Ataletsel navigasyon sistemlerinde atomik komanyetometrelerin hata faktörlerini etkileyen parametrelerin analizi ve optimizasyonu
Analysis and optimization of parameters affecting the error factors of atomic comagnetometers in inertial navigation systems
Yazar: MURAT SALİM KARABİNAOĞLU
Danışman: PROF. DR. BEKİR ÇAKIR
Kocaeli Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Dünyada kuantum algılama ve sensör geliştirilmesi alanındaki güncel çalışmalar oldukça dikkat çekicidir. Örneğin, dönüş tespiti, zaman-frekans, manyetik ve elektrik alanlar ve sıcaklık temelli çalışmalar bu konu başlığı altında örnek olarak verilebilir. Bu doktora tezinde, atomik sensör geliştirilmesi çalışmaları kapsamında atomik dönüölçer konusu ele alınmıştır. Bu kapsamda, ataletsel navigasyon sistemlerinde atomik komanyetometre dönüölçerlerin hata faktörlerini etkileyen parametrelerin analizi ve optimizasyonu araştırılmıştır. Bu tez çalışması ile günümüzde oldukça popüler ve stratejik çalışma konularından olan atomik sensörler veya kuantum navigasyon sensörleri alanına katkı sağlayacak özgün bir çalışma yapılması hedeflenmiştir. Atomik Dönüölçerler, iki alt kategoride toplam üç farklı tür olarak incelenebilmektedir. Bu tez çalışması kapsamında ise atomik spin temelli olan, Nükleer Manyetik Rezonans (NMR) ve Spin-Değişim Sönümlemesiz (SDS) atomik komanyetometre dönüölçerler türleri incelenmiştir. Bu iki tür atomik dönüölçer, günümüzdeki fiber veya halka lazer dönüölçer teknolojilerine göre daha yüksek hassasiyet ve daha küçük boyutta üretilebilme potansiyeline sahip olması sebebiyle ilgi çeken bir Ar-Ge konusu haline getirmiştir. Bu kapsamda, NMR ve SDS tipi komanyetometrelerin temel çalışma prensipleri ve bileşenleri incelenmiştir. Bu iki dönüölçer için de çok önemli ve performans belirleyici bir kıstas olarak manyetik ekranlama, çeşitli boyutlarıyla ele alınmıştır. Ayrıca, dönüölçerlerdeki hata türleri ve parametreleri verilerek hata modelleme, azaltma ve kompanzasyon konuları değerlendirilmiştir. Manyetik ekranlama ünitesi içerisindeki manyetik gürültünün asgariye indirilmesi amacıyla gerekli donanım ve yazılım geliştirme çalışmaları yapılmıştır. İlave olarak, yalnızca literatüre değil aynı zamanda gelecekteki daha ileri çalışmalara da katkı sağlanması amacıyla Isıl İşlem, Manyetiklik Giderme, Alan Sıfırlama, Sürüklenme ve Kompanzasyon işlemleri detaylı ve uygulamalı olarak sunulmuştur. Sonuçta, üretim, analiz ve optimizasyon çalışmaları ile, X, Y ve Z eksenlerinde sırasıyla -39,3 µT, -11,8 µT ve 2,7 µT ortalama manyetik alan bulunan bir ortamda bu çalışma yapılmıştır. Yukarıdaki işlemlerin sırasıyla yapılmaısı sayesinde manyetik gürültü seviyesinin 10-100 Hz aralığında X ekseni için 456 fT/√Hz'e, Y ekseni için 135 fT/√Hz'e ve Z ekseni için 16 fT/√Hz 'e indirilebileceği ispat edilmiştir.

Abstract:
Current studies in the field of quantum sensing and quantum sensor development in the world are quite remarkable. For example, rotation detection, time-frequency, magnetic and electric fields, and temperature-based researches can be given as examples in this field. In this doctoral thesis, the issue of atomic gyroscope is discussed within the scope of atomic sensor development studies. In this context, the analysis and optimization of the parameters affecting the error factors of atomic comagnetometer gyroscopes in inertial navigation systems were investigated. With this thesis, it is aimed to carry out an original study that will contribute to the subjects of atomic sensors or quantum navigation sensors, which are very popular and strategic fields of study today. Atomic Gyroscopes can be examined as three different types in two subcategories. Within the scope of this thesis study, atomic spin-based Nuclear Magnetic Resonance (NMR) and Spin-Exchange Relaxation Free (SERF) atomic comagnetometer gyroscopes were examined. These two types of atomic gyroscopes have become an interesting R&D subject because they have the potential to be produced with higher sensitivity and smaller sizes than today's fiber or ring laser gyroscope technologies. In this context, the basic operating principles and components of NMR and SERF type comagnetometers were examined. Magnetic shielding, as a very important and constraining criterion for these two gyroscopes, has been discussed in various aspects. Additionally, error types and parameters in gyroscopes are given and error modeling, reduction and compensation issues are evaluated. Necessary hardware and software development studies have been carried out in order to minimize the magnetic noise within the magnetic shielding unit. Additionally, Heat Treatment, Degaussing, Field Resetting, Drift and Compensation processes are presented in detail and in practice in order to contribute not only to the literature but also to further studies in the future. As a result, this study was carried out with production, analysis and optimization studies in an environment with an average magnetic field of -39.3 µT, -11.8 µT and 2.7 µT in the X, Y and Z axes, respectively. By performing the above operations sequentially, the magnetic noise level is reduced to 456 fT/√Hz for X axis, 135 fT/√Hz for Y axis and to 16 fT/√Hz for Z axis in the range of 10-100 Hz.