基本介紹
- 中文名：超流體陀螺
- 屬性：感測器
- 原理：超流體物理原理
- 意義：以經典力學為基礎
概念,技術優勢,原理和研究現狀,發展方向,
概念
超流體陀螺是基於超流體的物理原理敏感載體相對慣性空間角運動的感測器。根據超流體物理原理的不同，超流體陀螺分為超流體量子化渦旋陀螺儀、超流體相位滑移陀螺儀、超流體物質波干涉式陀螺儀等3種類型。超流體物質波干涉式陀螺儀具有獨特的技術優勢，是超流體陀螺的主要研究方向，本文以下提到的超流體陀螺均代表超流體物質波干涉式陀螺儀。
技術優勢
傳統意義上的陀螺儀是以經典力學為基礎的機電式陀螺儀，它利用由轉子自轉產生的動量矩敏感殼體相對慣性空間繞正交於自轉軸的角運動，具有穩定性和進動性的特點。1913年法國物理學家薩格納克分析了波的干涉原理，提出了薩格納克效應。基於薩格納克效應，干涉式陀螺儀利用波的干涉原理敏感殼體相對慣性空間繞正交於自轉軸的角運動。由於機電式陀螺儀的誤差主要來源於轉子與其支承機構之間的干擾力矩，而干涉式陀螺儀不再依賴於高速旋轉的轉子，因此干涉式陀螺儀避免了由轉子部分帶來的誤差，有效提高了陀螺儀的精度。基於光波干涉的雷射陀螺和光纖陀螺已普遍套用於較高精度的慣性導航系統中。
隨著低溫物理學推進的發展，學者們不斷認識到一些新的低溫物理效應，這些物理效應有效連線了物體的微觀世界和巨觀運動，量子特殊效應與巨觀轉動之間關聯特性的研究為發展高精度感測器提供了全新的物理基礎，其中凝聚態物質波干涉理論是一個重要研究方向。 由於物質波的波長遠小於光波的波長，並且物質波的運動速度又遠慢於光速，因此物質波經過相同路程時經歷更長的時間，從而產生更大的相位差。1988年，Clauser在全面分析和比較了光學干涉儀和原子干涉儀的理論和套用問題後指出，在同等感應面積下，物質波干涉對旋轉的靈敏度比光波干涉高出約10個數量級，所以利用物質波干涉的薩格納克效應可以開發新型高精度陀螺儀。
學者們利用兩種類型的物質波干涉實現了對旋轉的檢測，一類是粒子物質波，如原子物質波、中子物質波和電子物質波等；另一類是由超流體氦在弱連線處發生約瑟夫森效應而產生的超流體物質波。
在粒子物質波干涉中，研究最為廣泛的是原子物質波干涉，原子物質波干涉式陀螺儀已成功套用於衛星姿態控制系統和深空探測等領域。但是由於引力的影響，原子飛行時間有限，飛行面積所形成的有效感應面積較小，因此原子物質波干涉式陀螺儀的靈敏度難以進一步提高。另外，原子物質波干涉式陀螺儀在雷射冷卻技術、對捕獲原子的方向和移動的精確控制等方面還面臨巨大技術挑戰。與原子物質波干涉式陀螺儀比較，超流體4He物質波干涉式陀螺儀具有物質波產生簡單，工作溫度易實現，感應面積可增大等突出特點和技術優勢。
原理和研究現狀
受到超導體的約瑟夫森效應的啟發，從1997年到2005年間，美國California大學Berkley分校的Packard、Pereversev 和Hoskinson等學者在對超流體的相位滑移效應研究的過程中，逐漸發現當微孔的孔徑小於連線長度時，微孔對超流體來說是弱連線，此時超流體在弱連線處不再發生相位滑移效果，而是發生約瑟夫森效應，並由此產生了超流體物質波。
2006年，美國California大學Berkley分校的Hoskinson等學者研製了超流體4He物質波干涉式陀螺儀的裝置，其結構和實物分別如圖1所示。圖1中，白色部分充滿超流體4He，薄膜和弱連線組成了內腔，其餘部分為外腔。採用在電極與薄膜之間套用靜電力以及熱阻加熱的方式，產生內外腔之間的化學勢能差。超流體4He在弱連線處發生約瑟夫森效應，產生了兩路超流體4He的物質波。通過監測DC SQUID(直流超導量子干涉儀)輸入線圈中電流的變化，可以精確檢測到由旋轉引起的物質波干涉情況，由此可以精確解算出角速度。在1Hz的頻寬下，該陀螺採用10平方厘米的感應面積，可以敏感到負7次方rad/s的角速度。
超流體物質波干涉式陀螺儀的研製成功引起了學術界廣泛關注。從2006年至2013年，從事該研究方向的機構和學者有：美國California大學Berkley分校的Packard、Hoskinson等學者；美國Harvard大學的Sato、Narayana 等學者(他們研製的基於費斯科效應和基於超流體管路多圈環繞技術的超流體陀螺實物圖如圖2和圖3所示)；俄羅斯科學研究院的Golovashkin等學者；以及國內南京航空航天大學導航研究中心的劉建業、趙偉、謝征、鄭睿，等學者(他們研究的基於歷程分析法的超流體陀螺儀器系統示意圖和超流體陀螺半物理仿真平台人機互動界面如圖4和圖5所示)。
超流體陀螺總體來說，這段時間內超流體陀螺的研究主要集中在4個方面：(1)約瑟夫森效應原理的探索；(2)超流體陀螺量程的擴展方法研究；(3)超流體陀螺高測量精度的實現；(4)超流體陀螺的方案和儀器系統的研究；(5)超流體陀螺的輸出噪聲研究。
發展方向
1、超流體陀螺輸出噪聲的深入研究。干涉式陀螺儀的測量精度與其輸出噪聲有密切相關的聯繫。學術界已經開展了一些超流體陀螺輸出噪聲的研究，但還不夠全面和完善。需要在該方向上進一步深入研究。
2、利用超流體物理特性提高測量精度。利用超流體的費思科效應，可以把超流體的精度提高1個數量級。受到該原理的啟發，後續研究中可以繼續關注超流體的物理特性的最新研究成果，並考慮利用這些物理特性進一步提高超流體陀螺的精度。
3、開展超流體陀螺的試驗研究。國外的研究機構已經初步具備了超流體陀螺的試驗裝置，國內的研究機構還不具備。為推動超流體陀螺的工程設計和套用的步伐，縮小與國外先進技術的差距，國內研究者需要逐步搭建超流體陀螺的軟硬體試驗平台，在試驗中繼續最佳化和調整超流體陀螺的方案。
