Interféromètre atomique quantique pour détection de mouvement de précision

Le présent spécifie de l’art de la détection de mouvement intégré est basé sur des dispositifs de systèmes micro-électromécaniques (MEMS). Ces miracles de microfabrication utilisent de petites structures de silicium, configurées pour accélérer l’accélération ainsi qu’une vitesse de rotation dans trois dimensions. Accumuler ces accélérations ainsi que les rotations, ainsi que votre gadget pouvant découvrir son positionnement ainsi que le mouvement de la piste sans aucun type de points de cheminement extérieur. C’est la base de la méthode de dépendance morte.

Pourquoi nous soucions-nous de décréter mort quand même? Sûrement GPS ainsi que les systèmes de positionnement associés sont suffisamment bons? Le GPS au-dessus du sol est généralement assez grand, cependant sous-marin ainsi que sous terre que cela ne fonctionnera tout simplement pas. Même se diriger à l’intérieur de votre maison a un impact remarquable sur la force du signal GPS, alors oui, nous exigeons une méthode de plus pour certaines applications.

À l’heure actuelle, le présent spécifie de l’art dans des capteurs portables sont des périphériques MEMS, tout comme vous pouvez les obtenir pour les frais d’un hamburger. Toutefois, si vous voulez une précision ultime, vous voudrez un interféromètre atomique quantique. Ce que c’est, ainsi que sur la manière dont il sera possible de faire un peu suffisant à être utile, est la moitié de l’histoire. Toutefois, parlez-en d’abord des MEMS.

Fusion des capteurs

Compte tenu d’un paramètre préliminaire ainsi que des accélérations accumulées en 3D, il est possible de suivre la position, pendant au moins au moins. Selon ce rapport de l’Université de Cambridge de Cambridge sur les systèmes de navigation inertielle, avec un système de suivi intériorique à base de MEMS, une erreur de position peut dépasser 150 mètres en moins d’une minute, car les erreurs ne sont pas typiques, elles s’accumulent.

Des améliorations peuvent être effectuées en fusionnant des données d’autres capteurs dans le modèle de navigation. Tout dépend de l’endroit où vous êtes; Ici, sur Terre, de telles entrées de données supplémentaires peuvent être prélevées à partir d’un magnétomètre, ainsi que de même qu’un altimètre. Il a été démontré que l’ajout des données de magnétomètre seul peut réduire cette erreur de 150 mètres à seulement 5 mètres. L’étude de recherche est de quelques années, mais nous nous attendons à ce que ce soit à peu près bien, car le développement de MEMS Innovation n’a pas amélioré beaucoup de choses.

Vous voulez voir exactement à quel point la navigation inertielle est grande ou pauvre dans la vie véritable? Le Bosch BNO055 est un excellent gadget pour faire tout ce type de combinaison multi-capteurs stimulante, pour lequel Adafruit s’est serviement apparu sur un module. Vous pouvez simplement vouloir nettoyer sur les quaternions avant de faire, esprit.

Toutes ces mesures afficheront une erreur qui aura une distribution statistique spécifique. Une méthode pour réduire cette erreur consiste à utiliser le filtrage de Kalman, qui est fortement utilisé par des systèmes de navigation inertielle. Un filtre Kalman permet une parfaite meilleure compréhension des inconnues dans un modèle, tout en s’adaptant essentiellement au fil du temps, afin de permettre plus d’influence des points de mesure avec la moindre incertitude. Le résultat est idéalement une réparation de position bien meilleure, ainsi qu’un concept dont votre méthode vous pointe actuellement. Mais, vous ne pouvez toujours pas vous échapper pendant longtemps, l’erreur est toujours là, ainsi qu’elle accumulera toujours à condition suffisamment de temps. L’étude de recherche actuelle semble suggérer un chiffre d’erreur d’environ 5% de la distance globale parcourue, des meilleurs cas. La navigation inertielle sous-mètre est à plus long terme, ainsi que nous n’en tenons pas encore.

Capteurs MEMS: Sources d’erreur

Un gyro Mems utilise une masse de résonance à l’intérieur d’un cadre isolé
Le gyroscope MEMS est un dispositif dynamique, en ce qu’il consiste en une petite structure vibrante qui détecte le débit de rotation angulaire en exploitant l’effet Coriolis. Un décalage mécanique est induit orthogonal dans la direction de vibration, qui est détecté comme une faible modification de la capacité.

Les capteurs gyro affichent généralement deux types d’erreur principaux; Un biais de tarif ainsi qu’une erreur de marche aléatoire angle, ce dernier est dû au bruit blanc thermo-mécanique ainsi que le bruit de scintillement dans l’électronique de la chaîne de signal. L’erreur de marche aléatoire se développe avec le temps, ce qui contribue principalement à l’erreur de positionnement absolue générale. Le biais de taux peut néanmoins être déterminé de longue date et largement annulé. Il existe d’autres autres impacts d’étalonnage qui ont une incidence sur la stabilité, ainsi que des termes d’erreur contribuent également plus difficiles à compenser.

Un accéléromètre MEMS est beaucoup plus simple
L’accéléromètre MEMS a une structure plus statique et est essentiellement un aspect pivotant qui dévie d’un axe à cause de l’accélération. Ce décalage mécanique est également choisi comme une petite modification de la capacité. Encore une fois, nous avons exactement les mêmes deux sources d’erreur primaires; Erreur de biais d’accélération ainsi que l’erreur de marche aléatoire de vitesse. L’erreur de biais est maintenant plus compliquée, car dans ce monde, nous avons la gravité, ainsi que pour annuler l’erreur de biais, nous avons besoin de comprendre le positionnement du capteur. heureusement avec une combinaison multi-capteursSystème, le positionnement peut être déterminé ainsi que ce biais peut être compensé. L’erreur de marche aléatoire de la vitesse est à nouveau à la fois à cause des impacts thermo-mécaniques, ainsi que d’accumulations de temps. De plus, comme le gyroscope, il existe des éléments d’erreur supplémentaires qui ajoutent au problème.

D’autres capteurs utilisés pour les systèmes de navigation inertielle disposeront toutes de leurs propres sources d’erreur, ainsi que d’ajouter à la complexité du problème. Il existe des gyroscopes optiques disponibles, par exemple le gyroscope laser au son et des dispositifs plus ésotériques, mais ceux-ci ne sont pas nécessairement simples à faire vraiment petit. Par exemple, le gyroscope laser sonore est moins précis, plus vous le faites en raison de la limite de la longueur maximale du chemin du faisceau. C’est pourquoi une étude de recherche actuelle prend une approche extrêmement différente de ce type de détection; à savoir l’interféromètre à l’atome.

Interférométrie atome

De retour en 1924 Physicien français Louis de Sbroglie a suggéré que la matière se comporte comme une vague, avec une longueur d’onde égale au planck constant divisée par son élan. Cela signifiait que, tout comme la lumière, les ondes de matière peuvent être diffractées et créer des schémas d’interférence. Dans cette situation, des ondes de matière sont manipulées avec des lasers, ce qui nous conduit dans la partie amusante. Gardez à l’esprit cependant, cela contrairement à la lumière, les atomes sont énormes, ainsi que de telles, la gravité a une influence, comme nous le verrons.

Six faisceaux laser orthogonaux intersectant ainsi qu’une paire de bobines anti-Helmholtz Type un piège magnéto-optique
La plupart des expériences d’interféromètres Atom semblent fonctionner de la même manière, en ce sens qu’elles dépendent tous d’un récipient de pression à vide élevé, ainsi que d’utiliser un piège magnéto-optique à impressionnant, ainsi que de laser dans un flux d’atomes de rubidium créés à partir de certaines sources. Ce gadget utilise six faisceaux laser polarisés circulairement intersectionnels, destinés au centre de l’appareil, avec une paire de bobines anti-Helmholtz au sommet et en bas.

Une bobine de Helmholtz est configurée pour produire un champ magnétique uniforme utilisant une seule paire de bobines, avec le courant actuel dans la même direction. La bobine anti-Helmholtz (la bobine de gradient Aka Maxwell) renvoie une des bobines sur l’une des bobines pour créer un gradient de champ magnétique, avec un champ zéro au centre. précisément ce que nous essayons de piéger ces atomes de bits pesky.

Les photons des lasers de confinement fournissent aux atomes un bit commencent l’élan, ainsi que de l’effet Zeeman, le champ magnétique spécialement en forme garantit que les atomes sont plus susceptibles d’être repoussés vers la null optique au centre du piège. Sur les atomes typiques du centre piège, la masse est suffisante pour atteindre des températures de quelques micro-kelvin. Qui est jolly chilly.

Le prochain bit est l’endroit où les choses sont un peu bizarres. Le piège est éteint, ainsi que instantanément, chacun des atomes de gréfie de manière appropriée est touché avec une impulsion de laser spécialement préparée, développée par une paire de lasers opposés, des décalages de Raman ou de Bragg sont effectués, en fonction des propriétés des impulsions laser. Les atomes sont nécessaires dans une superposition quantique d’être à la fois touchées et non touchées par le pouls. Cela déclenche les atomes à la modification de la modification ainsi que l’état. (Et non, simultanément, il s’agit de la superposition des États, non?) Le nuage d’atome diverge aussi bien que le mouvement de la cellule, interfère avec lui-même, car il se dégage du centre piège.

Lorsqu’un laser à faible puissance éclaire le nuage d’atomes, la superposition s’effondre ainsi que le motif d’interférence est observé sur un CCD de placement approprié. En décodant ce modèle, il est possible d’inférer une vitesse angulaire en plus de l’accélération, avec une précision incroyable qui ouvrira de nouvelles applications à la fois sur Terre et au-delà. La NASA s’intéresse à une. Pour plus de détails sur l’interférométrie d’Atom, la caisse de cette introduction de Berkeley Physics.

Praticité

Tout cela est d’un peu utilisé en tant que gadget de navigation si vous ne pouvez pas le sortir du laboratoire et la rétrécissez de la taille, faites-la digne de confiance, ainsi que de le rendre bon marché. Semble facile, non? Examinons les exigences d’un gyroscope atomique: vous avez besoin d’un récipient sous pression avec des fenêtres optiquement pures, généralement saphir, pouvant conserver une pression inférieure à 10-7 toror avec une contamination extrêmement faible. Vous avez également besoin des lasers eux-mêmes, avec des filtres associés et de gérer l’électronique. Toutes ces choses peuvent être miniaturisées, même jusqu’à la taille de la puce, cependant préservant que le vide est un défi considérable. La méthode habituelle pour descendre à une telle pression sous vide est avec une pompe turbomoléculaire, en combinaison par une pompe à ion. Rendre ces plus petits se sont révélés problématiques.

Un paquet de vide pompé passif

Maintenant, il est possible d’éliminer l’exigence de ce complexe ainsi que d’un système d’aspirateur volumineux. Une équipe de laboratoires nationaux Sandia ainsi que de l’Université d’Oklahoma, ont mis en place une méthode permettant de réaliser le vide ultra-élevé (UHV) nécessaire aux applications gyroscopes atomiques de guidage inertielle, sans que l’exigence pour les pompes turbo, les pompes d’ions ou toutYPE de pompes du tout. OK, ce dernier bit n’est pas strictement vrai, car ils avaient besoin d’obtenir le vide au niveau préféré, ainsi que les méthodes de base étaient nécessaires pour cela, cependant, lorsque les conditions préliminaires ont été atteintes, le récipient sous pression pourrait être scellé de manière permanente, ainsi que les pompes enlevées.

Getter typique de zirconium fritter via SaesGetters.com
Le système dépend de la chimiothérapie utilisant des getters poreux frittés, qui sont un type de getter non évaporable (NEG). Ces gadgets passives simples sont développés à partir d’une structure poreuse frittée de poudre de zirconium ainsi que d’autres matériaux, enveloppés autour d’un élément chauffant électrique. Lorsqu’ils sont produits, ils sont soumis à l’air, développant une finition passivant ainsi que les protéger de la contamination. Lorsqu’il est installé dans une chambre à vide, le getter est déclenché en le chauffant pendant le processus de pompage. Cela diffuse la couche de passivation dans la majeure partie de la structure et fournit une surface déclenchée préparée pour adsorber tout type de contaminants pendant la pompe et la plus tard lorsque la chambre est scellée. Les getters sont tout à fait typiques dans de nombreux appareils de cuve à la maison, des ampoules à incandescence, des vannes radio, mais les getters utilisées ici sont un peu plus spécialisés que ceux de l’ancien et capable de saisir plus d’atomes sur une période plus longue que ainsi que les garder contenus.

Tout le point ici est que, pour avoir un petit groupe pur d’atomes de rubidium super géniaux à fourrer avec les lasers, vous avez une très première obligation de ne pas avoir de type d’autres atomes de frapper, en gênant. Ces getters sont super importants pour attraper des atomes de voyous et préserver cette pureté.

L’outgassing est un problème avec des appareils à vide ultra-élevés. Gasses contaminants présents dans la structure du boîtier diffusent dans le récipient sous pression, contaminant le vide. Un problème supplémentaire associé est celui de la perméation de l’extérieur du navire. Les gadgets NEG travaillent sur des principes chimiques, de sorte que tout type d’hélium qui se lie à diffuser dans le vide de l’extérieur de l’enceinte ne réagira pas avec le getter, ainsi que de contaminer le vide. Ces deux questions ont été minimisées par choix prudent de matériaux. Le cadre a été constitué de titane pur, qui avait une faible teneur en hydrogène, avec les fenêtres en saphir, ce qui n’a évidemment aucune perméabilité à l’hélium mesurable. Ces deux matériaux ont soigneusement adapté les coefficients de croissance thermique, ce qui permet de préserver le joint d’étanchéité sous vide et de réduire les contraintes sur la structure lorsque la température est tombée.

L’équipe a découvert que lorsqu’il est pompé et scellé, le vaisseau «pompé passivement» pourrait préserver la pression de vide Torr 10e-9 nécessaire pendant plus de 200 jours, ainsi que si tous les autres éléments pourraient être efficacement miniaturisés, il y a Maintenant, un chemin d’accès à la création du tout premier aussi bien que par conséquent portable, ainsi que d’un interféromètre ATOM capable d’applications de guidage inertielles. Bien sûr, étant donné que l’application ici est essentiellement un accéléromètre, il peut être utilisé comme un gravimètre extrêmement sensible qui serait utile pour les arpentages au sol pour les industries telles que l’huile ainsi que l’exploration minière, ainsi que pour la recherche géologique.