一种小型化核磁共振陀螺仪的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于惯性测量领域的陀螺仪装置，涉及一种小型化的核磁共振原子陀螺 仪。
【背景技术】
[0002] 核磁共振陀螺概念起源于20世纪60年代，其原理是利用载体转动时导致原子核拉 莫尔进动频率改变来测量载体转动速度。
[0003] 原子核具有磁矩，将其置于静磁场Bo中，原子核磁矩会绕着磁场进行拉莫尔进动：
[0004] ω〇= γΒ〇 (1)
[0005] 当载体绕静磁场转动时，在载体中测量得到拉莫尔角频率发生改变，通过测量载 体中拉莫尔频率ω 〇bs即可确定载体角速度。
[0006] Ω = γ Β〇- ω obs (2)
[0007] 传统的核磁共振陀螺采用单独的抽运光光源以及探测光光源，探测器与探测光光 源同轴，陀螺载体的速度由探测光强的改变确定。气室用传统工艺吹制而成。该结构采用的 分立装置过多导致陀螺体积过大，不利于工程化应用，正是由于该劣势，使得上世纪核磁共 振陀螺在与光学陀螺的竞争中被淘汰。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的是:克服现有核磁共振陀螺样机体积庞大，不易工程化应用的缺陷， 提出一种体积小、精度高的核磁共振原子陀螺仪。
[0009] 本发明的技术方案是:一种小型化核磁共振原子陀螺仪，其包括充有碱金属以及 惰性气体的混合气体的真空气室，真空气室顶部内部镀有反射膜;释放用于抽运和检测的 光束的激光器置于真空气室底部;在激光器两边对称放置两个探测器用于检测转速信号； 用于产生横向振荡磁场的亥姆霍兹线圈设置在真空气室两侧;用于产生原子核拉莫尔进动 所需静态磁场的螺线圈围绕真空气室、激光器、亥姆霍兹线圈组成的光学系统，螺线圈外部 采用屏蔽结构进行磁屏蔽。
[0010] 所述激光器为垂直面腔激光器。
[0011] 所述真空气室采用七件分立微晶玻璃构建利用低温键合技术粘结而成，其顶部为 两个具有对称内楔面并镀制高反膜的微晶玻璃模块，中部为两个腔体内部的面镀制缓冲膜 的长方柱体微晶玻璃模块，底部为两侧镀制增透膜的微晶玻璃片，且其侧面设置有两个腔 体内部的面镀制缓冲膜的长方柱体微晶玻璃片。
[0012] 进行光学探测时，两路探测光沿相反的方向进入真空气室，并分别被两路探测器 探测，然后进行差分信号处理，得到转速信号。
[0013] 磁屏蔽结构采用开口不在一条线上，且相互错开的四层屏蔽罩。
[0014] 螺线圈长度比气室长度大两个数量级。
[0015] 亥姆霍兹线圈半径间距比气室长度大一个数量级。
[0016] 本发明的优点是:本发明使用发散光源同时实现抽运光以及探测光的功能，在光 源的对称两侧放置探测器，该装置在降低陀螺体积的同时，采用双探测器测量的方式降低 由于光强抖动对陀螺精度造成的影响，提升陀螺精度。另外，由于真空气室利用低温键合技 术制成，便于气室内部镀膜，保证角度及角速度测量精度，非常适用于惯性导航，磁场测量 等高精度测量领域。
【附图说明】
[0017] 图1是本发明小型化核磁共振陀螺仪的结构示意图；
[0018] 图2是本发明真空气室的主视图；
[0019] 图3是本发明真空气室的左视图；
[0020] 图4是本发明真空气室的右视图；
[0021 ]图5是本发明小型化核磁共振陀螺仪抽运光系统示意图；
[0022]图6是本发明小型化核磁共振陀螺仪探测系统示意图；
[0023]图7本发明小型化核磁共振陀螺仪探测方案原理示意图，
[0024] 其中，1-垂直面腔激光器，2-光电二极管，3-真空气室，4-亥姆霍兹线圈，5-螺线 圈，6-磁屏蔽罩。
【具体实施方式】
[0025] 下面结合附图和对本发明做进一步说明：
[0026] 请参阅图1，本发明小型化核磁共振陀螺仪涉及一种核磁共振陀螺的设计，它包括 充有碱金属以及惰性气体的混合气体的真空气室，真空气室顶部内部镀有反射膜。释放所 需光束的垂直面腔激光器置于气室底部。在激光器两边对称放置两个探测器用于检测转速 信号。亥姆霍兹线圈设置在真空气室两侧，用于产生横向振荡磁场。螺线圈围绕真空气室、 激光器、亥姆霍兹线圈组成的光学系统，用于产生原子核拉莫尔进动所需的静态磁场，且螺 线圈外部用四层屏蔽结构进行磁屏蔽，同时为保证磁屏蔽的效果，四层屏蔽罩的开口不在 一条线上，而相互错开。
[0027] 本发明所涉真空气室由图2所示的七件分立微晶玻璃构建利用低温键合技术粘接 而成，构建21、22楔面镀制高反膜用以反射抽运光束进入探测器;长方柱体23、24，25，26成 为腔体内部的面镀制缓冲膜增加碱金属在气室中的极化弛豫时间。微晶玻璃片27两侧镀制 增透膜降低腔体本身对抽运光和投射光的吸收。分立玻璃构建粘结成真空气室的方案便于 在气室内部镀制任意膜以优化工作介质的弛豫时间;顶部脊型设计可以产生横向的探测光 分量，这样就利用单光源同时实现了抽运光和探测光的作用。
[0028] 在真空气室完成闭合之前，利用特殊工艺在其中充入碱金属蒸汽，惰性气体，以及 淬灭气体(N2)。碱金属蒸汽的作用有二：1)用于将抽运光的极化状态传递至惰性气体实现 其极化，2)极化的碱金属可以将进动惰性气体产生的宏观磁矩放大之后进行测量。另外，惰 性气体由于其旋磁比较小，是核磁共振陀螺研制中理想的工作气体。淬灭气体用于吸收碱 金属自发福射产生的光子，减小该光子被碱金属再次吸收的可能性，提升碱金属的极化率。
[0029] 本发明所涉光源系统由图3所示的垂直面腔激光器31和相应光学器件组成。垂直 面腔激光器为一种半导体激光器，其激光垂直于顶面射出，与传统激光器相比：1)拥有较大 发散角，用来制作核磁共振陀螺时产生的探测光分量比较大;2)