超流体量子干涉陀螺的研究现状与应用

赵玉龙， 沈怀荣， 任 元， 王卫杰

(1. 装备学院 研究生管理大队 北京 101416； 2. 装备学院 航天装备系, 北京 101416)

超流体量子干涉陀螺的研究现状与应用

赵玉龙1， 沈怀荣2， 任 元2， 王卫杰2

(1. 装备学院 研究生管理大队 北京 101416； 2. 装备学院 航天装备系, 北京 101416)

超流体干涉陀螺是一种基于量子微观领域实现角速率测量的新型量子陀螺，具有超高精度、超高灵敏度、小体积的优势。为深刻理解和准确掌握超流体干涉陀螺研究中的关键技术和发展趋势，对国内外相关研究进行了总结分析,并对超流体干涉陀螺的潜在应用进行了展望。首先，阐述了从超流体3He量子干涉陀螺到超流体4He量子干涉陀螺的发展历程；然后，详细分析了该陀螺的驱动方式、量程扩展、精度优化、高灵敏度结构设计等方面的技术研究现状，分析了超流体量子干涉陀螺相关技术的发展趋势；最后，基于超流体干涉陀螺的超高精度测量特性，展望了超流体量子干涉陀螺在惯性导航、地震学、大地测量等研究中的应用前景。

超流体量子干涉陀螺；弱连接；超高精度；超高灵敏度；惯性导航

陀螺仪自首次用于航海至今已有100多年的发展历史，如何进一步提高陀螺仪的测量精度和灵敏度一直是国内外学者研究的热点[1]。传统机械式陀螺工作原理是通过机械转子转动来产生动量矩敏感陀螺相对惯性空间的角运动[2]，其工作品质因数与转子的角动量成正比，与干扰力矩成反比。为了提高陀螺的品质因数，可以通过使用大转子结构、提高转子的工作速度或减少干扰力矩来实现，然而转子结构的增大意味着陀螺的体积将会变大，转速太高又会导致不平衡转动的加剧，这就导致机械转子陀螺从根本上很难实现超高精度的测量要求。尽管采用液浮、静电和磁悬浮等新技术可以在一定程度上提高机电式陀螺的敏感精度，但又必然以牺牲体积、功耗等为代价，且提升的空间也有一定的限制。

随着sagnac效应的发现和光学技术的成熟[3]，运用波动光学的光学式陀螺应运而生，典型的有激光陀螺和光纤陀螺[4]。与传统机械式陀螺相比，基于sagnac效应的光学陀螺不需要旋转的转子，具有启动时间短，测量精度高，可靠性高、对压力和振动不敏感等特点[5]。然而受到光子波长和质量的限制，光学陀螺的理论精度和灵敏度始终受到制约，国外近10年在光学陀螺的研究上进展缓慢。

进入21世纪，量子技术特别是低温物理学的研究取得重大突破，由此诞生了基于物质波干涉的新型低温超流体陀螺[6]1。该陀螺是利用液氦在低温环境下呈现的量子宏观效应，通过化学势差驱动超流体在微孔阵列发生Josephson效应产生物质波，基于物质波sagnac效应实现角速率敏感的一类新概念陀螺。基于双弱连接的超流体4He量子干涉陀螺的敏感面积可以做到10 cm2大小，其理论灵敏度比光学干涉陀螺的灵敏度高近10个数量级。基于微观量子领域实现角速度测量的超流体量子干涉陀螺凭借其超高精度、超高灵敏度、小体积等优势，近年来引起了国内外学者的广泛关注。

1 超流体量子干涉陀螺的发展

1.1 超流体3He量子干涉陀螺

1908年Kamerlingh Onnes利用抽真空的方法首次将氦气进行了液化，开创了低温物理和低温工程研究的先河[7]。研究发现液3He在2 mK温度附近下会发生相变而呈现超流特性[8]，此时的超流氦是一种量子流体，它的独特性质引起了低温技术领域的广泛关注。

1988年法国学者Avenel和Varoquaux发现超流体3He流过弱连接时发生类似超导的Josephson效应[9]，此时流过弱连接的超流体流量I和弱连接两侧的相位差Δφ满足I=Icsin(Δφ)，其中Ic是通过弱连接的临界流量。随后美国加州大学伯克利分校的Pereversev等[10]研制了基于超流体3He的Josephson效应试验装置。实验装置所需的弱连接是通过在厚度为50nm的氮化硅薄膜上，利用电子束蚀刻技术加工出孔径为60nm，孔间隔3μm的微孔阵列结构，如图1所示。

图1 弱连接实物图

超流体3He的Josephson效应的试验装置与图2a)结构类似，通过电极板通电来对薄膜产生吸附的静电力，使得薄膜向电极板方向发生移动，从而引起内外腔间产生恒定的压差，驱动超流体流入内腔。美国Packard团队实验观察并验证了超流体在流过微孔阵列组成的弱连接时发生了Josephson效应。

a) 原理图 b) 实物图图2 超流体3He量子干涉陀螺

2011年，美国加州大学伯克利分校的Simmond等[11]通过改进Josephson效应试验装置，研制了超流体3He量子干涉陀螺，如图2b)所示。该结构装置包含2个弱连接，其余结构与Josephson效应装置结构类似，通过施加静电力为超流体陀螺提供恒定的化学势差，使得3He超流体由外腔流入内腔，同时在弱连接处发生Josephson效应分别产生两列物质波。当外界有角速度输入时将导致物质波流量幅值和薄膜振荡幅值发生调制，引起薄膜和电极间的磁场变化，进而影响扁平线圈中的电流发生感应变化，利用超导量子干涉仪的超高精度磁场检测能力可检测这一感应电流，从而精确解调出外界角速度。

超流体3He量子干涉陀螺的感应面积可以做到6cm2，可实现10-7rad/s的角速度测量。但是由于3He的含量较为稀有且3He发生超流相变的温度极低，对热噪声和环境噪声的影响较为敏感，很难在工程上实现应用，此后研究者们没有再继续这方面的研究。

1.2 超流体4He量子干涉陀螺

3He和4He是常见的氦元素，4He的核自旋为偶数是玻色子，遵循玻色-爱因斯坦统计规律[12]。液3He和液4He在温度极低的情况下都可以转变为一种具有超常流动特性的状态，4He在2K温度附近下会发生玻色-爱因斯坦凝聚发生相变呈现超流特性，这个温度比3He相变温度高了近3个数量级，相对容易实现。4He的含量约占氦元素总量的99.9%，于是研究者们将更多的注意力投入到基于4He超流体量子干涉陀螺仪的研究中。

a) 原理图 b) 实物图图3 超流体4He量子干涉陀螺

2001年Sukhatme等[13]观察到在较低温度时超流体4He流过微孔阵列的流动速度超过某一临界值时会对应形成量子涡旋，导致超流体流动速度发生衰减；控制温度在临界温度附近时，超流体在微孔阵列将发生Josephson效应产生形如Icsin(Δφ)的物质波流量。随后，美国加州大学伯克利分校的Hoskinson等[14]在2005年研制出了基于4He的Josephson效应的试验装置。

Hoskinson在2006年通过改进Josephson效应试验装置，研制了超流体4He量子干涉式陀螺，如图3所示[15]。该结构装置采用加热电阻取代静电力恒压源产生持续的化学势差，利用超导量子干涉仪的超高精度磁场检测能力检测由外界角速度引起的扁平线圈中产生的感应电流值，从而精确解调出外界角速度。超流体4He量子干涉陀螺的感应面积可以做到10cm2，可实现10-7rad/s的角速度测量。

2 超流体量子干涉陀螺的研究现状

针对超流体量子干涉陀螺从实验阶段向应用转换中存在的诸多限制因素，如陀螺驱动机理不明确、陀螺量程范围小、陀螺精度受噪声影响等，国内外学者相继围绕超流体量子干涉陀螺进行了大量的研究。 国外学者主要围绕陀螺的机理推导[16]和实验验证[17]展开研究，研究机构主要包括俄罗斯的科学研究院，美国加州理工、美国加州大学的伯克利分校等；国内南京航空航天大学导航中心的谢征、郑睿等[18-20]，于2007年率先开始进行陀螺的相关研究研究，主要从仿真层面围绕超流体量子干涉陀螺的量程、精度和灵敏度方面开展了相关的理论研究。

2.1 超流体量子干涉陀螺的驱动方式研究

促使超流体在弱连接发生Josephson效应产生物质波的前提是需要提供恒定的化学势差，化学势差的驱动方程为[6]3

(1)

式中：m和ρ分别为超流体4He的原子质量和密度；s为超流体的熵密度；ΔT和ΔP分别为弱连接两端的温差和压差。显然化学势差受到温差ΔT和压差ΔP的作用，因此超流体量子干涉陀螺的驱动方式主要包括压差驱动、热源驱动和热源压差共同驱动3种驱动方式。

1997—2001年，美国伯克利分校在进行3He的Josephson效应研究和3He超流体量子干涉研究时，考虑3He发生超流相变需要mK级的极低温环境，且受热噪声的影响较大，为了获得恒定的化学驱动势差，均采用基于压差的驱动方式来获得恒定的化学势差。通过对电极板施加电压，引起涂有超导涂层的薄膜产生沿电极方向的静电吸附力，同时薄膜还受到反向的弹性胡克力和超流体的压力，在合力的作用下薄膜沿电极方向匀速运动，此时内外腔间形成恒定的压差为超流体量子干涉陀螺提供恒定的化学驱动势差。受到弹性薄膜极限位置的影响，若想继续获得恒定压差则需要施加较小的静电力，需要使薄膜沿电极反向方向运动。由于薄膜运动的速度不可能发生突变，当薄膜速度过渡为零时，此时Josephson效应消失，超流体量子干涉陀螺失效。根据通用参数，基于压差驱动的超流体陀螺工作时间仅能维持10 s左右[21]，工程应用价值不高。

为了获得持续的Josephson效应，1997—2001年,美国伯克利分校在进行4He的Josephson效应研究和4He超流体量子干涉研究时,设计了基于热源驱动的超流体量子干涉陀螺[22]。通过在干涉内腔布置加热电阻，当电阻加热功率大于某一临界值时，超流体在流过弱连接时将发生Josephson效应产生物质波，通过控制加热功率值可以获得恒定的化学势差和Josephson振荡频率。

谢征[23]在进行超流体陀螺研究时，发现热相位注入过程中存在温升延迟，为此提出了一种基于热源压差共同驱动方式的超流体量子干涉陀螺结构。陀螺启动时首先通过加热电阻为陀螺提供恒定的化学势差，当外界角速度存在时，启动压差驱动方式来产生角速度对应的补偿相位，极大地提高了相位补偿的实时性。这种热源压差组合驱动方式在理论上是可行的，具有一定的技术优势，然而热源压差驱动方式对恒定化学势差的控制要求极为苛刻。

为了获得稳定持续的Josephson效应，目前超流体陀螺驱动方案研究主要以热源驱动为主，开展基于热源驱动的超流体陀螺是探索超流体陀螺超高精度、超高灵敏度性能稳定工作的前提。

2.2 超流体量子干涉陀螺的量程扩展研究

超流体陀螺量程的扩展技术是近年来的研究热点，文献[24]分析了超流体陀螺的工作曲线周期性变化导致陀螺测量角速度范围很小，仅为10-5rad/s的数量级。为此,国内外学者围绕陀螺的量程扩展进行了相关研究。

美国Berkley的研究小组借鉴超导量子干涉仪中的通量锁定技术，提出了幅值锁定扩量程方案[25]，如图4所示。陀螺工作时，事先设定好陀螺的工作点相位，伴随外界角速度的输入，环形腔内会产生相应的相位增量，相应会引起陀螺的流量幅值和薄膜幅值发生调制。此时通过检测超流体陀螺的薄膜幅值，通过与期望幅值比较，解算出环形腔内工作点的偏离相位，控制热相位注入使得超流体陀螺的薄膜幅值能够始终保持在工作点，从而保证超流体陀螺始终保持在工作点，最终根据记录注入的补偿热相位便可实现角速度的解算。为了避免注入热相位过多引发超流体发生量子紊乱，通常设定注入的极限热相位为500π，理论上通过该幅值锁定方法可将陀螺的最大检测角速度提高近3个数量级。

图4 幅值锁定量程扩展方案

考虑幅值锁定扩量程方法需要在每个测量周期末都要控制注入热相位，控制次数较为频繁，谢征提出了一种历程监测方法[26]，当监测到陀螺工作点靠近盲区时，才会执行一次热相位的注入，最终将陀螺的流量幅值锁定在某一工作区间，实现了陀螺的量程扩展，同时控制热相位注入的次数也大大减少。郑睿等[27]提出了一种全程监测方法实现陀螺的量程扩展，通过控制调整角速度矢量和面积矢量的夹角，将陀螺的流量幅值锁定在某一区间内，通过补偿相位来求解出外界角速。理论上该方法可以实现任意大小角速度的检测，然而在调制陀螺敏感面积时会引入随机旋转振荡噪声等不利因素，此外电路控制较为复杂，应用难度较大。

相比于历程监测方法和全程监测方法，幅值锁定方法更容易控制和实现，且热相位注入实时性较好，不会出现漏补偿现象。开展基于幅值锁定方法实现陀螺工作点严格锁定，是探索超流体陀螺大量程范围工作的发展趋势。需要注意的是，铜镍合金加热电阻丝的温升存在延迟，热相位的注入会引入热噪声，这些都是在工程应用中需要考虑的因素，需要进一步深入开展相关研究。

2.3 超流体量子干涉陀螺的精度优化研究

超流体陀螺的工作原理是通过检测薄膜位移的变化来实现角速度解算。陀螺工作时，陀螺内腔的体积变化将引起弹性薄膜的位移发生形变。为了实现有效检测，角速度引起的薄膜位移幅值变化量应该不小于超导量子干涉仪所能检测的最小位移。在超流体流量的作用下，根据通用参数得到陀螺的最小检测角速度为10-9rad/s，可见检测薄膜位移的传感器分辨力直接决定着陀螺的角速度测量精度。为此,国外学者通过改进测量电路[28]，将位移传感器的输出噪声由3×10-5m/Hz降低到了10-5m/Hz，从而提高了超流体量子干涉陀螺的测量精度。2010年，美国学者Sato[29]利用费斯科效应增大了陀螺干涉流量的幅值，由于薄膜位移幅值和干涉流量幅值存在正比例关系，由此放大了陀螺的输出信号，同样提高了陀螺的测量精度。俄罗斯学者Chui等[30]分析了热噪声导致弱连接两侧相位的波动误差，通过增加微孔来抑制热噪声对陀螺精度的影响。

2010年，国内学者赵伟、郑睿等从陀螺噪声分析和抑制陀螺噪声角度出发，进一步开展了超流体量子干涉陀螺的精度优化研究，通过对陀螺噪声进行归类和分析，确定了超流体陀螺的噪声源和输出噪声的类型[31]。通过仿真得到影响陀螺精度的主要噪声为陀螺的随机振动噪声和检测元件噪声，从抑制陀螺输出噪声角度出发，提出一种多圈环绕的超流体量子干涉陀螺结构方案[32]，对陀螺热噪声和总输出噪声抑制效果显著。

在进行噪声抑制方法研究时，除了通过改进结构外，还可开展针对陀螺误差设计相应的补偿方法和滤波算法来降低误差对检测角速度的影响，从而进一步提高陀螺的测量精度。该方法独立性更强，不依赖检测薄膜位移仪器的精度水平，从抑制陀螺噪声角度出发，从根源上提高陀螺的测量精度，是实现超流体陀螺超高精度性能优化的新途径。

2.4 超流体量子干涉陀螺高灵敏度结构设计研究

超流体量子干涉陀螺的角速度感受灵敏度定义为[18]

(2)

式中：N为弱连接微孔数目；IC0为通过微孔的最大流量；A为陀螺敏感面积；h为普朗克常数。

为了提高超流体干涉陀螺的灵敏度，由式(2)易知可以通过增加弱连接的微孔数目或者增大感应面积来实现[33]。然而受限于弱连接的微加工工艺，微孔数不可能过多；增大感应面积又不利于陀螺的小型化设计要求。为此,美国伯克利分校的Yuki在2008年设计了一种由四弱连接三干涉环路组成的超流体量子干涉栅结构[34]，如图5所示。实验验证该干涉栅陀螺结构的灵敏度，比同等面积条件下的双连接单环超流体量子干涉陀螺的灵敏度提高了近4倍。

a) 原理图 b) 实物图图5 超流体量子干涉栅陀螺

2007年，南航导航研究中心开始了超流体陀螺的相关研究，为提高陀螺的灵敏度性能，从理论角度出发设计了超流体单层干涉盘结构，如图6a)所示；再考虑到每个这样的干涉盘可以多个叠加在一起，进一步提出了超流体多层干涉盘结构的超流体陀螺结构，如图6b)所示。理论上每层由8弱连接组成的20层超流体干涉盘结构的灵敏度是同样面积的单回路陀螺结构灵敏度的542倍，极大提高了超流体量子干涉陀螺的灵敏度性能。

a) 单层结构 b) 多层结构图6 超流体干涉盘结构

从已有提高超流体陀螺灵敏度的结构方案中分析得到:超流体量子干涉环路越多，陀螺的角速度感受灵敏度越高，但就陀螺整体性能而言，并非环路越多越好。在设计高灵敏度的干涉栅陀螺结构方案时，应明晰干涉栅结构同其他性能的关系，匹配使得陀螺整体性能最佳的参数。同时超流体量子干涉陀螺的主要作用是实现外界角速度的检测，而传统的多弱连接组成的超流体量子干涉栅陀螺的设计中引入了梯度热相位，在进行角速度检测时该梯度热相位可被看作无用扰动信息，尤其当存在结构参数波动的情况下，将不利于角速度信息的提取。所以有必要对目前干涉栅结构进一步加以改进，设计便于角速度信息提取的新型超流体干涉栅结构，这应是探索超流体陀螺超高灵敏度性能的发展趋势。

3 超流体量子干涉陀螺的应用

惯性导航系统是一种推算式导航系统，陀螺仪误差将引起导航精度随时间而发散，陀螺仪精度是制约惯性导航精度的关键因素。研究论证发现超流体量子干涉陀螺精度有望达到2.5×10-10rad/(s·Hz-1/2)，可取代卫星导航系统实现未来的完全自主导航。美国国防部制定了“精确惯性导航系统”研究计划，将以量子效应为核心的量子惯性传感技术视为下一代主导惯性技术，并预测量子陀螺在未来超高精度惯性导航领域将取代现有的机械陀螺和光学陀螺。超流体量子干涉陀螺凭借其超高精度和超高灵敏度特性，有望被应用于深空探测、空间机动平台、临近空间飞行器、天基平台和远程导弹、核潜艇、新型战略武器等大航程、长航时，对陀螺精度要求极为苛刻的导航领域。

超流体量子干涉陀螺作为高精度测量仪还可用以地震学测量：地震的发生会引起地面建筑物发生扭转，通过高精度探测地壳内核边界的各向异性引起的旋转地震波，得到扭转力矩的情况，从而实现地震的高精度测量。基于高精度探测特性，超流体量子干涉陀螺还可以用来进行大地测量研究：由于地表表面崎岖不平，存在着山地、丘陵、平原等不同地形结构，且这些地形结构会逐渐发生变化，相应会引起地球自转线速度发生改变，利用超高精度的超流体量子干涉陀螺可以检测这一微小变化，通过将数据反馈至GPS导航系统，可实现相应地球数据的实时更新。此外超流体量子干涉陀螺在验证广义相对论，探测引力波，观察中性粒子在电场和磁场作用下发生的Aharonov-Bohm效应等方面具有巨大应用前景[35]。相信随着超流体陀螺相关研究技术的发展，超高精度的超流体量子干涉陀螺定会从目前的实验研究阶段走向未来的工程应用，探索尚未被人类发现和认知的领域。

4 结 束 语

超流体量子干涉陀螺的研制涉及量子物理学、材料学、微电子学、真空学等交叉学科，与国外相比，国内在超流体的制冷技术、弱连接的微制造技术、高精度温度控制技术等方面的差距仍然较大，目前国内搭建高精度超流体量子干涉陀螺装置的相关技术尚不成熟。国内研究学者可从设计方案和理论仿真着手，围绕超流体量子干涉陀螺在应用方面存在的量程范围小、陀螺精度受噪声影响大，干涉栅结构设计中存在的梯度热相位不利于角速度信息提取等关键问题开展相关研究。突破现有惯导系统极限灵敏度和精度受限的瓶颈，解决导航系统体积、重量、精度及灵敏度之间的突出矛盾，为抢占未来导航技术的战略制高点奠定必要的基础。

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[1]MEYER D,LARSEN M.Nuclear magnetic resonance gyro for inertial navigation[J].Gyroscopy and Navigation,2014,5(2):75-82.

[2]CHUMANKIN E A.Angular rate sensor based on hemispherical resonator gyro:development and test results[J].Gyroscopy and Navigation,2014,5(4):219-223.

[3]BOUYER P.The centenary of sagnac effect and its applications:from electromagnetic to matter waves[J].Gyroscopy and Navigation,2014,5(1):20-26.

[4]VELIKOSELTSEV A ,SCHREIBER K U.On the application of fiber optic gyroscopes for detection of seismic rotations[J].Journal of Seismology,2012,16(4):623-637.

[5]KLIMKOVICH B V.Algorithmic compensation of attitude error in a dithered ring laser gyro[J].Gyroscopy and Navigation,2012,3(2):120-123.

[6]SATO Y,PARKARD R.Superfluid helium quantum interference devices:physics and applications[J].Rep.Prog.Phys.,2011,75(1)：1-27.

[7]王慧荣,熊联友,李空荣,等.氦制冷/液化流程优化设计与分析综述[J].低温与超导，2015(10):12-16.

[8]SIMMOND R W.Josephson weak link quantum interference in superfluid 3He[D].Berkeley:University of California,2002:22-31.

[9]赵玉龙,沈怀荣,任元.幅值锁定型超流体陀螺模糊自抗扰控制系统设计[J].宇航学报.2016,37(5):562-569.

[10]PEREVERSEV S V,LOSHAK A,BACKHAUS S,et al.Quantum oscillations in a superfluid 3 He-B weak link[J].Nature,1997,338:449-451.

[11]SIMMOND R W,MARCHENKOV A,HOSKINSON E,et al.Quantum interference of superfluid 3 He[J].Nature,2001,412:55-58.

[12]TILLEY D R,TILLEY J.Superfluidity and superconductivity [J].Institute of Physics B,2010,81(17):1-4.

[13]SUKHATME K,MUKHARSKY Y,CHUI T,et al.Observation of the ideal Josephson effect in superfluid 4He[J].Nature，2001,411:280-283.

[14]HOSKINSON E.Superfluid 4He weak links [D].Berkeley:University of California,2005:15-18.

[15]SATO Y.Experiments using 4He weak link [D].Berkeley:University of California,2007:21-23

[16]FELLOWS J M,CARR S T.Superfluid,solid,and super solid phases of dipolar bosons in a quasi-one-dimensional optical lattice[J].Physical Review A,2011,84(5):6302-6312.

[17]KARAGUSOV V I,LEVIN S L,SVJATYJ V V,et al.Superfluid helium cryostat for sensitive elements cooling[J].Procedia Engineering,2016,152:439-445.

[18]冯铭瑜,赵伟,刘建业,等.双弱连接超流体陀螺信息提取与量程扩展技术[J].现代电子技术,2012,35(2):94-99.

[19]郑睿,赵伟,刘建业,等.随机振动引起的超流体陀螺噪声特性[J].中国惯性技术学报,2013(6):797-802.

[20]刘建业,谢征,冯铭瑜,等.超流体陀螺仪的发展概况与研究进展[J].航空学报,2012,33(1):1-10.

[21]冯铭瑜.基于双弱连接结构的超流体陀螺效应仿真研究[D].南京：南京航空航天大学，2012:23-25.

[22]HOSKINSON E,PACKARD R.Thermally driven Josephson oscillations in superfluid 4He[J].Physical Review Letters,2005,94(15):155303.1-155303.4.

[23]谢征.基于物质波干涉效应的新型低温超流体陀螺关键技术研究[D].南京：南京航空航天大学,2012:30-35.

[24]谢征，刘建业，赵伟，等.双弱连接结构的高精度超流体陀螺的量程分析[J].中国惯性技术学报，2011(1):79-83.

[25]聂威,赵伟,郑睿,等.基于模糊控制器的热相移辅助超流体陀螺研究[J].航天控制，2014(1):19-27.

[26]谢征，刘建业，赖际.基于低温物理效应的新型超高精度陀螺仪研究综述 [J].2007,15(5):606-611.

[27]郑睿，赵伟，刘建业，等.基于全程监测的超流体陀螺量程扩展方法[J].控制与决策，2014(5):848-852.

[28]SATO Y.DC-SQUID based Neodymium magnet displacement sensor for superfluid experiments[J].Review of scientific instruments,2009,80:1-5.

[29]SATO Y.Fiske-amplified superfluid interferometer [J].Physical review B,2010,81(17):1-4.

[30]CHUI T,HOLMES W,PENANEN K.Fluctuations of the phase difference across an array of Josephson junctions in superfluid 4He near the Lambda transition[J].Physical review letters,2003,90(8):1-4.

[31]赵伟,郑睿,刘建业,等.超流体物质波干涉陀螺仪的噪声研究[J].航空学报,2013,34(4):902-908.

[32]郑睿.超流体陀螺的驱动机理和输出特性研究[D].南京：南京航空航天大学,2013:78-82.

[33]郑睿,赵伟,刘建业,等.超流体量子干涉陀螺仪的热噪声分析[J].中国惯性技术学报,2012(6):739-743.

[34]SATO Y,ADITYA J,PACKARD R.Superfluid 4He quantum interference grating [J].Physical Review Letters,2008,101(8):1-4.

[35]BRIGHT M,SINGLETON D,YOSHIDA A.Aharonov-Bohm phase for an electromagnetic wave background [J].The European Physical Journal C,2015,75:446.

(编辑：李江涛)

Research Status and Application of Super-fluidQuantum Interference Gyroscope

ZHAO Yulong1, SHEN Huairong2, REN Yuan2, WANG Weijie2

(1. Department of Graduate Management, Equipment Academy， Beijing 101416， China；2. Department of Space Equipment, Equipment Academy， Beijing 101416， China)

Super-fluid interference gyroscope is a new type of quantum gyroscope to realizing angular velocity measurement based on the quantum microscopic field, featuring ultra-high precision, high sensitivity and small volume. In order to further understand and master the key techniques and development trends of super-fluid interference gyroscope, the paper conducts conclusive analysis on the related researches at home and abroad and forecasts the potential application of super-fluid interference gyroscope. First of all, it illustrates the development process from super-fluid 3He quantum interference gyroscope to super-fluid 4He quantum interference gyroscope. And then, the paper analyzes the research status in detail in some respects such as driving mode, expansion of measuring range, precision optimization and high sensitivity structure design as well as development trend of relevant technologies of super-fluid interfering gyroscope; at last, based on the characteristics of the ultra-high-precision measurement of super-fluid interference gyroscope, the paper forecasts the prospect of the application of the super-fluid quantum interference gyroscope in the fields like inertial navigation, seismology and geodetic survey.

super-fluid quantum interference gyroscope; weak link; ultrahigh-precision; ultrahigh-sensitivity; inertial navigation

2016-10-14

国家“863计划”资助项目(2015AA8018038C)

赵玉龙(1988—)，男，博士研究生，主要研究方向为新型量子陀螺技术。460151954@qq.com 沈怀荣，男，教授，博士生导师。

V448.2

2095-3828(2017)01-0067-07

A DOI 10.3783/j.issn.2095-3828.2017.01.014