基于^(7)Li冷原子操控的超高真空测量

国际单位制的重新定义促进真空计量体系向量子化转变,真空参数的量子化是国际真空测量学领域目前最具引领性、前瞻性和颠覆性的研究方向之一,量子真空测量是基于微观粒子体系的量子效应,利用光学手段和量子力学理论实现真空参数的精密测量.本文通过自主研制的冷原子真空测量装置操控^(7)Li原子,利用锂冷原子在磁光阱和磁阱中的逃逸损失特性开展了超高真空测量实验研究,结果表明,针对N_(2),Ar,He,H2四种真空常用气体分子,在3×10^(-8)-4×10^(-5)Pa真空范围,^(7)Li冷原子真空测量的不确定度最大为7.6%-6.0%(k=2),^(7)Li冷原子的真空反演结果与传统电离真空计的测量结果具有良好的一致性,其相对灵敏度因子的最大偏差小于8%,验证了冷原子量子真空测量的准确性和可靠性,研究成果对促进全新跨代真空测量技术发展,满足空间科学探测、超精密测量与高端装备制造等需求具有重要意义.

微伽级冷原子重力仪研究

在石油及矿产勘探和地质构造研究等领域,重力法是一种常用的重要方法,重力法的应用范围在很大程度上取决于重力测量设备—重力仪,高精度重力仪对重力法的应用和普及起着重要作用。因此提出研究有望用于物探领域的高精度小型化冷原子重力仪。首先,用改进的磁场线圈代替昂贵且笨重的坡莫合金来实现杂散磁场的屏蔽;其次,利用一个紧凑且小尺寸的被动隔振平台来实现地面振动的抑制。在探询时间为120 ms且重复率为2.2Hz的情况下,该冷原子重力仪的重力测量灵敏度达到1.0×10-7g/Hz1/2;1 000 s积分时间,重力测量分辨率为5.7×10-9g。为了验证冷原子重力仪设备的稳定性,不间断测量了128 h的潮汐信号。除此之外,发生在2013年9月28号巴基斯坦的一小时地震波信号被我们的高精度冷原子重力仪采集到,该信号与附近的传统地震仪测量到的地震波信号完全吻合。

基于冷原子干涉原理的机载绝对重力测量

重力场测量在地质勘查、灾害预报、测绘与导航等领域均具有重要的意义,其中,航空重力测量因全地域、快速、成本低等优势而被广泛应用[1-8]。目前,航空重力测量所采用的仪器均属于相对式重力仪[4,6-7],而冷原子航空绝对重力仪具有无漂移、高精度等优势[9-11],因此成为未来航空重力测量的重要发展方向,受到国际资源勘查与自主导航领域的高度关注。在国际上,目前只有法国实现了基于冷原子干涉的机载重力测量实验验证,国内尚未有相关实验研究报道[12-17]。

磁阱中冷原子真空测量的研究进展

冷原子真空测量是一种超高/极高真空度测量的新技术,理想磁阱中冷原子真空测量可溯源至原子基本性质,能够建立真空原级计量标准。通过不同磁阱磁场强度、磁捕获势能和磁捕获参数的对比分析,对各类磁阱的束缚性能进行总结。调研了国内外在磁阱中冷原子真空测量的研究,综述了实现冷原子原级真空标准的理论参数计算和设备研制实验。从优化和构建磁阱方面对磁阱中的冷原子真空测量进行展望。

不同指向模式下星载冷原子梯度仪对重力场解算精度的影响

冷原子干涉测量技术(CAI, Cold-Atom Interferometry)的发展为未来卫星重力梯度测量任务提供了新的测量思路.目前基于该任务概念的模拟研究均基于单一的观测指向模式对CAI梯度仪的对地观测能力进行论证.本文在GOCE卫星任务背景下,通过数值闭环模拟评估了CAI梯度仪在近地指向和惯性指向模式下对重力场观测影响.实验结果表明:在近地指向观测模式下,CAI梯度仪受卫星旋转角速度的影响,重力场解算的精度仅在50阶以内优于GOCE卫星的模拟结果.若当卫星搭载轨道旋转补偿系统时可以有效地减弱卫星旋转对CAI梯度仪的影响,进而提高重力场模型的解算精度.梯度张量主对角线三分量的联合解算精度在全频段内都要优于GOCE卫星相应分量的结果,精度可提高1.5~6倍.在惯性指向观测模式下且仅考虑卫星残余角速度的影响时,CAI梯度仪的解算结果在30阶以后比GOCE卫星所搭载的GRADIO梯度仪的精度低.而在综合考虑卫星残余角速度和卫星轨道面旋转后,解算得到的重力场在100阶以内优于GOCE卫星解算精度.进一步比较两种指向模式下分别基于单轴、双轴和三轴观测的结果可以发现,三轴观测时两种指向模式的解算精度相当,在所有阶次上都要优于GRADIO梯度仪的结果.但基于单轴进行观测时,近地指向模式下V_(zz)分量的精度更高,而对于双轴观测的情况,惯性指向下的组合(V_(xx)+V_(zz)和V_(yy)+V_(zz))解算精度更高.本研究通过对不同指向模式下CAI梯度仪对地观测影响的分析,可为基于CAI梯度仪的新型空间量子-地球重力场测量任务提供相应的参考.

基于Ramsey干涉的小型化冷原子微波钟研究进展

基于Ramsey干涉的冷原子钟已被证实具有很高的稳定度和准确度。经过近30年的发展,冷原子钟技术水平不断提高,运行可靠性不断提升,并逐步在便携式和可移动时频系统上得到应用,冷原子钟的小型化已成为该领域的研究热点。阐述了基于Ramsey干涉的冷原子微波钟的工作原理及运行过程,分析了冷原子钟小型化的关键技术,梳理了目前小型化冷原子钟的研究进展,表明了基于腔内冷原子制备的原位干涉技术是实现冷原子钟小型化的有效途径,由此发展的冷原子钟兼具高性能、高可靠、高集成化等优势。

基于变分法的冷原子快速分束设计

量子绝热捷径技术可以沿着非绝热路径加速量子绝热过程.受绝热捷径技术的启发,提出了基于冷原子干涉仪在双势阱中快速且稳定地分束冷原子的方法.首先,应用变分近似方法处理平均场近似下的Gross-Pitaevskii(GP)方程,以此推导出玻色-爱因斯坦凝聚的动力学方程;然后,使用反控制法设计外势阱的频率,在较短的时间内实现冷原子的快速分束.该方法避免了最终激发.

催化热解-冷原子吸收分光光度法测定硅酸盐中痕量汞

硅酸盐中痕量汞测定对确定岩石中汞含量以及理论地球化学、勘查地球化学、生态和环境地球化学研究具有重要意义.但汞在硅酸盐中分布是痕量级,对分析方法检出限指标要求很高,且硅酸盐中二氧化硅质量分数变化大、岩性分类多、干扰基体成分复杂和元素挥发损失等特性使得硅酸盐中痕量汞的准确测试面临挑战.直接进样测汞仪无需化学试剂消解(防止汞元素挥发损失),采用催化管(消除复杂基体干扰)和配置汞捕集装置(元素富集降低检出限)可提供符合绿色化学技术发展趋势的解决方案.本文通过试验探究,优化直接进样测汞仪的参数,其方法检出限(0.5×10^(-9))、测定下限(2.0×10^(-9))、准确度(Δlog C<0.05)、精密度(RSD<10%,n=12)等指标满足DZ/T 0130-2006中《多目标地球化学调查规范》要求,达到或优于硅酸盐化学分析方法GB/T 14506.33-2019(汞量测定:氢化物发生-原子荧光光谱法)的检出限(2×10^(-9))和定量下限(5×10^(-9)),可为硅酸盐样品中痕量汞的原子荧光测试和绿色化学技术更新提供参考.

应用慢速原子束制备冷原子粘团的研究

冷原子粘团的制备是喷泉钟研制的关键步骤之一。通过慢速原子束加载获得冷原子粘团,应用荧光收集法测量了冷原子粘团的原子数目,采用飞行时间法测量了冷原子粘团温度。冷原子粘团中原子数目在加载时间200 ms的情况下为(8.14±0.2)×107,温度为(10.72±0.69)μK。

紧凑型冷原子高分辨成像系统光学设计

对真空腔内的冷原子进行高分辨成像通常需要原子与像平面之间保持较大的距离,这不利于成像系统在光学元件密集的冷原子实验中实现.设计了一套显著降低原子与像平面距离的高分辨成像系统,实现了1μm的分辨率与50倍的放大率.仿真结果表明,通过改变透镜间距,可以适应0—15 mm厚度范围的真空窗口.该成像系统由数值孔径为0.47的显微物镜和有效焦距为1826 mm的远摄物镜组合而成.结合成像波长为470—1064 nm的仿真结果,该系统可以对钠、锂、铯等不同种类的原子进行高分辨成像.

热解催化-金汞齐化-冷原子吸收法测定锡精矿中汞

采用固体进样全自动测汞仪直接测定锡精矿中汞含量。将锡精矿样品直接在样品舟中称重,在氧气气氛中经历干燥和高温热分解,氧气流将汞带入催化管、齐化管并发生定向反应,最后在光学吸收池进行冷原子吸收光谱测定。在干燥温度200℃、干燥时间60 s、热解温度650℃、热解时间30 s条件下,对三个锡精矿样品进行测定,测定值的相对标准偏差为0.87%~2.40%(n=11),加标回收率为95.2%~104%,与国家标准原子荧光光谱法比对,测定结果一致。共存元素干扰实验结果证明,锡虽然熔点低且能与汞发生锡汞齐反应,但在实验条件下对汞的测定没有影响。该方法适用于锡精矿中汞的快速测定。

冷原子分光光度法测定固定污染源废气中汞的方法研究

本研究旨在探讨冷原子分光光度法在测定固定污染源废气中汞的应用,提供了一种新的、操作简单、成本低廉的方法。通过实验研究,详细描述了该方法的操作步骤、所需仪器设备以及质量控制措施,并展示了示例标准曲线和汞浓度数据表格。冷原子分光光度法作为环境保护的关键工具,可准确测定固定污染源废气中的汞含量,有助于维护环境质量和人类健康。此方法为污染源治理提供科学支持,支持制定和执行废气汞排放的监管政策和措施。通过准确测定废气中汞的浓度,冷原子分光光度法为科学研究提供了有关废气中有害物质的重要数据,有助于深入研究汞的排放与传播机制。此研究的成功应用为环境保护和科学研究领域提供了高效、可靠的汞分析方法,有望在未来的环境监测和废气治理中发挥重要作用。

实现74cm铯冷原子喷泉的实验和讨论

中国计量科学研究院NIM4 #激光冷却 铯原子喷泉钟实现了原子云 74cm喷泉 ,得到S N约 2 0 0的荧光飞行时间信号。文中介绍了对NIM4 #钟与上抛 回落 信号探测相关的改进 ,列举了喷泉参数 。

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.

热分解-汞齐化富集-冷原子吸收分光光度法测定工业废盐中的汞含量

本研究尝试建立利用热分解-汞齐化富集-冷原子吸收分光光度法测定工业废盐中汞含量的方法。本研究方法在进样量为0.1g,样品干燥温度为150℃,干燥时间为20s,热分解温度为750℃,分解时间为180s,汞齐化时间为12s,读数时间为30s的条件下用直接测汞仪检测工业废盐中的汞含量。实验结果显示,方法测定范围为0.001μg/g~5μg/g,相关系数R2优于0.9999,汞含量的检出限为0.0002μg/g,相对标准偏差(RSD)在6.34%~7.55%范围内,工业废盐样品加标回收率在89.8%~121.4%范围内。该方法操作简便、耗时较短、无基体干扰、重现性好、准确度高,适用于生态环境损害鉴定评估、固体废物鉴别等工作中工业废盐的汞含量测定。

新一代惯性导航技术:冷原子陀螺仪

本文介绍了冷原子陀螺仪的实验研究进展,通过直接数字频率综合电路精确控制冷原子的运动轨迹,形成双向对抛的冷原子束,利用拉曼激光脉冲相干操作双向对抛的冷原子,实现了双环路冷原子干涉条纹,该构型将消除拉曼激光相位等不确定因素引起的共模噪声,同时消除重力加速度等初始相位对绝对转动速率测量的影响,以提高冷原子陀螺仪的灵敏度和测量精度,冷原子陀螺仪将在新一代惯性导航技术中开辟全新的技术途径。

冷原子束或超冷原子束的产生及其应用

综述了冷原子束或超冷原子束产生的基本原理、方法和实验结果及其最新进展。重点介绍了建立在激光冷却(多普勒、亚多普勒和亚反冲冷却机制)和磁光阱技术基础上的冷原子束或超冷原子束产生方案,并简单介绍了冷原子束或超冷原子束在基础物理问题研究和原子光学等领域中的应用。

新一代冷原子卫星重力计划的仿真研究

新一代冷原子卫星重力计划的仿真验证研究是对计划实施的重要保障,然而目前流行的基于实测轨道或者简约动力学轨道的卫星重力计划仿真方法,使用实测轨道无法实现多样化轨道方案仿真,而使用简约动力学轨道则存在仿真不充分的问题。本文提出了一种基于轨道摄动模型的卫星重力计划全尺度仿真方法并进行了实验。仿真结果表明:在最低点指向模式下使用竖向单臂冷原子梯度仪解算的重力场模型的精度仅在120阶内优于静电梯度仪方案;将其灵敏度提升至更高的理想值后,其解算模型的精度在全阶次超越静电梯度仪;最后,本文认为尽管存在观测频率不足的问题,冷原子卫星重力计划相比静电重力计划依然有更优秀的重力场信号探测精度。

吹扫捕集-气相色谱-冷原子荧光光谱法测定固废浸出液中烷基汞

建立了吹扫捕集/气相色谱-原子荧光光谱仪测定固体废物浸出液中烷基汞的分析方法。固废样品经硫酸硝酸-翻转振荡法浸提,二氯甲烷/水萃取与反萃取,四丙基硼化钠衍生后,进入全自动烷基汞分析仪测定甲基汞和乙基汞。结果表明:甲基汞和乙基汞的检出限均为0.9 ng/L。空白样品的精密度分析,甲基汞和乙基汞的相对标准偏差分别为5.2%~8.4%,2.9%~6.2%。取固废实际样品准确度分析,甲基汞和乙基汞的加标回收率分别为84.0%~90.0%,81.0%~85.1%。该方法操作简单、检出限低、准确度高,适合大批量固体废物浸出液中烷基汞的测定。