具体实施方式

下面结合附图(图1-图3)和实施例对本发明进行说明。

图1是实施本发明基于绝热快速通道的原子自旋陀螺仪测量核子极化率方法的流程示意图。图2是实施本发明基于绝热快速通道的原子自旋陀螺仪测量核子极化率方法的另一流程示意图。图3是实施本发明基于绝热快速通道的原子自旋陀螺仪测量核子极化率方法所利用的系统结构示意图。参考图1至图3所示，基于绝热快速通道的原子自旋陀螺仪测量核子极化率方法，其特征在于，利用原子陀螺工作时其核子自旋宏观极化方向与泵浦光同向，采用绝热快速通道将所述核子自旋宏观极化方向进行翻转，使原子自旋陀螺仪碱金属气室中的碱金属原子外层电子所感受到的磁场变化仅对应于核子自旋极化形成的磁场变化，采用电子顺磁共振方式测量翻转前后所述外层电子的共振频率差值，利用所述共振频率差值确定核子自旋极化率。

所述原子自旋陀螺仪测量核子极化率方法包括以下步骤：步骤1，将原子自旋陀螺仪中的碱金属气室加热到工作温度，待激光将所述碱金属气室中的原子极化到稳态时，采用磁场交叉调制补偿技术补偿磁场，使陀螺工作在“陀螺补偿点”；步骤2，打开电子顺磁共振射频线圈，产生可覆盖碱金属元素最外层电子基态塞曼能级在外磁场劈裂间隔的射频范围，将射频线圈产生的射频场频率，从小往大扫描或从大往小扫描，记录下所述碱金属气室发出最强荧光时的射频频率f₁；步骤3，打开绝热快速通道线圈，构建量子绝热快速通道，通过所述量子绝热快速通道将所述碱金属气室中的原子核自旋极化方向翻转；步骤4，重复步骤2的操作，记录下所述原子核自旋极化方向翻转后的碱金属气室发出最强荧光时的射频频率f₂；步骤5，利用以下公式获得核子自旋极化率：

式中，C为无量纲常数，与气室的形状相关，形状固定时其为常数。g_e为电子e的g因子已知量，μ_B为玻尔磁子，I为原子核自旋量子数，为普朗克常量，k₀是取决于温度和碱金属种类的无量纲常数，μ_atom是原子核的磁矩，n_atom是原子核的粒子数浓度，P_atom是原子核的核子自旋极化率。

参考图3所示，所述碱金属气室23位于内设有锰锌铁氧体环11的屏蔽筒10中心，所述锰锌铁氧体环11内设置有三维磁场线圈12，所述碱金属气室23与所述三维磁场线圈12之间自内而外依次设置有EPR线圈14和AFP线圈13，所述AFP线圈13连接AFP信号发生器16，所述EPR线圈14连接EPR信号发生器21，所述碱金属气室23的侧边设置有第二光电探测器15，所述碱金属气室23的受光侧依次通过1/4波片9、扩束透镜组8、偏振分光棱镜5、1/2波片4、稳功率执行器3、和起偏器2连接抽运激光器1。所述偏振分光棱镜5通过第一光电探测器6连接电子控制单元7，所述稳功率执行器3连接所述电子控制单元7。所述EPR信号发生器21分别连接频率计22和衰减器20，所述衰减器20连接反馈控制器19，所述反馈控制器19分别连接锁相放大器17和EPR控制器18，所述锁相放大器17分别连接所述第二光电探测器15和所述EPR控制器18。

一种原子陀螺在线工作时精确测量核子极化率的方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)将陀螺仪碱金属气室加热到工作温度，待激光将原子极化到稳态时，采用磁场交叉调制补偿技术补偿磁场，此时陀螺工作在“陀螺补偿点”；

(2)打开用于电子顺磁共振的射频线圈，扫描射频场频率，从小往大扫描(也可从大往小扫描)，记录下荧光最强时的射频线圈工作频率f_1；

(3)打开用于产生绝热快速通道的线圈，输入合适的参数构建绝热快速通道，将原子核自旋极化方向翻转；

(4)重复步骤(2)中的操作，记录下荧光最强时射频线圈工作频率f_2；

(5)重复步骤(3)和(2)，记录下荧光最强时射频线圈工作频率f_0,此时完成陀螺核子自旋极化在线测量。

随着射频线圈工作频率变化记录不同的荧光光强，记录荧光光强最强时射频频率值。通过对绝热快速通道线圈输入合适的参数，构建出绝热快速通道，实现原子核自旋极化方向翻转。

一种基于绝热快速通道原子自旋陀螺仪测量核子极化率的方法，其实现方法及步骤如下：(1)将陀螺仪碱金属气室加热到工作温度，待激光将原子极化到稳态时，采用磁场交叉调制补偿技术补偿磁场，此时陀螺工作在“陀螺补偿点”；(2)打开用于电子顺磁共振的射频线圈，产生可覆盖碱金属元素最外层电子基态塞曼能级在外磁场劈裂间隔的射频范围，将射频线圈产生的射频场频率，从小往大扫描(也可从大往小扫描)，记录下荧光最强时的射频频率f_1；(3)打开用于产生绝热快速通道的线圈，输入合适的参数构建绝热快速通道，将原子核自旋极化方向翻转；(4)重复步骤(2)中的操作，记录下荧光最强时的射频线圈工作频率f_2；(5)重复步骤(3)和(2)，记录下荧光最强时射频线圈工作频率f_0,此时完成陀螺在线测量核子自旋极化。(6)将上述频率值带入以下公式，

f₂-f₁＝2Δv (1)

其中，C为无量纲常数，与气室的形状相关，形状固定时其为常数。g_e为电子的g因子，μ_B为玻尔磁子，I为原子核自旋量子数，为普朗克常量，k₀是无量纲常数，取决于温度和碱金属种类，μ_atom是相应原子核的磁矩，n_atom是相应原子核的粒子数浓度，P_atom是原子核的极化率。便可准确计算出相应原子核的极化率。

本发明的原理在于：原子陀螺仪中碱金属原子电子顺磁共振频率可以用来测量由原子核极化率，主要是碱金属原子的塞曼能级的频移受原子核极化后形成的磁场影响，通过研究碱金属的密度矩阵ρ随时间的演化方程，可以得到碱金属原子电子顺磁共振频率相关的物理量：

其中A为碱金属超精细常数，是碱金属核自旋算符，为碱金属电子自旋算符，ω_e和ω_I分别是电子和核子的塞曼频率，K_SE是碱金属电子自旋与工作核子核自旋的自旋交换速率，Γ_SE是频移参数，是工作核子的核自旋，α，是碱金属核子自旋的操作算符，是其他与工作核子无关的但对密度矩阵含时演化造成影响的因素，如碱金属间自旋交换，光学泵浦过程等。上式中含的两项是工作核子引起碱金属原子塞曼频移的主要原因，包含一个实部项和一个虚部项，其中实部项只有在二阶效应之后才会对碱金属的塞曼频移造成影响，其影响相对于虚部项可以忽略，因此只考虑虚部项产生的影响即可。

在考虑到工作核子极化的方向沿Z轴时，即此时可以将虚部对塞曼频移产生的影响等效为一个叠加磁场:

B_SE＝(2Γ_SEK_SEh/g_eμ_B)K_z (4)

由此引起的EPR频移为：

极化工作原子原子核产生的经典磁场同样会对碱金属的顺磁共振频率产生影响，等效场强B_M大小与工作原子原子核的磁矩M成正比，其值为：

B_M＝C·M (6)

其中C为无量纲常数，与工作气室形状有关。工作原子原子核的磁矩可以写为：

M＝μ_atom·n_atomP_atom (7)

其中μ_atom是工作原子原子核的磁矩，n_atom是工作原子原子核的密度，单位为Amagat(0℃时工作原子气体的压强，1Amagat或1amg＝2.69*10¹⁹cm^-3is the density of anideal gas at standard temperature and pressure)，P_atom是工作原子核的核极化率。此项对应的碱金属电子的EPR频移为：

两种情况下的频移基于工作原子原子核的极化率和密度成正比，因此可以重新定义一个只与温度和碱金属种类相关的无量纲常数κ₀将K_SE也包含在内，此时便可得出频移与工作核子极化的对应关系：

为了测量Δv的值，需对工作原子核的核自旋极化方向进行翻转。分别对翻转前后的EPR频率进行测量，其差值为2Δv。此时便可准确计算出相应工作原子原子核极化率。以球形气室为例式9可以经计算得：

本发明与现有技术相比的优点在于：通常情况下，采用自由感应衰减(FreeInduced Decay，FID)进行测量，其需要在原子核极化的横向方向施加阶跃磁场后，检测原子核磁矩在此磁场下的进动信号，通过核磁矩进动信号获得原子核极化的相对强度。然而这样的检测方式主要存在如下弊端：1、无法屏蔽横向磁场背景噪声对检测结果的影响；2、只能获得核自旋极化强度的比例变化，无法精确测量核自旋极化强度；3、引入检测光间接测量，无法避免地耦合检测过程中的各类噪声；4、每一次FID测量非无损测量，无法实现在线实时测量。以上问题会导致核自旋极化无法精确测量，同时无法实现核自旋极化强度的闭环控制，从而无法闭环控制陀螺定轴型，使陀螺的零偏稳定性变差。本发明涉及的方法是利用量子绝热过程，将核子的宏观极化方向实现翻转，这种情况下碱金属原子外层电子感受到的磁场变化仅为核子极化形成的磁场变化引起的，此时采用电子顺磁共振的方式测量在翻转前后电子共振频率的改变，即可实时原位无损的精确测量出原子陀螺在线工作时核子极化率。同时，该方法不仅可以使原子陀螺仅采用气室荧光即可检测，增加了新的检测手段并摆脱对检测光闭环控制光路和电路的依赖，降低系统复杂程度，利于陀螺的小型化和闭环精确控制核极化率，而且以此为基础可进一步优化原子陀螺背景磁场大小和梯度。

本发明具体实施步骤如下：

(1)将陀螺仪碱金属气室23加热到工作温度，一束圆偏振抽运光极化碱金属电子，碱金属电子通过自旋交换极化惰性气体核子，待核子极化到稳态时，采用磁场交叉调制补偿技术补偿磁场，此时陀螺工作在“陀螺补偿点”。其中，抽运激光器1输出的光经过由起偏器2、稳功率执行器3、1/2玻片4、偏振分光棱镜5、光电探测器6和电子控制单元7组成的功率稳定系统，实现功率闭环控制。之后经过扩束透镜组8和1/4玻片9转换为光斑直径等于气室直径的圆偏振光。碱金属气室23安装于屏蔽筒10和锰锌铁氧体环11内部。在气室周围分布着三维磁场线圈12，用于产生量子绝热通道的(Adiabatic Fast Passage,AFP)线圈13，用于进行电子顺磁共振探测的(Electron paramagnetic resonance,EPR)线圈14，以及在气室23周围放置一个光电探测器15用于探测荧光信息。

(2)打开EPR控制器18，将信号给锁相放大器17和反馈控制器19经衰减器20后输入进EPR信号发生器20使得EPR线圈14产生相应的射频磁场，扫描射频磁场范围将射频磁场从小往大扫描(也可从大往小扫描)通过频率计22记录下荧光最强时的射频频率f_1；

(3)打开AFP信号发生器16，产生量子绝热通道，将原子核极化方向进行翻转。

(4)关闭AFP线圈控制器，重复步骤(2)，记录下荧光最强的射频频率f_2；

(5)再次重复步骤(3)打开量子绝热通道，将原子核极化方向的复原。同时重复步骤(2)记录下荧光最强时射频频率f_0；

最后将上述频率值带入如下公式：

f₂-f₁＝2Δv

即完成原子核极化率的测量。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。在此指明，以上叙述有助于本领域技术人员理解本发明创造，但并非限制本发明创造的保护范围。任何没有脱离本发明创造实质内容的对以上叙述的等同替换、修饰改进和/或删繁从简而进行的实施，均落入本发明创造的保护范围。