绝对重力仪的技术发展:光学干涉和原子干涉

绝对重力仪是直接开展绝对重力测量的精密计量仪器。绝对重力测量是指对地球表面重力加速度值的直接测量,其在地球科学和计量科学等领域都有十分重要的应用。历史上最早的绝对重力测量约在1590年。1590~1960年,主要利用摆仪的摆长和自由摆周期来开展绝对重力测量。自1960年起,随着激光技术的发明,高精度绝对重力测量有了新的发展,人们开始利用宏观物体自由运动(自由下落或上抛)的方法开展绝对重力测量,形成了激光干涉绝对重力仪。1991年,美国斯坦福大学朱棣文教授小组首次利用冷原子团的自由运动进行绝对重力测量,实现了第一台原子干涉绝对重力仪。中国计量科学研究院是我国最早开展绝对重力仪研制的单位,本文结合中国计量科学研究院绝对重力仪研制经验,综述了激光干涉绝对重力仪和原子干涉绝对重力仪的技术发展,尤其是激光技术的发明对绝对重力仪的技术发展带来的革命性技术变革。     

船载系泊状态下基于原子重力仪的绝对重力测量

重力场是反映地球质量分布及变化的重要参数,动态重力测量在地质调查、地球物理、资源勘探等领域有着重要应用.目前动态重力测量均基于相对测量原理,动态相对重力仪存在零点漂移问题,影响其测量性能.动态绝对重力仪可以为相对重力仪提供同步同址校准,解决其长漂问题,因此备受关注.本文基于原子重力仪和惯性稳定平台,搭建了一套船载绝对重力动态测量系统,并在船载系泊状态下开展了绝对重力动态测量实验.经评估,船载系泊环境下的重力测量灵敏度为16.6 mGal/Hz^-1/2,1000 s积分时间内重力测量的分辨率可达0.7 mGal.通过两周的绝对重力测量,评估了系统的稳定性.为了评估绝对重力的动态测量精度,将船上测量点与码头高精度绝对重力基准点的绝对重力值进行了比较,两点之间的绝对重力值差及其不确定度评估结果为(–0.072±0.134)mGal.本文结果为海洋相对重力仪的同时同船校准提供了一种新方案.     

基于系数搜索的振动补偿方法

绝对重力仪普遍采用激光干涉式或原子干涉式的测量原理来测量重力加速度的绝对值,在地球物理等领域有着广泛的应用.振动补偿是一种有效减小地面振动对绝对重力仪测量精度的影响的方法,尤其适用于复杂振动环境.本文介绍了一种基于传递函数简化模型的、用于实时修正原子干涉式绝对重力仪干涉条纹的振动补偿方法,给出了该方法的工作原理及搜索模型系数的具体算法流程,然后利用仿真运算验证算法的有效性,最后利用已有的原子干涉式绝对重力仪对算法效果进行了实验评估.结果表明,使用该振动补偿算法对原子重力仪的干涉条纹进行修正,最大可将干涉条纹的余弦拟合残差的标准差衰减58%.该振动补偿算法具有较强的自适应性,有望提升原子干涉式绝对重力仪在不同测量环境尤其是复杂振动环境中的测量精度.     

大倾斜角度下基于冷原子重力仪的绝对重力测量

冷原子重力仪的倾斜角会对绝对重力测量产生显著的影响.高精度的绝对重力测量需要对重力仪的倾斜角进行精确的测量、控制及校正.本文从理论上分析了四种不同情况下倾斜对绝对重力测量的影响规律,并在实验上对得到的理论进行了实验验证.基于此,设计了一种基于双倾斜计的绝对重力测量方案,主要是为了解决恶劣测量环境下的冷原子重力仪倾斜漂移问题.此方案利用高精度倾斜计记录放置在被动隔振平台上的拉曼反射镜的倾斜角度,并使用另外一个倾斜计监控真空系统的倾斜,以实现振动噪声的抑制和倾斜的高精度测量.基于自研的小型化冷原子重力仪,对该方案进行了实验验证,并最终实现了车间复杂环境下的高精度绝对重力测量.由于倾斜得到精确测量和补偿,冷原子重力仪的测量精度达到了12.3μGal.本文为复杂环境下的高精度绝对重力测量提供了一种可行的方案,为冷原子重力仪的实用化提供了参考数据.     

太阳核心中7Be电子俘获几率的计算

在太阳核心的条件下,⁷Be原子被完全电离.所以,重新计算的⁷Be和⁸B太阳中微子流强分别约为4.00×10⁹cm^－2·s^－1和6.18×10⁶cm^－2·s^－1,而标准太阳模型预言的⁷Be和⁸B太阳中微子流强则分别是4.80×10⁹cm^－2·s^－1和5.15×10⁶cm^－2·s^－1.这将进一步增大在Super Kamiokande太阳中微子实验上中微子流强的实验测量值与理论预计值之间的差异.     

低能区强耦合常数的测量

强耦合常数,α_s(s)是量子色动力学最重要的参数. 基于BES的R值测量结果, 分别利用精确到3圈和4圈的微扰QCD的计算, 测定了α_s(s)在2.0—3.7GeV能量范围的数值, 并推断了α_s(s)演化到Z⁰能标下的值α_s(M_z). 同时对在未来实验中R值测量精度的提高对α_s(s)的不确定性的减小作了定量的预言.     

基于冷原子重力仪的船载动态绝对重力测量实验研究

冷原子重力仪正逐渐向小型化、动态化、实用化方向发展,将其应用于深远海绝对重力测量及水下长航时、高精度导航具有十分重要的意义.而目前冷原子重力仪多数尚处于实验室静基座或准静基座测量状态,难以满足动态应用场景下的重力测量需求,因此对冷原子干涉重力测量进行“由静到动”的相关研究十分迫切和关键.本文分析了动态测量的基本原理,给出了冷原子重力仪与加速度计组合测量的基本方法,搭建了一套基于冷原子重力仪和惯性稳定平台绝对动态重力测量系统,并采用冷原子重力仪与传统加速度计组合测量方式,开展了船载动态测量实验.首先,在实验室静态环境下进行了约40 h的连续绝对重力测量,对冷原子重力仪的性能进行初步评估,灵敏度为447μGal/■(1Gal=1 cm/s2),长期稳定度可达2.7μGal.在此基础上开展船载实验,测量船在湖上以约4.6 kn的速度航行,采用重复测线的方式开展了船载绝对动态重力测量.经评估,四条重复测线的内符合精度为2.272 mGal,四个航次外符合精度分别为2.331,1.837,3.988和2.589 mGal.最后,针对实验结果,对可能存在的问题进行进一步分析与总结.本实验研究为海洋...     

Ds介子几个重要衰变分支比的绝对测量

在正负电子对撞能量4.03GeV处,BES实验在BEPC对撞机上完成了D_s介子纯轻子衰变,半轻子衰变和φπ⁺分支比的绝对测量.文章详细描述了用于π与K识别的联合置信度方法,D_s单标记和双标记技术,以及计算Ds衰变分支比的最大似然函数.对所得物理结果做了讨论和评述.对未来D_s物理改进测量做了展望     

基于冷原子重力仪的绝对重力动态移动测量实验

动态重力测量可以提高重力场的勘测效率,对基础地质调查、资源勘探、地球物理研究等具有十分重要意义.本文基于冷原子重力仪、惯性稳定平台和牵引动力装置搭建了一套绝对重力动态移动测量系统,并开展了绝对重力动态测量实验.首先测量了不同牵引速度下的垂向振动噪声功率谱,理论分析了其对动态重力测量的影响;其次评估了不同牵引速度对原子干涉条纹对比度和直流偏置量的影响,分析了动态环境下的振动补偿效果;在最大牵引速度为5.50 cm/s、最大振动幅度为0.1 m/s~2的情况下,实验上仍能基于振动补偿技术恢复原子干涉条纹.在此基础上,通过开展不同T下的原子干涉条纹测量,评估了动态测量环境下的绝对重力值,在校正完系统误差并减去绝对重力初始值后得到的测量结果为(–1.22±2.42) mGal (1 Gal=0.01 m/s~2).最后,通过与静态环境下的绝对重力测量值进行比较,发现两者基本吻合.本文开展的绝对重力动态移动测量实验有望为车载动态绝对重力测量提供数据参考.     

Ds衰变常数的测量

利用北京谱仪在e⁺e^－对撞质心能量4.03GeV所取得的约22.3pb^－1的数据,用先标记μ,后标记D_s的方法,共找到2个D_s→μv,3个D_s→τv→μvvv衰变候选事例,给出了D_s的纯轻子衰变的绝对分支比为:Br(D_s→μv)+0.72+0.70－0.44),Br(D_s→τv)=(14+11－8)%,并给出不依赖于模型假设的D_s衰变常数为:f_Ds=(355+96+28－90－28)MeV.     

绝对重力测量中振动传感器振动补偿性能的分析

绝对重力测量的精度主要受振动噪声的限制.振动补偿是一种简单可行的振动噪声处理方法,它通过传感器探测振动噪声来对测量结果进行修正.现阶段对于不同传感器的振动补偿性能缺乏系统的分析与评估,仅停留在应用阶段.本文从理论出发分析了传感器性能对补偿效果的影响,并通过实验评估了不同振动环境下不同传感器的振动补偿性能.实验结果显示,采用低噪声地震计的振动补偿效果主要受带宽和量程的限制,在安静环境下可实现优于百微伽的单次测量标准差,但补偿效果随振动噪声高频成分的增强而降低,在动态环境下地震计则受量程限制而无法工作.采用加速度计的振动补偿效果主要受分辨率的限制,在复杂和动态环境下均可实现毫伽量级的单次测量标准差.本文为振动补偿技术应用于绝对重力测量提供了振动传感器选型的理论和实践依据,有望为振动补偿技术的进一步发展提供技术支撑.     

基于原子重力仪的车载静态绝对重力测量

目前大多数原子重力仪的装置复杂、体积庞大、环境适应性差,不能应用于野外进行绝对重力测量,这限制了原子重力仪的应用领域.本文利用自研的小型化原子重力仪,集成了一套车载绝对重力测量系统.该系统主要由原子重力仪、被动平台隔震系统、位姿平台调平系统、差分GPS测高系统、不间断电源供电系统及车载空调温控系统等组成.首先,本文对该测量系统的车载环境适应性进行了评估,发现在野外40℃高温、8°大倾角普通路面的环境下,该系统仍然能够正常工作;其次,介绍了车载绝对重力测量的实验步骤及数据处理方法,并测量了车头朝向对绝对重力测量的影响.最后,在野外平坦路面上进行了重复测线工作,评估了系统的内符合绝对重力测量精度,结果约为30μGal;在野外大倾角山体路面,通过测量不同海拔高度点的绝对重力值,得到了地球的垂直重力梯度值,约为-231(36)μGal/m.本文结果为野外绝对重力勘测提供了依据.     

基于原子干涉仪的微观粒子弱等效原理检验

等效原理是广义相对论的两个基本假设之一,也是爱因斯坦对弱等效原理的推广.目前,大量实验证明弱等效原理在一定的实验精度内是成立的.将引力与标准模型统一起来的新理论都要求弱等效原理破缺,因此更高精度的弱等效原理检验具有重要的科学意义.本文介绍了原子干涉仪的原理,回顾了利用原子干涉仪开展微观粒子弱等效原理检验实验研究的历史和现状,介绍了双组分原子干涉仪检验弱等效原理实验涉及的振动噪声抑制、拉曼光移频与相位噪声抑制、四波双衍射拉曼跃迁原子干涉、信号探测与数据处理等关键问题及研究进展,分析了高精度微观粒子弱等效原理检验研究的发展趋势,介绍了长基线原子干涉仪、空间原子干涉仪、超冷原子源以及纠缠原子源制备等方面的研究动态,展望了微观粒子弱等效原理检验研究的发展前景.     

Investigation of the thermal adaptability for a mobile cold atom gravimeter

The cold atom gravimeter offers the prospect of a new generation of inertial sensors for field applications. We accomplish a mobile atom gravimeter. With the compact and stable system, a sensitivity of 1.4×10~(-7)g·Hz~(-1/2)is achieved.Moreover, a continuous gravity monitoring of 80 h is carried out. However, the harsh outdoor environment is a big challenge for the atom gravimeter when it is for field applications. In this paper, we present the preliminary investigation of the thermal adaptability for our mobile cold atom gravimeter. Here, we focus on the influence of the air temperature on the performance of the atom gravimeter. The responses to different factors(such as laser power, fiber coupling efficiency,etc.) are evaluated when there is a great temperature shift of 10℃. The result is that the performances of all the factors deteriorate to different extent, nevertheless, they can easily recover as the temperature comes back. Finally, we conclude that the variation of air temperature induces the increase of noise and the system error of the atom gravimeter as well, while the process is reversible with the recovery of the temperature.     

应用于碳同位素丰度测量的激光频率刻度系统研究

对应用于激光吸收光谱法碳同位素丰度测量中的激光频率实时刻度系统进行研究. 采用不同自由光谱范围的共焦法布里-珀罗干涉仪对测量过程中的激光扫描频率进行实时测量. 分别采用线性内插法和多项式拟合法对激光频率每次扫描过程中的频率非线性进行分析,通过对4976–4980 cm^-1波段CO₂吸收谱的多次测量平均的实验结果与HITRAN-2008数据库相应的吸收峰数据进行比较,得到两种方法的激光频率刻度精度均可达到10^-4 cm^-1,线性内插法的刻度精度要好于多项式拟合法. 验证了激光频率实时刻度系统在碳同位素丰度测量中应用的可行性. 关键词： 激光频率实时刻度 共焦法布里-珀罗干涉仪 同位素丰度测量 激光吸收光谱法     

Rh XⅢ—Cd XVI离子4s24p3—4s4p4能级与跃迁的理论计算

用HFR（Hartree-Fock with relativistic corrections）方法对Rb V—Cd XVI离子4s²4p³和4s4p⁴组态能级结构做了全面系统的理论计算研究. 通过分析能级结构参数的HFR理论计算值与基于实验能级拟合得到的计算值之比值随着原子序数Z_c变化的规律,运用广义拟合外推方法预言了这些离子能级结构参数. 由此进一步计算了Rh XⅢ,Pd XIV,Ag XV和Cd XVI离子4s²4p³（⁴S_3/2,²P_1/2,3/2,²D_3/2,5/2）和4s4p⁴（⁴P_1/2,3/2,5/2,²P_1/2,3/2,²D_3/2,5/2,²S_1/2）组态能级以及电偶极跃迁波长与振子强度. 研究表明,对于4s²4p³组态,单组态近似可以得到较满意的结果;而对于4s4p⁴组态,只有在考虑了4s²4p²4d的组态相互作用效应时,计算结果的准确性才能明显得到提高. 同时,本文还运用全相对论grasp2K-DEV程序包计算了Rh XⅢ—Cd XVI离子组态能级. 对于Rh XⅢ离子4s²4p³（²P_1/2）,Pd XIV离子4s²4p³（⁴S_3/2,²P_1/2,3/2,²D_3/2,5/2）和4s4p⁴（²P_1/2,3/2,²D_3/2,5/2,²S_1/2）,能级均无实验值;对于Ag XV和Cd XVI离子,截至目前还没实验能级数据,没有实验能级值的所有数据均仅来自本文的计算数值. 本文计算结果与已有实验值吻合得很好.     

锶原子互组跃迁谱的实验研究

观测了热原子束中锶原子(5s²)¹S₀—(5s5p)³P₁ 互组跃迁的荧光谱和饱和荧光谱, 实验测定了不同的参量下 ⁸⁸Sr(5s²)¹S₀—(5s5p)³P₁ 互组跃迁荧光谱. 研究结果表明: 不同的实验参数(温度、激光光强、激光扫描频率)对谱线有较大的影响, (5s5p)³P₁态的长寿命特点导致谱线强度随激光扫描频率呈倒数关系变化; 由于Doppler增宽, 渡越增宽等因素的影响, 谱线线宽远大于其自然线宽且随激光扫描频率呈正比关系变化.     

不同序列拉曼光脉冲对原子重力仪灵敏度的影响

研究了不同序列拉曼光脉冲对原子重力仪灵敏度的影响.结果表明,通过调节脉冲间隔可以改善原子干涉重力仪的灵敏度.在标准配置下,只考虑重力及一阶重力梯度时,三脉冲序列（π/2-π-π/2）的原子干涉重力仪具有较大的灵敏度,四脉冲序列（π/2-π-π-π/2）的原子干涉重力仪对重力不敏感,可用来测量重力梯度,五脉冲作用会降低原子干涉重力仪的灵敏度. 关键词： 原子重力仪 拉曼激光脉冲序列 灵敏度