王風(fēng)嬌，王天順，李新坤，劉院省，蔡玉珍，鄭建朋

（1.中國航天科技集團(tuán)有限公司量子工程研究中心，北京 100094；2.北京航天控制儀器研究所，北京 100039）

原子氣室是原子陀螺儀、原子磁力儀和原子鐘等量子儀表的核心器件。通常原子氣室外殼是透明的光學(xué)玻璃，內(nèi)部密封一定的堿金屬或惰性氣體等工作介質(zhì)，通過工作介質(zhì)與外部場的相互作用實(shí)現(xiàn)內(nèi)部原子的調(diào)控。原子氣室應(yīng)用于慣性測量和超靈敏磁場測量時(shí)，通常采用光泵浦技術(shù)使氣室內(nèi)的原子極化，但原子的熱運(yùn)動(dòng)與各種碰撞會(huì)破壞原子極化態(tài)，使得原子發(fā)生退極化重新恢復(fù)到Boltzmann 分布狀態(tài)。這一過程所需的時(shí)間為自旋弛豫時(shí)間，是衡量原子氣室性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一[1,2]。

SERF 陀螺儀以原子氣室中的堿金屬原子和惰性氣體原子作為測量角速度的敏感介質(zhì)，原子氣室的原子極化率和弛豫時(shí)間是影響陀螺儀信號強(qiáng)度的重要因素。自然狀態(tài)下，原子氣室內(nèi)部的原子自旋呈現(xiàn)雜亂無章的分布，不具備測量載體轉(zhuǎn)動(dòng)信息的能力，如圖1(a)所示。在泵浦光的作用下堿金屬原子的電子自旋發(fā)生極化，通過不斷碰撞，惰性氣體原子的核自旋也被間接極化，如圖1(b)所示。在零磁條件下，當(dāng)原子碰撞頻率高于其拉莫爾進(jìn)動(dòng)頻率時(shí)，堿金屬原子處于無自旋交換弛豫狀態(tài)[3,4]，電子自旋具有定軸性，能夠敏感載體轉(zhuǎn)動(dòng)信息。當(dāng)載體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，核子自旋會(huì)跟隨載體一起運(yùn)動(dòng)，而電子自旋由于慣性作用與系統(tǒng)產(chǎn)生相對夾角。探測光與泵浦光方向垂直入射，其偏振面穿過原子氣室時(shí)會(huì)偏轉(zhuǎn)一個(gè)角度，這個(gè)角度正比于堿金屬原子在探測光方向的投影分量。通過檢測探測光偏振方向的變化即可實(shí)現(xiàn)對載體角速度的測量，如圖1(c)所示。

圖1 SERF 陀螺儀工作原理Fig.1 Working principle of SERF gyroscope

原子氣室中堿金屬介質(zhì)一般是Rb、Cs、K 其中一種，選取時(shí)綜合考慮其熔點(diǎn)和飽和蒸氣壓，熔點(diǎn)低的堿金屬更有利于在低溫下工作，飽和蒸氣壓大的堿金屬可以得到更大的原子密度。惰性氣體一般有129Xe、131Xe、83Kr、21Ne、3He 等，選取時(shí)考慮其旋磁比的大小，旋磁比越小陀螺的理論精度越高。同時(shí)還需要考慮其與堿金屬交換截面的大小，進(jìn)而平衡系統(tǒng)的啟動(dòng)時(shí)間和核自旋弛豫時(shí)間兩個(gè)參數(shù)，緩沖氣體一般選取N2和He。表1 給出了不同堿金屬原子與惰性氣體Xe和緩沖氣體N2之間的碰撞截面，可根據(jù)不同的碰撞參數(shù)來選取原子氣室中堿金屬種類。

表1 堿金屬原子與其它氣體碰撞截面Tab.1 Collision cross section between alkali metals and gases

考慮到系統(tǒng)的性能、啟動(dòng)時(shí)間等因素，同時(shí)為了消除單堿金屬引入的等效磁場梯度，各研究單位提出了不同的原子氣室工作模式。普林斯頓大學(xué)和北京航空航天大學(xué)都采用了K-Rb-21Ne 的混合抽運(yùn)方法，該方法可以有效抑制混合光頻移，其中普林斯頓大學(xué)等效陀螺儀的分辨率達(dá)到1.8×10-7°/s[5-7]，北京航空航天大學(xué)的陀螺零偏不穩(wěn)定性達(dá)到0.008 °/h@Allan[8,9]。2013 年，普林斯頓大學(xué)采用Cs-Rb-21Ne 作為敏感介質(zhì)改進(jìn)SERF 陀螺[10]，但未見相應(yīng)指標(biāo)報(bào)道。甚至為進(jìn)一步抑制縱向主磁場波動(dòng)對原子系綜的影響，普林斯頓大學(xué)直接采用了3He-129Xe 的雙原子核差分方法，堿金屬仍采用Rb，陀螺零偏穩(wěn)定性達(dá)到0.01 °/h[11,12]。

本文為提高陀螺性能，采用39K-87Rb-129Xe 的混合堿金屬原子氣室工作模式，這種堿金屬39K-87Rb 混合光抽運(yùn)的方式，將泵浦激光和探測激光信號分開。因與不同堿金屬作用，泵浦激光和探測激光選擇不同的工作頻率，避免了探測激光對泵浦激光的干擾，降低了原相近工作頻率探測光對電子極化引入的退極化作用，增強(qiáng)了泵浦光對惰性氣體原子的超極化作用，可延長核子的自旋弛豫時(shí)間，為高性能原子陀螺儀性能的提升提供技術(shù)支持。

1 氣室制備

首先采用精密熱加工技術(shù)，如火焰熔接、激光熔接、光膠等工藝制備邊長8 mm，壁厚1 mm 的立方形原子氣室外殼。隨后，將原子氣室外殼放入真空退火爐中進(jìn)行退火處理，消除熱加工過程引入的應(yīng)力。然后，依次用有機(jī)試劑、酸性洗液、去離子水對原子氣室外殼進(jìn)行超聲波清洗，以去除內(nèi)壁附著的雜質(zhì)。最后，將完成清洗的原子氣室外殼放入真空烘箱，進(jìn)行玻璃外殼干燥處理。

將原子氣室外殼和堿金屬反應(yīng)源逐一熔接到真空玻璃分裝器上，整個(gè)玻璃結(jié)構(gòu)接入真空系統(tǒng)中。為了在填充堿金屬和工作氣體前保證原子氣室內(nèi)壁的潔凈度，在高溫烘烤條件下（≥200℃）進(jìn)行真空除氣操作。然后依次進(jìn)行堿金屬填充和氣體介質(zhì)填充，最后將原子氣室外殼熔封后從真空系統(tǒng)中取下完成樣品制備。

圖2 是本文設(shè)計(jì)的雙路堿金屬填充分裝器示意圖。其中，堿金屬Rb 是采用金屬Ca 顆粒與RbCl 熱還原反應(yīng)的方式制備，反應(yīng)物盛放于真空玻璃系統(tǒng)最末端的反應(yīng)瓶中。堿金屬K 采用的是石蠟包裹K 單質(zhì)的方式，直接封裝在真空玻璃系統(tǒng)另一末端分支。通過分別加熱對應(yīng)堿金屬的反應(yīng)瓶，對對應(yīng)堿金屬蒸餾，再通過溫差法將堿金屬均勻蒸餾-冷凝至各個(gè)原子氣室內(nèi)壁，實(shí)現(xiàn)堿金屬的定量填充。因?yàn)閴A金屬的化學(xué)性質(zhì)活潑，極易與空氣中的氧氣和水發(fā)生反應(yīng)，因此堿金屬生成、釋放和定量填充過程全部在真空保護(hù)下進(jìn)行。

圖2 雙路堿金屬填充分裝器示意圖Fig.2 Schematic diagram of two-way alkali metal filling packager

完成堿金屬填充后，需要對原子氣室內(nèi)部填充氣體介質(zhì)。考慮到玻璃外殼對He 等小分子的滲漏，本文采用N2作為緩沖氣體。為了獲得理想的弛豫時(shí)間，同時(shí)為了降低工藝難度和產(chǎn)品成本，將39K-87Rb 混合抽運(yùn)原子氣室內(nèi)的惰性氣體選定為129Xe，且將39K-87Rb-129Xe 原子氣室內(nèi)部氣壓控制在一個(gè)大氣壓范圍內(nèi)，129Xe 填充量為100Torr，N2填充量為600Torr。圖3 為39K-87Rb-129Xe 立方原子氣室實(shí)物圖。

圖3 39K-87Rb-129Xe 立方原子氣室實(shí)物圖Fig.3 39K-87Rb-129Xe cubic atomic vapor cells

2 測試與分析

采用蒸餾法填充堿金屬使堿金屬源中的原子擴(kuò)散到原子氣室外殼，同時(shí)對原子氣室外殼降溫，使得堿金屬原子在原子氣室外殼內(nèi)凝結(jié)。39K-87Rb 雙堿金屬混合光抽運(yùn)原子氣室中87Rb 熔點(diǎn)為38.9℃，39K 的熔點(diǎn)為63.7℃，兩者熔點(diǎn)存在差異。通過控制蒸餾溫差和時(shí)間可以控制堿金屬的填充量，實(shí)現(xiàn)堿金屬的定量填充。本文采用K:Rb=1:1 的填充量設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，并在試驗(yàn)中開展了先87Rb 后39K 和先39K 后87Rb 的填充順序?qū)Ρ?。結(jié)果表明，不同填充順序?qū)τ跍y試結(jié)果沒有明顯影響，兩種堿金屬可能以金屬合金的形式存在。采用差示掃描量熱技術(shù)分析了兩種堿金屬的存在形式，驗(yàn)證了上述猜想。圖4 分別是堿金屬39K、87Rb 的以及39K-87Rb 堿金屬合金吸熱峰。通過測試，堿金屬39K和87Rb 兩者熔點(diǎn)分別是63.8℃和39.2℃，與物質(zhì)理論熔點(diǎn)一致。39K-87Rb 堿金屬合金的熔點(diǎn)為35.4℃。根據(jù)圖5 K-Rb 合金相圖[13]推斷兩種堿金屬成分的原子數(shù)填充比例有兩種情況，一種是K:Rb≈50%:50%，另一種是K:Rb≈86%:14%。本文根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)值和工藝經(jīng)驗(yàn)，判斷此次合金填充的數(shù)值比例為K:Rb≈50%:50%，即原子數(shù)填充比例K:Rb≈1:1。后續(xù)，課題組擬通過堿金屬填充比例的理論優(yōu)化設(shè)計(jì)和定量填充工藝實(shí)現(xiàn)對雙金屬混合光抽運(yùn)原子氣室性能的進(jìn)一步優(yōu)化。

圖4 堿金屬吸熱峰Fig.4 The endothermic peak of alkali metal

惰性氣體的弛豫時(shí)間分為橫向弛豫時(shí)間和縱向弛豫時(shí)間，通常所說的原子氣室的宏觀弛豫時(shí)間即橫向弛豫時(shí)間。其測試系統(tǒng)的原理如圖6 所示，目前對自旋弛豫時(shí)間的測試一般采用Franzen 提出的“暗中弛豫”方法，其基本思想是在磁場方向用圓偏振光進(jìn)行光泵浦，將原子沿磁場方向進(jìn)行極化，然后突然“關(guān)斷”系浦光，用弱的探測光進(jìn)行探測極化態(tài)的演化。測量時(shí)探測光要衰減到足夠弱，使得其泵浦效應(yīng)可以忽略，這樣在泵浦光“關(guān)斷”期間就只有弛豫過程。弛豫過程使得原子氣室內(nèi)惰性氣體核自旋極化態(tài)被破壞。隨著惰性氣體原子核自旋弛豫，探測光會(huì)被吸收，探測光的透射光強(qiáng)就會(huì)開始衰減，探測光透射光強(qiáng)與弛豫的原子數(shù)成反比，因此透射光的衰減可以用于衡量極化態(tài)的衰減過程，從中獲取原子氣室內(nèi)惰性氣體核自旋弛豫時(shí)間[14,15]。

本文基于SERF 陀螺儀測試平臺(tái)，進(jìn)行宏觀原子自旋弛豫時(shí)間測試，研究雙堿金屬混合光抽運(yùn)技術(shù)。測試系統(tǒng)組成包含幾個(gè)主要部分：泵浦激光器、探測激光器、光電探測器，磁屏蔽系統(tǒng)內(nèi)部包含三組亥姆赫茲線圈提供三維磁場，同時(shí)含有氣室托架以及氣室加熱系統(tǒng)，如圖7 所示。

以770 nm激光為泵浦光，將堿金屬39K 原子極化，以795 nm 激光為探測光，通過差分探測方式記錄探測光信號輸出。橫向弛豫時(shí)間測試時(shí)，只需要在橫向加一個(gè)脈沖磁場，自旋磁矩開始繞著靜磁場進(jìn)動(dòng)，進(jìn)動(dòng)信號大小與橫向的自旋極化成正比，因而信號衰減的過程就是橫向自旋極化的弛豫過程。本文對原子氣室采用了150℃的加熱溫度，待氣室溫度穩(wěn)定后，分別調(diào)整泵浦光和探測光參數(shù)，使磁強(qiáng)計(jì)信號達(dá)到最優(yōu)，然后改掃描磁場為階梯型磁場，觀測弛豫信號，優(yōu)化磁場和激光參數(shù)，使得弛豫時(shí)間最長。通過擬合信號的變化即可得到橫向弛豫時(shí)間。弛豫過程符合下式：

其中，S 為陀螺儀輸出信號，a為弛豫信號最大幅值，T2為橫向弛豫時(shí)間，b為弛豫信號中心偏離零值，ω是進(jìn)動(dòng)頻率，ω=γB0。γ為惰性氣體原子旋磁比，B0是靜磁場。圖8 是87Rb-129Xe 原子氣室和39K-87Rb-129Xe 原子氣室的弛豫時(shí)間曲線，其中黑色線為原始測試數(shù)據(jù)，紅線為擬合數(shù)據(jù)。其中，87Rb-129Xe原子氣室擬合得到自旋橫向弛豫時(shí)間為51.7 s，對比87Rb-129Xe 原子氣室的Xe 弛豫時(shí)間22 s 有了明細(xì)的提升。

圖8 87Rb-129Xe 與39K-87Rb-129Xe 原子氣室弛豫曲線Fig.8 Relaxation curve of 87Rb-129Xe and 39K-87Rb-129Xe atomic vapor cell

3 結(jié)論

本文通過39K-87Rb 雙堿金屬混合填充的方式制備了39K-87Rb-129Xe 長弛豫時(shí)間原子氣室。采用混合光抽運(yùn)的方式，實(shí)現(xiàn)了39K-87Rb-129Xe 原子氣室中雙堿金屬工作介質(zhì)的混合抽運(yùn)檢測。較單一堿金屬填充的方式，39K-87Rb-129Xe 混合氣室的弛豫時(shí)間得到了有效提升，其中129Xe 原子弛豫時(shí)間長達(dá)51.7 s。后續(xù)通過調(diào)整原子氣室內(nèi)部堿金屬的填充種類以及堿金屬的填充配比，并通過提升原子氣室內(nèi)部氣體壓力和調(diào)節(jié)氣體壓力配比，有望進(jìn)一步提升雙堿金屬混合光抽運(yùn)原子氣室的性能，支撐高精度SERF 陀螺儀的研制。