探测地下空间的新武器：基于量子传感的超冷原子重力梯度仪_重力梯度仪

探测地下空间的新武器：基于量子传感的超冷原子重力梯度仪

2022/6/21 11:10:14 12570: 来源：中国科学院地球科学研究院

摘要：英国伯明翰大学的Stray等人研制了一种基于量子传感的超冷原子重力梯度仪，他们使用原子干涉技术，根据重力场如何影响自由下落的原子云来测量局部的重力加速度。

　　【仪表网仪表研发】浩瀚的天空是无数人想要探索的领域，在天文观测中，通过收集电磁信号和重力信号(Abbott et al., 2016)，我们可以了解宇宙中的物质组成和星体结构，当前的探测距离已经达到了10亿公里量级。

与天空相比，人们对地下的探索则比较有限，目前人类最深的地下活动是俄罗斯在库页岛深度万米的油井。在许多时候，我们对脚下的地球内部，即使是地表以下几米的地方，都缺乏足够详细的认知。虽然目前有着重磁电震等多种地球物理探测技术，但在大多数时候，钻探仍然是了解地下微小特征的最佳方式。近年来，量子传感器作为传统地球物理传感器的一种可行的替代方案，以其突出的探测能力，正在获得越来越多的关注。

　　英国伯明翰大学的Stray等人研制了一种基于量子传感的超冷原子重力梯度仪，他们使用原子干涉技术，根据重力场如何影响自由下落的原子云来测量局部的重力加速度。在常规装置中，光脉冲用于产生、分离和重组物质波(每个粒子在物理学中都可以被描述为物质波)，从而使它们相互作用，这样在重力仪中检测到的干涉图与局部重力场有关。基于这一原理的测量可以达到惊人的精度，但这类测量会受到噪声的严重影响。而原子重力梯度仪通过测量重力场中的梯度而不是绝对值，在一定程度上克服了这一缺陷。

　　自从30多年前，Kasevich 和Chu(1991)首次提出重力梯度仪的概念，这种仪器的性能随着技术的发展不断提升。当前此类研究的重点是如何让仪器便携并足够可靠，适用于野外测量(Bong et al., 2019; Wu et al., 2019)。Stray等人研发的量子传感原子重力梯度仪是这一研究领域的重大突破。他们设计了一种沙漏结构，对垂直间隔一米的两个超冷铷原子云进行了差分测量。这种配置提供了坚固紧凑的光学元件，可以在几个月内保证测量精度。

　　该仪器仅通过测量地下空洞引起的微小重力变化，就能够无损地探测到空洞的分布位置。对于10分钟以上的测量，该仪器的灵敏度可达到20E(1E为10-9 / s2)。这种传感器使原子梯度计朝着实际应用的方向迈出了一大步。原子重力仪和梯度仪具有天然的长期稳定性，在倾斜和地面振动等环境效应下仍然能够保证测量灵敏度，而且不需要机械部件，因此相比于传统的重力仪，它们具有明显的优势。Stray等人的结果表明，这类仪器将有望很快实现小型化和便携化，更容易在野外测量中得到应用。

　　Stray等人的定量测量表明，使用他们的仪器进行测量的不确定度优于目前的商用重力仪。更重要的是，他们指出这种仪器在15分钟内就可以收集到10个数据点。从这个角度来看，该团队的研究成果有望极大地改变应用重力测量学的研究现状。

　　图1 重力梯度仪(Stray et al., 2022)。(a)沙漏型重力梯度仪，它使用两个反向定向单光束 MOT，通过多个镜面组件(蓝色)实现梯度测量。初始原子云(绿色)受局部重力加速度g作用下落，在受到相隔时间 T 的光脉冲作用后发生原子干涉(紫色)，这里的光束传输用箭头表示。冷却光束(红色)被真空镜(蓝色)偏转以提供全方位冷却，每个输入光束的一部分通过反射镜面组件偏转之后为对面的 MOT 提供冷却光束。原子干涉仪光束(黄色箭头)具有较小的光束能量聚焦半径，因此它们可以通过镜面组件的孔径并且不会有明显的能量削弱。这里的每个干涉仪能够同时操作，垂直基线间隔为1 m；(b)来自每个捕获区域的原子云温度随时间变化曲线(上图)以及1 m原子云分离基线随时间的相对变化曲线(下图)(通过50次测量获得的平均值，每次测量4秒，阴影区域为不确定性范围)；(c)测试质量块在两个位置之间移动引起的重力梯度变化——靠近传感器(空心三角点)或远离传感器(实心三角点)。每个测量数字代表一个特定的测试位置质量。每个数据点由八个重力梯度的平均值加权得到测量值，每次测量都包含来自原子干涉仪的25次观测，干涉仪每次测量耗时1.5 s。每个数据点的误差范围是八个重力梯度读数的标准误差。测试质量块大约每20分钟移动一次，误差为±3.5分钟，其位置可重复性为1厘米，变化的模型所预测的重力梯度信号ΔGzz以红色显示

　　图2 重力梯度测量结果(Stray et al., 2022)。(a)重力梯度数据的标准误差分布(黑色散点图)和包括模型不确定性时的总测量不确定性(蓝色散点图)、1倍标准差(深蓝色阴影)和2倍标准差(浅蓝色阴影)的可信范围和测点准确值(虚线)；(b)场地比例示意图，坐标原点(红色圆点)在垂直方向上的位置由测量线上的最低点决定，在水平方向上的位置由隧道中心预期位置决定；(c)重力梯度仪数据推断的隧道位置(蓝色等高线)和准确的隧道位置(虚线)；(d)通过重力梯度数据和先验信息得到的土壤密度分布