力加速度解算算法的复杂度。同冷原子干涉重力仪一样，这种重力仪需要精密的时序控制模块。除此之外，对于这种重力仪而言，在撤除悬浮光束的情况下微纳颗粒存在着逃逸的风险。

5、现有的重力加速度测量技术大都基于物体的自由落体运动，从自由落体运动的时间和距离数据中间接测量重力加速度，存在着以下缺点：

6、（1）装置系统的复杂度高。对于冷原子干涉重力仪而言，冷原子的制备依赖于真空度优于10-9mbar的超高真空环境，因此冷原子干涉重力仪的真空系统的泵组往往需要由机械泵、分子泵、离子泵等联合构成。另外，对冷原子在重力场中的拉曼跃迁的激发和探测需要多束激光脉冲，激光脉冲的宽度和强度，以及激光脉冲之间的延时和相位差等参数需要得到精确的调控；对于以微纳颗粒为落体的重力仪而言，需要在电磁场悬浮实验系统中引入一定的控制手段对电磁场加以调制，调制器除了需要具备极快的响应速度之外，其调制带宽、稳定性等特性都会影响到重力加速度的测量结果。

7、（2）空气分子的影响不可排除。对于冷原子干涉重力仪而言，尽管真空度极高，环境中的残余空气分子仍会对重力加速度测量结果产生影响。一方面，残余空气分子对冷原子的阻力会影响冷原子干涉的相位差，另一方面，残余空气分子与冷原子的碰撞引起冷原子的消耗，这些因素都会制约重力仪的灵敏度和分辨率的提升；同样地，对于以微纳颗粒为落体的重力仪而言，空气分子对微纳颗粒的阻尼力和热噪声随机力对微纳颗粒在重力场中的自由落体运动的影响不可完全排除。

8、（3）重力加速度的解算算法的复杂度高。对于冷原子干涉重力仪而言，重力加速度的解算算法依赖于量子跃迁和路径积分理论，据此可以得到冷原子的不同拉曼跃迁路径的相位差与重力加速度和激光脉冲参数之间的理论公式。实验上直接测量的物理量为冷原子干涉引起的拉曼跃迁概率，据此提取出冷原子的拉曼跃迁路径的相位差，代入前述理论公式可以得到重力加速度的数据；对于以微纳颗粒为落体的重力仪而言，微纳颗粒自由落体运动的初始状态的随机分布在重力加速度的解算算法中必须予以考虑。这两种重力仪的解算算法对理论模型的依赖程度极高，理论模型的复杂程度直接决定了解算算法的复杂度。

9、（4）基于物体的自由落体运动测量重力加速度的测量必须依赖于精密的时序控制模块。对自由落体运动的时间测量精度对重力加速度测量精度的影响至关重要，因此，这种重力仪往往需要依赖于晶振模块、甚至更高精度的原子钟实现测量系统的时序控制。

技术实现思路

1、针对前述的基于物体的自由落体运动的重力仪的若干缺点，本发明的目的是提供一种基于静电调控的悬浮光力重力测量装置及方法，在悬浮光力体系基础上施加静电调控手段，在不依赖于物体自由落体运动的情况下实现重力加速度的测量。

2、一种基于静电调控的悬浮光力重力测量方法，通过施加静电场控制处于势阱中的带电的微纳颗粒振动的平衡位置，进而使微纳颗粒的振动中心频率随静电场的变化达到最大值，判定微纳颗粒受到的静电力和自身重力达到平衡，然后根据微纳颗粒的质量、电荷量，和施加的静电场，得出重力加速度。

3、所述的微纳颗粒带电的方式包括通过高压辉光放电基于紫外照射光电效应的电荷源、基于热发射的电子源、基于α射线释放的正电荷源。

4、所述的静电场通过圆柱形电极结构或者平板电极结构施加。

5、所述的势阱沿重力方向的能量分布的导数为非线性奇函数，包括基于聚焦高斯光束的势阱、多个磁极结构形成的磁势阱、多个电极结构形成的电势阱。

6、所述的方法，步骤如下：

7、1）采用聚焦高斯光束对微纳颗粒产生悬浮势阱；

8、2）施加静电场控制微纳颗粒在悬浮势阱中振动的平衡位置；

9、3）测量微纳颗粒振动的中心频率随施加的静电场变化，观测平衡位置的改变；

10、4）测量微纳颗粒振动的中心频率随静电场变化而达到最大值时的静电力；

11、5）根据微纳颗粒的质量、电荷量，和施加的静电场，得出重力加速度。

12、所述的方法，步骤如下：

13、2.1）悬浮微纳颗粒：高斯光束经聚焦之后形成光学势阱，光学势阱对微纳颗粒的力的作用使得微纳颗粒悬浮在环境中；

14、2.2）控制来自电荷源的自由电荷的释放及运动的过程，使自由电荷运动至微纳颗粒处，从而使微纳颗粒携带净电荷；

15、2.3）在真空环境中，测量悬浮微纳颗粒运动位移的功率谱密度，并利用洛伦兹函数对功率谱密度的进行拟合，实现对微纳颗粒的质量及其振动的中心频率的测量；

16、2.4）在电极上施加交流电压信号，根据微纳颗粒对此交流电压信号的响应能够精确地测量微纳颗粒携带的净电荷量，并对其所处位置的电场强度予以校准；

17、2.5）在电极上施加直流电压，从而在空间中产生静电场，携带净电荷的微纳颗粒在静电场的作用下平衡位置发生改变；观测微纳颗粒振动的中心频率随着施加在电极上的直流电压的变化规律，当振动频率取得最大值时，此时微纳颗粒所受到的静电力与其重力相等，除以测得的微纳颗粒的质量得到重力加速度。

18、所述的方法，步骤2.6）在步骤2.5）改变施加在电极上的直流电压测量重力加速度的过程中，每改变一次直流电压的大小，测量一次微纳颗粒携带的净电荷量，从而避免净电荷量的波动对测量数据的影响。

19、一种基于静电调控的悬浮光力重力测量装置，采用所述的方法，包括微纳颗粒、电极、电荷源和支撑结构；所述的支撑结构用于支撑电极。

20、所述的微纳颗粒为直径在百纳米到百微米量级的颗粒。

21、所述的电荷源包括通过高压辉光放电基于紫外照射光电效应的电荷源、基于热发射的电子源、基于α射线释放的正电荷源。

22、本发明的有益效果：

23、（1）针对前述两种自由落体型重力仪装置系统复杂度高的问题，本发明极大地降低了重力仪装置的复杂度。本发明只需要在悬浮光力系统的基础之上在竖直方向施加一对电极即可。

24、（2）针对前述两种自由落体型重力仪测量结果受到空气分子影响的问题，本发明从测量原理出发解决这一问题。微纳颗粒振动的中心频率取决于其所受的合外力在平衡位置处的一阶导数，其平衡位置由自身重力、静电力和光力共同决定，而空气分子对微纳颗粒的阻尼力和热噪声随机力影响其功率谱密度的宽度和底噪，并不影响其振动的中心频率。因此，在实验上改变施加在电极上的直流电压，当微纳颗粒中心频率随直流电压的变化过程中取得最大值时，微纳颗粒的重力和静电力平衡，静电力及微纳颗粒的质量可以直接测量，进而可以测得重力加速度。

25、（3）针对前述两种典型的重力仪解算算法的复杂度高的问题，本发明的解算算法复杂度大为降低。本发明中，微纳颗粒的质量可以利用洛伦兹函数对实验测量的功率谱进行拟合而测得，静电力可以通过测量微纳颗粒的净电荷量和静电场得到。

26、（4）针对前述两种典型的重力仪对精密时序控制模块依赖程度高的问题，由于本发明不需要测量微纳颗粒自由落体的运动数据，而是通过测量重力和静电力平衡条件下的静电力大小实现对微纳颗粒重力的测量，因此，本发明并不需要时序控制模块。

27、（5）本发明可拓展应用于其他静力的测量，如聚焦光束对微纳颗粒的散射力等。