Ядерный гироскоп

Полезная модель относится к технике квантовых датчиков для измерений скорости вращения подвижных носителей и может быть использована в навигационных системах спутниковой и дальней космической связи
К аналогам полезной модели относится схема устройства по регистрации прецессии макроскопического магнитного момента оптически ориентированных атомов, (гироскопа) содержащая два оптических тракта с единой камерой поглощения, один из которых предназначен для создания продольной компоненты вектора намагниченности (вдоль рабочего магнитного поля), другой (ориентированный под углом 90 градусов к первому оптическому тракту) - для детектирования поперечной компоненты вектора намагниченности с помощью зондирующего излучения [Н.М.Померанцев, В.М. Рыжков, Г.В. Скроцкий. - Физические основы квантовой магнитометрии. - Из-во Наука, М. 1972. - С. 448.]. В этом аналоге скорость вращения устройства относительно рабочего магнитного поля можно определить по сдвигу частоты прецессии, фиксируемой по частоте радиочастотного генератора в условиях магнитного резонанса. Недостатком аналога является погрешности измерения скорости вращения устройства, связанные с вариациями рабочего магнитного поля. К разновидностям этого аналога относятся (гироскопы на основе самогенерирующей схемы) самогенерирующие парощелочные устройства с оптической накачкой, состоящие из датчика и усилителя обратной связи [Е.Б. Александров, А.К. Вершовский, Современные радиооптические методы квантовой магнитометрии, УФН. Том 179, №6 стр. 605-637, 2009]. Датчик гироскопа включает в себя спектральную лампу накачки, колбу с парами щелочного металла, поляризационный фильтр, катушки, генерирующие радиочастотное магнитное поле, и фотодиод. Оптическое излучение распространяется под углом по отношению к измеряемому магнитному полю и выполняет одновременно две функции: создание неравновесного распределения атомов по магнитным подуровням и детектирование сигнала радиооптического резонанса. Недостатком самогенерирующего аналога являются сдвиги резонансной частоты, связанные с действием света накачки радиооптического резонанса в условиях неразрешенного ассиметричного контура линии поглощения.
1
2
К аналогам полезной модели относится также ядерный гироскоп на основе двух самогенерирующих магнитометров с оптической накачкой нечетных изотопов ртути, помещенных в общую камеру поглощения [Малеев П.И., Новые типы гироскопов, Из-во Л.: Судостроение, 1971 - С. 160]. В этом аналоге скорость вращения гироскопа Q определяется по частоте самогенерирующих магнитометров ω и ω в соответствии с выражением
1
2
-5
где γ и γ - гиромагнитные отношения используемых изотопов ртути. Недостатком аналога являются его измерительные погрешности, связанные с вариациями светового сдвига частоты радиооптического резонанса из-за флуктуаций интенсивности и спектрального состава источников накачки. В рабочих режимах оптической накачки, используемых в подобных аналогах, световой сдвиг наблюдается на уровне в несколько десятых герца, что предопределяет необходимость использования систем высокоточной стабилизации излучения накачки. Так, например, для измерения угловой скорости вращения Земли (~10 Гц) при темпах накачки, позволяющих реализовать надежное детектирование резонансного сигнала, подобные системы должны обеспечивать относительную стабильность излучения накачки на уровне 0,01%, что является достаточно трудоемкой задачей.
В качестве прототипа выбран ядерный гироскоп, в котором используется эффект спинового обмена между атомами щелочного металла и ядерными моментами инертного газа [E. Kanegsberg, Nuclear magnetic resonance gyroscope/- Patent EP 1847856 B1 от 19.11.2008/- bulletin 2008/47]. Устройство содержит камеру поглощения с атомами щелочного металла и тремя изотопами ядерных парамагнетиков, источники лазерной оптической накачки и детектирования, магнитную систему постоянного и переменного магнитного поля, ориентированных вдоль света накачки, а также приемный фотодетектор, подключенный к компьютерному блоку обработки информации и схеме обратной связи, создающей в зоне размещения камеры поглощения переменное магнитное поле на частотах прецессии ядерных парамагнетиков.
На фиг. 1 показана конфигурация прикладываемых полей в прототипе заявляемой полезной модели. В соответствии с фиг. 1 для детектирования полезного сигнала используется зондирующее излучение, действие которого на атомы щелочного металла уменьшает их время жизни в основном состоянии. Следствием этого процесса является снижение степени поляризации щелочных атомов, что в свою очередь приводит к уменьшению поляризации ядерных моментов и снижению отношения сигнал-шум регистрируемого сигнала.
Другим недостатком прототипа является наличие градиента эффективного магнитного поля, создаваемого неоднородным распределением поляризации атомов щелочного металла в оптически плотном слое камеры поглощения при прохождении циркулярно поляризованного зондирующего излучения. Существование подобного слоя обусловлено высокой плотностью щелочных паров, необходимой для реализации спинобменного процесса в смеси рабочего вещества (щелочной атом + инертный газ). При этом происходит уширение линии магнитного резонанса в ядерных парамагнетиках, что приводит к ухудшению точности измерений скорости вращения.
Технической проблемой, решаемой полезной моделью является разработка ядерного гироскопа с оптической накачкой, в котором отсутствует измерительная погрешность, связанная с негативным влиянием зондирующего излучения на атомы рабочего вещества.
Решение указанной технической проблемы достигается тем, что в известном ядерном гироскопе, содержащем два оптических тракта, в первом из которых последовательно расположены источник накачки, первый циркулярный поляризатор, первая камера поглощения с парами щелочного металла и тремя изотопами ядерных парамагнетиков, охваченная радиочастотной катушкой, ось которой перпендикулярна оси первого оптического тракта, во втором оптическом тракте последовательно размещены второй циркулярный поляризатор и фотодетектор, подключенный к схеме обработки, первый выход которой подключен к радиочастотной катушке, а второй - к схеме регистрации скорости вращения, причем первая камера поглощения помещена в магнитный экран, внутри которой установлены магнитные катушки, подключенные к блоку питания, между источником накачки и первым циркулярным поляризатором размещена светоделительная призма, к которой присоединен световод, выход которого установлен на оптической оси второго оптического тракта, перед вторым циркулярным поляризатором, вблизи первой камеры поглощения между вторым циркулярным поляризатором и фотодетектором установлена вторая камера поглощения с парами щелочного металла, идентичного парам щелочного металла в первой камере поглощения, при этом оптические оси первого и второго оптических трактов взаимно перпендикулярны, оптическая ось второго оптического тракта параллельна оси радиочастотной катушки, а ось магнитных катушек параллельна оптической оси первого оптического тракта и проходит через точку, расположенную на середине расстояния между центрами первой и второй камер поглощения
Технический положительный результат предлагаемой схемы ядерного гироскопа состоит в уменьшении влияния резонансного излучения на интенсивность и ширину линий ядерных парамагнетиков, вследствие пространственного разнесения оптических трактов накачки и детектирования. Поскольку первая камера поглощения первого оптического тракта не подвергается воздействию зондирующего излучения, в заявляемом устройстве принципиально отсутствует эффект уменьшения степени поляризации атомов рубидия, вызванный соответствующей оптической релаксацией. Использование второй камеры поглощения с атомами рубидия позволяет реализовать высокочувствительный датчик магнитной индукции, регистрирующий сигнал прецессии ядерной намагниченности в первой камере поглощения. В отличие от первой камеры поглощения первого оптического тракта во второй камере поглощения второго оптического тракта содержатся только пары щелочного металла (то есть отсутствует инертный газ ядерных парамагнетиков), причем эффект релаксации атомов рубидия на стенках камеры поглощения может быть резко ослаблен применением антирелаксационных покрытий. В этих условиях тепловое движение атомов рубидия приводит к кинетическому усреднению градиентов магнитного поля во второй камере поглощения, создаваемых отмеченным выше неоднородным распределением поляризации атомов щелочного металла в оптически толстом слое первой камеры поглощения под действием циркулярно поляризованного света накачки. В заявляемом устройстве зондирующее излучение не поступает в первую камеру поглощения, что в условиях оптически плотного слоя не приводит к образованию соответствующего магнитного градиента, уширяющего линию магнитного резонанса ядерных парамагнетиков. При этом использование высокочувствительного датчика магнитной индукции позволяет снизить мощность накачки и, таким образом уменьшить как абсолютную величину эффективных магнитных полей, так и их градиент, влияющий на время поперечной релаксации. В свою очередь, совокупность указанных схемных элементов позволяет уменьшить измерительную погрешность, связанную с негативным влиянием зондирующего излучения на атомы рабочего вещества.
Сущность полезной модели поясняется графическим материалом (фиг. 1), (фиг. 2) и (фиг. 3).
На Фиг. 1. представлена конфигурация прикладываемых полей в прототипе полезной модели ядерного гироскопа.
На фиг. 2 изображена схема предлагаемой полезной модели ядерного гироскопа с лазерной оптической накачкой щелочных атомов.
На Фиг. 3. представлена конфигурация прикладываемых полей в полезной модели ядерного гироскопа.
В схеме на фиг. 1 приняты следующие обозначения:
1 - камера поглощения,
2 – фотодетектор,
H
L - циркулярно поляризованное излучение света накачки,
X
L - циркулярно поляризованное зондирующее излучение,
0
Н - постоянное магнитное поле,
1
Hcosωt - линейно поляризованное радиочастотное магнитное поле на частоте модуляции ω,
1
2
3
1
2
3
h⋅cosωt+h⋅cosωt+h⋅cosωt - линейно поляризованное радиочастотное поле на частотах прецессии ядерных моментов ω, ω и ω,
87
83
129
131
⇒ - атомы Rb, Δ - атомы Kr, O - атомы Хе,  - атомы Хе.
В схеме на фиг. 2 приняты следующие обозначения:
1 - первая камера поглощения,
2 – фотодетектор,
3 - источник накачки,
4 - первый циркулярный поляризатор,
5 - радиочастотная катушка,
6 - второй циркулярный поляризатор,
7 - схема обработки,
8 - схема регистрации скорости вращения,
9 - магнитный экран,
10 - магнитные катушки,
11 - блок питания,
12 - светоделительная призма,
13 - световод,
14 - вторая камера поглощения.
Центры первой и второй камер поглощения 1 и 14 пересекают линии у, у* и у**, при этом центр первой камеры поглощения 1 расположен в точке пересечения линий х* и z*, а центр второй камеры поглощения 14 расположен в точке пересечения линий х** и z**. Центр пересечения линий х и z расположен на оси у, совпадающей с осями у* и у**, и проходит через точку соприкосновения первой и второй камер поглощения 1 и 14.
В схеме на фиг. 3 приняты следующие обозначения:
Ось X совпадает с осью магнитных катушек 10.
Ось X* совпадает с оптической осью первого оптического тракта.
Ось Z** совпадает с оптической осью второго оптического тракта.
0
1
Вдоль осей X, X*, X** приложено модулированное с частотой ω магнитное поле Н+Hcosωt.
H
Вдоль оси X* направлено циркулярно поляризованное излучение света накачки L.
Д
Вдоль оси Z** направлено циркулярно поляризованное зондирующее излучение L.
1
2
3
Вдоль оси Z* направлено линейно поляризованное радиочастотное поле на частотах прецессии ядерных моментов ω, ω и ω.
Оси У, У* и У** совпадают и проходят через центры первой 1 и второй 14 камер поглощения.
Центр первой камеры поглощения 1 совпадает с точкой пересечения осей X* У*.
Центр второй камеры поглощения 14 совпадает с точкой пересечения осей X** У**.
Оси Х* и X** проходят через точку, расположенную на середине расстояния между центрами первой 1 и второй 14 камер поглощения.
В соответствии с фиг. 2 ядерный гироскоп содержит два оптических тракта, в первом из которых последовательно расположены источник накачки 3, первый циркулярный поляризатор 4, первая камера поглощения 1 с парами щелочного металла и тремя изотопами ядерных парамагнетиков, охваченная радиочастотной катушкой 5, ось которой перпендикулярна оси первого оптического тракта, во втором оптическом тракте последовательно размещены второй циркулярный поляризатор 6 и фотодетектор 2, подключенный к схеме обработки 7, первый выход которой подключен к радиочастотной катушке 5, а второй - к схеме регистрации скорости вращения 8, причем первая камера поглощения 1 помещена в магнитный экран 9, внутри которой установлены магнитные катушки 10, подключенные к блоку питания 11, между источником накачки 3 и первым циркулярным поляризатором 4 размещена светоделительная призма 12, к которой присоединен световод 13, выход которого установлен на оптической оси второго оптического тракта, перед вторым циркулярным поляризатором 6, вблизи первой камеры поглощения 1 между вторым циркулярным поляризатором 6 и фотодетектором 2 установлена вторая камера поглощения 14 с парами щелочного металла, идентичного парам щелочного металла в первой камере поглощения 1, при этом оптические оси первого и второго оптических трактов взаимно перпендикулярны, оптическая ось второго оптического тракта параллельна оси радиочастотной катушки 5, а ось магнитных катушек параллельна оптической оси первого оптического тракта и проходит через точку, расположенную на середине расстояния между центрами первой и второй камер поглощения.
Ядерный гироскоп работает следующим образом.
В соответствии с фиг. 2 излучение источника накачки 3 проходит через светоделительную призму 12, в которой осуществляется разделение светового излучения на два пучка, первый из которых проходит через первый циркулярный поляризатор 4 первого оптического тракта, а второй - поступает на вход световода 13, с выхода которого второй пучок проходит через второй циркулярный поляризатор 6 второго оптического тракта.
Z
0
1
0
0
1
n
1
2
3
n
1
2
3
Д
Д
Д
Д
0
1
1
2
3
1
2
3
После прохождения первого циркулярного поляризатора 4 свет накачки L становится циркулярно поляризованным и осуществляет оптическую ориентацию (поляризацию) щелочного металла (например, атомов рубидия) вдоль направления постоянного магнитного поля Н, создаваемого магнитными катушками 10, которые питаются от блока питания 11. С помощью этого же блока питания 11 в магнитные катушки 10 подается переменное напряжение, которое создает в зоне размещения первой камеры поглощения 1 переменное магнитное поле Hcosωt, модулирующее по амплитуде величину постоянного магнитного поля Н, на частоте ω. Таким образом, в центре магнитных катушек 10 действует магнитное поле, величина которого изменяется по закону Н+Hcosωt, при этом, вследствие высокой однородности этого поля, создаваемого магнитными катушками 10, по такому же закону будет изменяться магнитное поле и в зоне размещения первой и второй камер поглощения 1 и 14 (фиг. 3). Для ослабления влияния внешнего магнитного поля и его градиентов осуществляется магнитное экранирование первого и второго оптических трактов с помощью магнитного экрана 9. Оптически ориентированные атомы рубидия в первой камере поглощения 1 взаимодействует с атомами ядерных парамагнетиков (атомами инертного газа) через спиновый обмен, посредством которого атомы ядерных парамагнетика приобретают макроскопический магнитный момент M, ориентированный вдоль направления света накачки. С выхода схемы обработки 7 на радиочастотную катушку 5 поступает переменное напряжение на трех частотах, соответствующих резонансным частотам ядерных парамагнетиков в первой камере поглощения 1. Переменное магнитное поле радиочастотной катушки 5 h⋅cos ωt+h⋅cos ωt+h⋅cos ωt вызывает прецессию макроскопических магнитных моментов M в плоскости z* у* (фиг. 3), при этом в зоне размещения второй камеры поглощения 14 индуцируется переменные магнитные поля, частоты которых равны частотам прецессии атомов ядерных парамагнетиков ω, ω и ω в первой камере поглощения 1. Для регистрации переменных магнитных полей, создаваемых прецессией намагниченностей ядерных моментов, вторая камера поглощения 14 используется в составе квантового магнитометра, принцип действия которого основан на эффекте Ханле. Подобный эффект наблюдается в виде изменения интенсивности зондирующего излучения L, проходящего через вторую камеру поглощения 14 при вариациях магнитного поля, ориентированного под углом 90 градусов к направлению излучения L(фиг. 3). Зондирующее излучение L проходит через второй циркулярный поляризатор 6 второго оптического тракта и становится циркулярно поляризованным. Далее это циркулярно поляризованное излучение Lпоступает во вторую камеру поглощения 14 с атомами щелочного металла и осуществляет их поляризацию в виде макроскопического магнитного момента атомов рубидия. Прецессия этого момента в магнитном поле Н+Hcosωt вызывает изменение прозрачности второй камеры поглощения 14 на частоте модуляции ω (фиг. 3), что приводит к модуляции тока в фотодетекторе 2. В зоне размещения второй камеры поглощения 14 осуществляется дополнительная модуляция магнитного поля на частотах ω, ω и ω, обусловленная прецессией макроскопических магнитных моментов в первой камере поглощения 1. При этом ток фотодетектора 2 соответственно модулируется по амплитуде на этих частотах. Сигнал с выхода фотодетектора 2 поступает на вход схемы обработки 7, которая осуществляет разделение входного сигнала на три составляющие, частоты которых соответственно равны ω, ω и ω и связаны, как и в прототипе заявляемой модели ядерного гироскопа, следующей функциональной зависимостью:
1
2
3
1
2
3
где константы γ, γ, γ, b, b, b определяются из эксперимента, а константа λ является третьей неизвестной в системе приведенных уравнений, решение которых для измеряемого гироскопического сдвига частоты Ω имеет вид:
0
1
2
2
3
2
3
1
2
-1
где Н=[(ω-ω)(b-b)-(ω-ω)(b-b)]х
1
2
2
3
2
3
1
2
-1
λ=-[(ω-ω)(γ-γ) -(ω-ω)(γ-γ)]х
1
2
2
3
2
3
1
2
x=(γ-γ)(b-b)-(γ-γ)(b-b)
Информация о гироскопическом сдвиге частоты Ω считывается схемой регистрации 8, на вход которой поступает сигнал с второго выхода схемы обработки 7.
1
2
3
х
129
131
81
129
131
81
Конструкция схемы обработки 7 может быть выполнена в виде подключенной к фотодетектору 2 трехканальной системы, каналы которой настроены соответственно на частоты ядерной прецессии ω, ω и ω. При этом каждый канал состоит из аналого-цифрового преобразователя и микроконтроллера, обеспечивающих цифровую фильтрацию входного сигнала и фазовую автоподстройку частоты опорного генератора, реализуемого программными средствами микроконтроллера и внешнего цифро-аналогового преобразователя. В рабочем магнитном поле 1000 нТл частоты ядерных парамагнетиков Хе, Хе и Kr примерно равны 12 Гц, 3,5 Гц и 1,6 Гц соответственно. Для таких частот в качестве аналого-цифрового преобразователя, микроконтроллера и цифро-аналогового преобразователя можно использовать полупроводниковые схемы, такие как микроконтроллер C8051F120 (Silicon Laboratories) со встроенным восьмиканальным 12-разрядным аналогово-цифровым преобразователем и двумя встроенными 12-разрядными цифро-аналоговыми преобразователями. В схеме автоподстройки частоты опорного генератора нецелесообразно использование модуляционной методики сканирования резонансной частоты вследствие ее относительно низких значений для ядерных парамагнетиков (гиромагнитные отношения ядер ксенона и криптона равны: Хе - 11,86 МГц/Тл, Хе - 3,516 МГц/Тл, Kr - 1,644 МГц/Тл), поэтому в качестве такой схемы в заявляемом устройстве может быть реализована система фазовой автоподстройки частоты опорного генератора, практикуемая в не самогенерирующих магнитометрах М типа и не использующая вышеназванную модуляционную методику. В лабораторной системе координат сигнал такого магнитометра содержит две квадратурные компоненты - поглощения и дисперсии, сдвинутые по фазе на 90°. В окрестности резонансного значения частоты радиочастотного поля сигнал дисперсии, выделяемый фазовым детектором схемы автоподстройки, проходит через нуль в точном резонансе и используется в качестве сигнала ошибки для подстроки частоты опорного генератора под резонансную частоту. В качестве схемы регистрации 8 может быть использован микроконтроллер, алгоритм работы которого предусматривает определение скорости вращения устройства в соответствии с формулой (3).
-9
-6
-3
Чувствительность магнитометра на параметрическом резонансе (минимально возможная детектируемая вариация) составляет величину на уровне 10 Э, что позволяет уверенно детектировать сигнал прецессии ядерных моментов атомов гелия в камере поглощения, расположенной как и в предлагаемом устройстве вблизи камеры поглощения магнитометра. Подобный сигнал в виде затухающей прецессии ядерных моментов атомов гелия-3 наблюдался в эксперименте [С Cohen-Tannoudji, J. Dupon-Roc, S. Haroche, F. Laloe // Phys.Rev.Lett. v. 22, 758 (1969)] в течение 11 часов, что более чем на порядок превышает обусловленное градиентами рабочего магнитного поля время поперечной релаксации ядерных моментов гелия-3, поляризованного в условиях спинобменных взаимодействий с оптически ориентированными парами щелочных металлов [Dynamics of two overlapping spin ensembles interacting by spin exchange // T.W. Kornack, M.V. Romalis Phys.Rev.Lett. v. 89, №25 (2002) с. 253002-1-4]. По данным этой работы оптическая накачка смеси паров калия и инертных газов (гелий-3 и неон) величины неоднородного эффективного магнитного поля, создаваемого атомами электронного и ядерного парамагнетиков, составляли соответственно величину 10 Э и 10 Э при мощности лазерной накачки 100 мВт. В заявляемом устройстве высокая чувствительность магнитометра позволяет снизить мощность накачки и, таким образом, уменьшить как абсолютную величину эффективных магнитных полей, так и их градиент, влияющий на время поперечной релаксации. Поскольку этот параметр в конечном итоге определяет предельную чувствительность гироскопа сопоставление экспериментальных данных, полученных в указанных работах, позволяет сделать вывод о возможности снижения измерительной погрешности более чем на порядок.