量子物理學、雷射技術讓儀器測量更上層樓

作者 : Bill Schweber,EE Times/EDN/Planet Analog資深技術編輯

在您曾經設計過的感測系統專案中,是否遇過其挑戰並不在於提高精度,而是必須大幅減少重量、尺寸和成本?或者,您是否曾經需要感測一個「顯而易見」的物理變數,但其所需的精度卻讓設計成為重大挑戰?

類比世界中有很大一部份都集中於感測器及其相關介面電路。在許多情況下,需要偵測的物理變數是顯而易見的,如溫度、壓力、振動、流量等,但實際的應用卻受到其安裝與設置的限制與挑戰。

過去幾年來,新的元件與技術已開始與舊有以及新的學科結合。類比電路進一步結合量子物理學、雷射和千兆赫茲(GHz)射頻(RF)等新技術,讓研究人員得以開發出令人驚艷的尖端現場測量儀器。

這些進展大部份是由諸如CubeSat等地球軌道裝置所提供的巨大機會所驅動,而其他部份則部署在更進階的任務上,如美國太空總署(NASA)的韋伯太空望遠鏡(James Webb Space Telescope)目前「停駐」於距離地球約100萬英哩的L2拉格朗日點(Lagrange point),以及其帕克太陽探測器(Parker Solar Probe)在採集資料時剛好通過太陽。然而,其他大多數的尖端儀器實際上就位於地球,試著對重力進行極其準確、超精密的量測,而這也是最基本且真正無處不在的物理現象。

兩個極為不同的例子顯示目前正使用中的雷射與量子技術及其進展領域。

小型海洋風向輻射儀

小型海洋風向輻射儀(COWVR)是一種被動式微波輻射儀,用於測量來自地球的自然微波輻射變化;它在2021年12月被送到國際太空站(International Space Station;ISS),作為太空探索技術公司(SpaceX)為NASA所執行第24次商業補給任務之一部份。從52⁰N至52⁰S,在太空站可見的所有緯度之間擷取來自地球上高達34GHz頻率的微波輻射。這些微波頻率為天氣預報員提供了關於海洋表面風的強度、雲層中的水量和大氣中的水蒸氣量等資訊--這是一個令人印象深刻的遠端感測用例(1)。

1 :被動式COWVR系統及其極化接收器可以提供廣泛且關鍵的天氣與氣候資料。 (資料來源:JPL/NASA)

輻射儀通常需要一個可以旋轉的天線,以便能觀察到地球表面的廣泛掃描,而不僅是一個狹窄範圍。在所有其他的太空微波輻射儀中,不僅是天線,輻射儀本身與所搭配的電子設備也同時以每分鐘約30轉的速度旋轉。雖然有充份的原因必須使用具有這麼多旋轉零件的設計,但真的採用了這麼多的旋轉組件,如何維持太空梭的穩定成為一大挑戰。

COWVR可說是對經典儀器設計的創新思考。其主要目標並不在於提高精確度,而是為了減少整體質量與尺寸,同時也將旋轉組件質量降到最低。COWVR設計重約58公斤(130磅),還不到美國軍方用於測量海風的標準微波輻射儀質量之1/5,也不到其旋轉組件質量的1/3。二者在功率需求方面則為40瓦(W)與350W之比。

2 COWVR儀器有幾個在18.723.833.9GHz運作的三頻極化接收器,皆使用一個饋電角狀天線和反射器。(資料來源:JPL/NASA)

新的儀器採用了完全不同的設計途徑,相較於既有裝置,有三項主要區之處:

  • 它有一個單一的多頻饋電角,這有利於應用一個圍繞饋電軸旋轉的簡單天線,因而不必旋轉整個輻射儀系統並透過旋轉組件傳遞訊號。饋電角狀天線支援18.7GHz/780MHz頻寬、23.8GHz/780MHz頻寬與33.9GHz/1,975MHz頻寬。
  • 內部校準源能完全地極化校準--「偏振測定法」(polarimetry)是對橫向波偏振的測量與詮釋--經由產生已知偏振訊號的雜訊源以取代用於校準輻射儀偏振測量的「熱輻射目標」。這消除了對外部熱輻射負載與冷空反射器的需求,從而簡化了其機構設計,實現完整360⁰的掃描。
  • 使用一個小型、高度整合的單晶微波積體電路(MMIC)偏振測量-接收器組合,從而降低了系統的質量與功率,因而使該系統適合部署在較小的低成本衛星上。

迄今為止所取得的資料顯示,該裝置與感測器的設計達到了傳統感測器的性能,而成本卻只佔一小部份,或許更重要的是,質量與功率需求大幅降低。

英國伯明翰大學的量子重力梯度儀

英國伯明翰大學(University of Birmingham UK)研究人員開發的量子重力梯度儀(quantum gravity gradiometer)則與COWVR專案形成鮮明對比,該設計主要用於測量一般的物理參數:重力。這並不是說重力本身很難測量,而是如同大多數的參數一樣,如果要以極高的精準度進行測量,並對該值的微觀變化進行量化,經常會因為許多原因而導致量測困難。

該專案團隊表示,他們是率先在實驗室條件之外測試量子重力梯度儀的研究團隊,因為他們曾經在現實世界的地表下1公尺處找到一個埋在戶外的隧道。因此,該研究團隊聲稱贏得了一場將該技術帶出實驗室的國際「競賽」。

為什麼還得關心這個問題?透過測量地球引力場的微小變化,可能取得關於地下的有用資訊。這可以用於一系列的應用,包括礦物和資源探勘、含水層、地質測繪、土木工程和考古學等。

該感測器使用量子物理學原理檢測微重力的變化,該原理主要根據次分子級的操作特性。該感測器建立了兩個超冷銣原子的「雲端」,並以沙漏的配置保存在獨立的磁光陷阱中(3)。不同的雲端之間是以比另一個高1公尺的相對位置交錯,然後在同時被釋放之前先行冷卻至毫開爾文(mKelvin)的溫度,在這一點上,雲在真空艙中成為自由落體。

3該系統有一個主感測器頭端,以及用於雷射與控制系統的外罩,雷射系統則顯示所使用的兩種拉曼(Raman)光束傳輸模式,用箭頭代表輸入到艙室的光束。而干涉儀的輸出是經由測量兩個超精細基態的原子狀態來讀取的,使用沿中心軸傳遞的螢光脈衝,其原子散射的光被光電二極體擷取。(資料來源:University of Birmingham UK)

但這僅是複雜序列的開始。在自由落體過程中,一連串的反傳播雷射脈衝被發射到雲層中,以形成兩個原子干涉儀,分別可用於測量由於重力所引起的部份加速度。兩個雲層之間的重力差異透過減去實驗的結果而取得。

為了大幅減少一些誤差源,該設計採用類似電路與感測器技術的方法,讓不可避免的誤差相互抵消--想想惠斯通(Wheatstone)電橋或與其搭配之放大器中的追蹤電阻。在此,如振動等雜訊則是兩個原子干涉儀的共同點,被移除與減去則代表來自垂直面的錯位涉及雲對,能讓傾斜錯位的敏感性降低。

為了證明該感測器對重力製圖的適用性,研究團隊在大學校園的一條道路下發現了一個2×2公尺的公共隧道。他們確定了隧道中心的水平位置,精度為0.19公尺,深度約為2公尺。

4在現場的單元中,主感測頭端位於藍色圓柱體中,重量為75公斤。它連接至一個飛行箱,內含雷射和控制系統,其上放置一個副箱;這些箱子的總重量約為250公斤。該系統在一個AC插座上運作,所需電力約800W,並有一個內部電池作為短暫備用。(資料來源:University of Birmingham UK)

在您曾經設計過的感測系統專案中,是否遇過其挑戰並不在於提高精度,而是必須大幅減少重量、尺寸和成本?或者,您是否曾經需要感測一個「顯而易見」的物理變數,但其所需的精度卻讓設計成為重大挑戰?

(參考原文:Quantum physics, lasers enable advanced instrumentation,by Bill Schweber)

本文同步刊登於EDN Taiwan 2022年10月號雜誌

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