一、中心基本情况
2018年国际计量大会宣布七个基本物理量的计量基准全面施行量子化,这标志着精密测量技术已经跨越机电式、光电式两代的发展,正式进入量子时代。量子精密测量装置与仪器代表着精度最高的一类测量手段,对基础科学研究、国防建设、计量测试等领域具有重要意义,未来必将对世界科技发展走势和格局产生深远影响。
量子科学装置与仪器技术创新中心是大科学装置研究院下属的五个技术创新中心之一,中心面向世界科技前沿和国家重大战略需求,以国家重大科技基础设施和国家重大科研项目中的相关科学装置与仪器研制为主要任务,重点开展超高灵敏极弱磁场测量装置、超高灵敏惯性测量装置、高精度原子自旋陀螺装置、超高灵敏计量原子磁强计等3类7种科学装置与仪器,以及窄线宽高性能激光器、抗弛豫碱金属气室、高性能低噪声磁屏蔽等共性关键技术研究。所研制的量子科学装置与仪器指标均达到国际领先或先进水平,未来将继续挑战极弱磁场和惯性测量灵敏度纪录,助力前沿基础物理学命题的研究,支撑弱磁计量测试、高精度惯性导航领域的发展,培养量子精密测量领域高端人才。
二、组织架构与人员情况
量子科学装置与仪器技术创新中心下设6个专业技术研究所,分别为超高灵敏极弱磁场测量技术研究所、超高灵敏惯性测量技术研究所、原子自旋陀螺装置研究所、高性能抗弛豫碱金属气室研究所、高性能窄线宽激光器研究所、高性能磁屏蔽舱研究所。中心现有北航教师及博后18人,博士生71人,硕士生37人,大设施专职人员83人,人员搭配合理。
三、研究方向与进展
(1)超高灵敏极弱磁场测量技术研究所
本研究所挑战极弱磁场测量灵敏度纪录,面向电偶极矩测量等前沿基础物理学命题,研制基于SERF效应的超高灵敏极弱磁场测量装置,面向极弱磁计量测试、深空磁探测等国家重大需求,研制超高灵敏极弱磁场计量测试装置、原子磁强计研究装置及小型化计量原子磁强计,重点研究高性能超低噪声磁屏蔽、原子自旋系综弛豫抑制、高精度原子自旋精密极化与进动信号检测等关键技术。团队2008年起在国内率先开展相关研究,2013年起在国家自然科学基金委重大科研仪器专项支持下,成功研制出超高灵敏极弱测量装置,测量灵敏度优于国外公开报道最好指标,未来依托国家重大科技基础设施,计划将灵敏度进一步提高,实现持续引领。
超高灵敏极弱磁场测量装置及下一代装置示意图
(2)超高灵敏惯性测量技术研究所
本研究所挑战惯性角速度测量灵敏度纪录,面向CPT、暗物质、第五力等前沿基础物理学命题,研制基于无自旋交换弛豫效应的超高灵敏惯性测量装置,重点研究自旋系综高效极化与超极化、核自旋自补偿、微弱低频振动高效抑制等关键技术。团队2008年起在国内率先开展了基于SERF效应的惯性测量研究,2013年起在国家自然科学基金委重大科研仪器专项支持下,成功研制出基于原子自旋SERF效应的超高灵敏惯性测量装置,惯性测量灵敏度优于此前国际公开报道的最好指标;同时团队开展了暗物质和第五力测量研究取得突破性进展,引起广泛关注。未来依托国家重大科技基础设施,开展下一代惯性测量和惯性计量装置攻关,保持测量指标国际持续引领,为战略级惯性导航、基础物理学探索、高精度惯性计量等研究提供有效实验平台,引领量子精密惯性测量领域发展方向。
超高灵敏惯性测量装置及下一代装置示意图
(3)原子自旋陀螺装置研究所
惯性导航技术是唯一不受干扰、全自主、高精度定位导航技术,是国防科技领域不可或缺的关键技术。陀螺仪是惯性导航系统的核心部件。本研究所面向我国对新一代高精度惯性导航系统的急需,开展原子自旋陀螺关键技术研究,研制原子自旋陀螺实验装置,下设总体设计、电控系统、核心器部件、集成测试等四个研究室。团队于2015年开始原子自旋陀螺实验装置研究,至今零偏稳定性已超过国外公开报道的最优水平。本装置将支撑高精度原子自旋陀螺原理样机研制,为运动载体的姿态控制、长时间高精度自主导航提供有力支撑,最终服务于国家重大需求。
原子自旋陀螺实验装置示意图
(4)高性能抗弛豫碱金属气室研究所
原子气室是基于原子自旋SERF效应科学装置与仪器的敏感核心表头,原子气室性能从本质上决定了装置与仪器所能达到的灵敏度极限。本研究所根据新型高性能气室可控制备的需求,重点从原子源制备充制与检测技术、气室材料与成型技术、气室镀膜材料与镀膜技术三个方面开展研究,努力打造成国内水平最高,国际领先的高性能原子气室研发平台,满足超高灵敏极弱磁场/惯性测量装置以及高精度原子自旋陀螺仪、原子磁强计的应用需求。
自主研制的碱金属气室
(5)高性能窄线宽激光器研究所
目前商用窄线宽激光器无法满足超高灵敏极弱磁场测量装置、超高灵敏惯性测量装置等3类7种科学装置与仪器的指标要求,为了解决这一难题,本研究所自主研制半导体激光器、钛宝石激光器和光纤激光器,其中半导体激光器已初步具备产线化装调能力,并突破了激光放大技术;钛宝石激光器实现大功率激光输出,并已开展样机研制;光纤激光器已完成整体技术方案设计,后续逐步开展样机研制工作。此外,本研究所具备自主研制激光器电流源、电压源、温控系统、稳频系统以及稳功率系统的能力,部分指标优于商用产品。未来将继续深入研究,实现高性能窄线宽激光器核心技术能力自主可控。
自研的高性能窄线宽激光器及其核心模块
(6)高性能磁屏蔽舱研究所
本研究所面向科学装置与仪器对零磁空间的迫切需求,研制高性能磁屏蔽舱,重点研究大尺寸高性能磁屏蔽材料、耦合线圈设计与磁场精确补偿控制、低噪声精密电流源等关键技术。团队于2018年开始磁屏蔽舱原理样机的研制,中心剩磁指标和磁噪声指标达到国际先进水平。未来依托国家重大科技基础设施,计划将剩磁、磁噪声与磁场均匀度指标进一步提高,实现持续引领,支撑3类7种科学装置与仪器指标的不断提高。
高性能磁屏蔽舱示意
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