Квантовый гироскоп

Полезная модель относится к технике квантовых датчиков для измерений скорости вращения несущих конструкций и может быть использована в телекоммуникационных системах инерциальной навигации.
К аналогам полезной модели относятся самогенерирующие парощелочные устройства с оптической накачкой. [Е.Б. Александров, А.К. Вершовский Современные радиооптические методы квантовой магнитометрии, УФН. Том 179, №6 стр. 605-637]. Подобное устройство состоит из датчика и усилителя обратной связи. Датчик 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. Радиочастотные катушки усиливают полученный сигнал и создают магнитное поле, служащее для возбуждения сигнала радиооптического резонанса.
Недостатком аналога являются сдвиги резонансной частоты, связанные с действием света накачки и асимметрией линии радиооптического резонанса в условиях неразрешенного контура линии поглощения. При этом точность определения резонансного магнитного поля, как правило, не превышает единиц нТл, и обуславливает низкую воспроизводимость показаний от включения к включению даже в идеально стабилизированном поле.
1
2
3
1
2
3
К аналогам полезной модели относятся также квантовый гироскоп, в котором используется эффект спинового обмена между атомами рабочего вещества [E. Kanegsberg, Nuclear magnetic resonance gyroscope №7289210 B1 от 19.04.2006]. Аналог содержит камеру поглощения с атомами щелочного металла и трех изотопов ядерных парамагнетиков, источники 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 ω, ω, ω, в которых учитывается поправка, связанная с вращением устройства. Принципиальным недостатком аналога является наличие погрешности измеряемых частот ω, ω и ω, которая связана с различием эффективного магнитного поля, создаваемого намагниченностью обмена при столкновениях с оптически ориентированными атомами щелочного металла.
Ближайшим аналогом заявляемой полезной модели является ядерный гироскоп с одной ячейкой, работающий на базе двух спиновых генераторов с оптической ориентацией нечетных изотопов ртути [Малеев П.И., Новые типы гироскопов, Из-во Л.: Судостроение, 1971. - С. 160, см. с. 101-104].
Квантовый гироскоп, принятый в качестве прототипа [Малеев П.И., Новые типы гироскопов, Из-во Л.: Судостроение, 1971. - С. 160, см. с. 101, рис. 59], содержит схему обработки выходного сигнала и два взаимно перпендикулярных оптических тракта с общей камерой поглощения, первый из которых содержит источник накачки, установленный перед камерой поглощения, охваченной радиочастотной катушкой и помещенной в центр катушки постоянного магнитного поля, ось которой совпадает с осью первого оптического тракта, а ось радиочастотной катушки ориентирована перпендикулярно осям первого и второго оптических трактов, причем второй оптический тракт содержит фотодетектор, установленный перед камерой поглощения и подключенный к усилителю обратной связи.
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
Измерение частот ω и ω и фаз ϕ и ϕ прецессии магнитных моментов двух ансамблей ориентированных ядер ртути осуществляется путем регистрации амплитудно-модулированного излучения, проходящего через камеру поглощения вдоль луча опроса второго оптического тракта. При этом сигналы спиновых генераторов сравниваются с опорными сигналами от рубидиевых или цезиевых квантовых стандартов частоты. Частоты ω и ω и фазы ϕ и ϕ модуляции луча опроса детектируются фотоприемником, сигнал с которого подается в измерительное устройство и через цепи обратной связи на катушку, создающую переменное магнитное поле. Использование в одной камере поглощения двух типов ядер с различными гиромагнитными отношениями γ и γ позволяет снизить требования к стабильности поля, при этом угловая скорость вращения гироскопа Ω определяется выражением
-5
Принципиальным недостатком прототипа являются измерительные погрешности, связанные со световым сдвигом частоты радиооптического резонанса, который обусловлен действием на атомы рабочего вещества нерезонансных компонент света накачки [.S. Mathur, Н. Tang, W. Happer, Light Shifts in the Alkali Atoms // Phys. Rev. - 1968. - v171. - №1, p. 11.]. В соответствии с работой [W. Happer, Optical pumping // Rev. Mod. Phys. - 1972. - №2, p. 169-249] световые сдвиги частоты радиооптического резонанса в изотопах ртути достигают экспериментальных значений в несколько десятых герца при темпах накачки, обеспечивающих надежное детектирование резонансного сигнала. При указанных данных для измерения частоты вращения Земли (~ 10 Гц) необходимо обеспечить относительную стабильность излучения накачки на уровне 0,01%, что требует использования соответствующих схем контроля и стабилизации параметров источников оптической накачки.
Задачей полезной модели является разработка квантового гироскопа с оптической накачкой, в котором отсутствует измерительная погрешность, связанная со световым сдвигом резонансной частоты.
Поставленная задача достигается тем, что в известном квантовом гироскопе, содержащем схему обработки выходного сигнала и два взаимно перпендикулярных оптических тракта с общей камерой поглощения, первый из которых содержит последовательно расположенные первый лазерный источник накачки, камеру поглощения, охваченную первой радиочастотной катушкой и помещенной в центр катушки постоянного магнитного поля, подключенной к блоку питания, а также первый приемный фотодетектор, подключенный к первому усилителю. Второй оптический тракт содержит последовательно расположенные второй лазерный источник накачки и камеру поглощения. В камеру поглощения введены пары щелочного металла, источники накачки выполнены в виде лазеров, настроенных на циклические электродипольные переходы паров щелочного металла, между первым и вторым источниками накачки и камерой поглощения соответственно помещены первый и второй линейный поляризаторы и добавлена охватывающая камеру поглощения вторая радиочастотная катушка, оси первой и второй радиочастотных катушек соответственно ориентированы вдоль второго и первого оптических трактов, перпендикулярно плоскости которых ориентирована ось катушки постоянного магнитного поля, радиочастотные катушки выполнены в виде двух отдельных первой и второй секций, после камеры поглощения во втором оптическом тракте установлен второй фотодетектор, подключенный ко второму усилителю, выход первого усилителя подключен к входу первого делителя частоты, выход второго усилителя через фазовращатель (значение необходимого фазового сдвига переменного напряжения на выходе фазовращателя 16 зависит как от величины рабочего магнитного поля, так и вида рабочего вещества в камере поглощения) подключен к входу второго делителя частоты, при этом первые выходы первого и второго делителей частоты соответственно подключены к входам первого и второго 90° фазовращателей, вторые - к первой и второй секциям первой радиочастотной катушки, третьи - к первому и второму входу схемы обработки выходного сигнала, а вторые выходы первого и второго 90° фазовращателей, соответственно подключены к первой и второй секциям второй радиочастотной катушки.
Сущность полезной модели поясняется графическим материалом (фиг. 1 и фиг. 2).
На фиг. 1 изображена схема предлагаемой полезной модели квантового гироскопа с лазерной оптической накачкой атомов щелочных металлов. В схеме на фиг. 1 приняты следующие обозначения:
1 - схема обработки выходного сигнала,
2 - камера поглощения,
3, 9 - первый и второй лазерные источники накачки с поясняющей надписью на фиг. 1 L1 и L2 соответственно,
4, 12 - первая и вторая радиочастотные катушки с поясняющей надписью на фиг. 1 рч1 и рч2 соответственно,
5 - катушка постоянного магнитного поля,
6 - блок питания катушки постоянного магнитного поля,
7, 13 - первый и второй приемные фотодетекторы, на фиг.1 с поясняющей надписью ФД1 и ФД2 соответственно,
8 - первый усилитель обратной связи,
14 - второй усилитель обратной связи,
10, 11 - первый и второй линейные поляризаторы, на фигуре с поясняющей надписью П1 и П2 соответственно,
1
2
15, 17 - первый и второй делители частоты с поясняющей надписью ƒ/2 и ƒ/2 соответственно,
16 - фазовращатель с поясняющей надписью Δϕ на фиг. 1 (обеспечивает сдвиг фазы на заданное значение Δϕ),
18, 19 - первый и второй на 90° фазовращатели.
199
201
80
80
Схема и описание прототипа заявляемого изобретения - ядерного гироскопа на базе двух спиновых генераторов с одной ячейкой на изотопах ртути Hg, Hg с оптической ориентацией ядер представлена в [Малеев П.И., Новые типы гироскопов, Из-во Л.: Судостроение, 1971. - С. 160, см. с. 101, рис 59].
На фиг. 2 показана схема электродипольных циклических переходов Д2 линии в атомах щелочных металлов с ядерным спином 3/2.
На фиг. 2 приняты следующие обозначения:
1
2
L, L - электродипольные циклические переходы под действием излучения лазерной накачки от двух независимых источников,
g
F - полный момент атома,
1/2
S - основное состояние атомов щелочных металлов,
e
F - величина прецессии атомного спина,
F
m - накопление атомов на магнитных подуровнях,
3/2
Р - возбужденное состояние атомов щелочных металлов.
Квантовый гироскоп содержит схему обработки выходного сигнала 1 и два взаимно перпендикулярных оптических тракта с общей камерой поглощения 2, первый из которых содержит последовательно расположенные первый источник накачки 3, камеру поглощения 2, охваченную первой радиочастотной катушкой 4 и помещенную в центр катушки постоянного магнитного поля 5, подключенной к блоку питания 6, а также первый приемный фотодетектор 7, подключенный к первому усилителю 8, причем второй оптический тракт содержит последовательно расположенные второй источник накачки 9 и камеру поглощения 2, между первым источником накачки 3 и вторым источником накачки 9 и камерой поглощения 2 соответственно помещены первый и второй линейный поляризаторы 10 и 11 и добавлена охватывающая камеру поглощения 2 вторая радиочастотная катушка 12, оси первой и второй радиочастотных катушек 4 и 12 соответственно ориентированы вдоль второго и первого оптических трактов, перпендикулярно плоскости которых ориентирована ось катушки постоянного магнитного поля 5, радиочастотные катушки 4 и 12 выполнены в виде двух отдельных первой и второй секций, после камеры поглощения 2 во втором оптическом тракте установлен второй фото детектор 13, подключенный ко второму усилителю 14, выход первого усилителя 8 подключен к входу первого делителя частоты 15, выход второго усилителя 14 через фазовращатель 16 подключен к входу второго делителя частоты 17, при этом первые выходы первого и второго делителей частоты 15 и 17 соответственно подключены к входам первого и второго 90° фазовращателей 18 и 19, к первой и второй секциям первой радиочастотной катушки 4, и к первому и второму входу схемы обработки выходного сигнала 1, а выходы первого и второго 90° фазовращателей 18 и 19, соответственно подключены к первой и второй секциям второй радиочастотной катушки 12.
В качестве блока питания 6 катушки постоянного магнитного поля 5 может быть использован промышленный вариант источника постоянного тока [Программируемый источник питания RIGOL DP832]. В качестве делителей частоты на два 15 и 17 могут быть использованы цифровые счетчики на промышленных логических микросхемах. В качестве фазовращателей 16, 18 и 19 могут быть использованы радиотехнические схемы вида [SiLabs C8051F020 8051 8-bit Microcontroller]. В качестве схемы обработки выходного сигнала на разностной частоте может быть использована схема с программным управлением на базе персонального компьютера с опорным сигналом от квантового стандарта частоты [Рубидиевый стандарт частоты FE-5680A 10 МГц].
Квантовый гироскоп работает следующим образом.
3/2
1
2
1/2
F
g
F
g
g
g
g
Световые пучки от источников оптической накачки 3 и 9, проходя через линейные поляризаторы 10 и 11, становится линейно поляризованным и далее поступает в камеру поглощения 2 с парами щелочного металла. Действие этого линейно поляризованного излучения на атомы щелочных металлов приводит к перераспределению населенностей на магнитных подуровнях основного состояния таким образом, что большинство атомов рабочего вещества накапливаются на магнитных подуровнях с наибольшим по модулю значением проекции магнитного квантового числа как это показано на фиг. 2. В технике оптической накачки этот процесс получил название эффекта выстраивания атомных спинов [см. например G.Di Domenico, G. Bison, S. Groeger, P. Knowles, A.S. Pazgalev, M. Robertez, H. Saudan, A. Weis. - Experimental study of laser-detected magnetic resonance based on atomic alignment. - Phesical Review A 74, p. 063415-1-063415-8, 2006]. Ha фиг. 2 представлена часть схемы энергетических магнитных подуровней щелочных атомов с ядерным спином 3/2, где двойными стрелками показаны электродипольные циклические переходы под действием излучения лазерной накачки от двух независимых источников, пунктирные стрелки показывают спонтанные переходы из возбужденного состояния Р. В соответствии с фиг. 2 действие двух источников накачки L и L на атомы щелочного металла в основном состоянии S приводит к накоплению атомов на магнитных подуровнях m=±2 состояния сверхтонкой структуры с полным моментом атома F=2 u m=±1 состояния сверхтонкой структуры с полным моментом атома F=1. Этот процесс осуществляется в парощелочных камерах поглощения с антирелаксационным покрытием за счет спонтанных переходов с правилом отбора для полного момента атома ΔF=1 (показанных пунктирными стрелками на фиг. 2), что позволяет детектировать эффект выстраивания атомов в состояниях F=1 и F=2 как в двух независимых атомных ансамблях. Подобное детектирование осуществляется на двойной частоте Лармора путем воздействия вращающегося радиочастотного поля на частоте Лармора, создаваемого первой 4 и второй 12 радиочастотными катушками в плоскости, перпендикулярно которой приложено постоянное магнитное поле, создаваемое катушкой 5 с помощью блока питания 6. При этом оптические оси линейных поляризаторов 10 и 11 устанавливаются под углом 90° к направлению постоянного магнитного поля, что, в соответствии с [G.Di Domenico, G. Bison, S. Groeger, P. Knowles, A.S. Pazgalev, M. Robertez, H. Saudan, A.Weis. - Experimental study of laser-detected magnetic resonance based on atomic alignment. - Physical Review A 74, p. 063415-1-063415-8, 2006]. исключает формирование сигнала прецессии на частоте Лармора. Действие вращающегося радиочастотного поля на атомы щелочного металла (например, атомов щелочных металлов с ядерным спином 3/2) приводит к модуляции проходящего через камеру поглощения 2 света накачки от лазерных источников 3 и 9, что приводит к появлению сигналов переменного тока на удвоенной частоте Лармора, соответственно фиксируемых фото детекторами 7 и 13.
g
1
g
Сигнал переменного тока с выхода фотодетектора 7 усиливается в усилителе обратной связи 8 первого оптического тракта и поступает на вход делителя частоты 15, на выходе которого формируется сигнал на частоте, равной частоте Ларморовской прецессии в состоянии с F=2. Этот сигнал поступает далее к входу первого 90° фазовращателя 18 и на вход первой секции первой радиочастотной катушки 4. С выхода первого 90° фазовращателя 18 сдвинутое по фазе переменное напряжение поступает на вход первой секции второй радиочастотной катушки 12, что при выполнении условий самовозбуждения приводит к возникновению автоколебаний на удвоенной частоте Лармора ω, соответствующей прецессии атомного спина в состоянии F=2.
g
g
По аналогичной схеме происходит формирование автоколебаний во втором оптическом тракте. Сигнал переменного тока с выхода фотодетектора 13 усиливается в усилителе обратной связи 14 второго оптического тракта и поступает на вход фазовращателя 16, на выходе которого формируется сигнал на удвоенной частоте Ларморовской прецессии. Этот сигнал поступает на вход делителя частоты 17, на выходе которого формируется переменное напряжение на частоте Лармора юг в состоянии с F=1. Далее это напряжение поступает на вход второго 90° фазовращателя 19 и на вход второй секции первой радиочастотной катушки 4. С выхода второго 90° фазовращателя 19 сдвинутое по фазе переменное напряжение поступает на вход второй секции второй радиочастотной катушки 12, что при выполнении условий самовозбуждения приводит к возникновению автоколебаний на удвоенной частоте Лармора, соответствующей прецессии атомного спина в состоянии F=1.
1
2
1
2
1
2
Функциональная роль фазовращателя 16 заключается в выравнивании частот прецессии ω и ω, что позволяет исключить зависимость разности частот ω и ω от внешнего магнитного поля и его вариаций. При равенстве этих частот частота сигнала, фиксируемого схемой обработки 1, равна удвоенной частоте вращения гироскопа относительно оси, задаваемой вектором внешнего магнитного поля. Значение необходимого фазового сдвига переменного напряжения на выходе фазовращателя 16 зависит как от величины рабочего магнитного поля, так и вида рабочего вещества в камере поглощения. Так, например, применительно к атомам цезия 133, в геомагнитном поле различие в частотах ω и ω составляет более 500 Гц и уменьшается до 10 Гц при работе в постоянном магнитном поле ~ 1 мкТл. При тех же условиях для атомов рубидия-87 различие в частотах прецессии в геомагнитном поле и поле 1 мкТл составляет 1,4 кГц и 14 Гц соответственно. Из приведенных оценок следует целесообразность использования в работе квантового гироскопа слабых магнитных полей, где несложно обеспечить необходимый фазовый сдвиг переменного напряжения на выходе фазовращателя 16. При этом использование двух вращающихся радиочастотных полей, каждое из которых действует лишь на одно из состояний сверхтонкой структуры щелочных атомов, принципиально исключает погрешности устройства, вызванные действием нерезонансной компоненты радиочастотного поля, наблюдаемые в технике магнитного резонанса при использовании линейно поляризованного переменного магнитного поля известные как сдвиги Блоха-Зигерта, см. например [Л.Н. Новиков, Г.В. Скроцкий, Нелинейные и параметрические эффекты в атомной радиоспектроскопии, - УФН, 1978, том 125, вып. 3, стр. 449-488].
Принципиальным преимуществом заявляемой полезной модели по сравнению с аналогами, где используется циркулярно поляризованное излучение накачки, является отсутствие так называемого светового сдвига частоты. Так, например, применительно к парам щелочных металлов в условиях их оптической ориентации циркулярно поляризованным излучением световой сдвиг содержит три составляющих [W. Happer, B.S. Mathur, Effective operator formalism in optical pumping, Phys. Rev. - 1967. - v163. - №1, P. 12-25]:
1. Скалярный сдвиг, одинаковый для всех магнитных подуровней сверхтонкой структуры.
2. Векторный сдвиг, вызванный эффективным магнитным полем, наводимым в среде циркулярно поляризованным излучением накачки (явление, известное как обратный эффект Фарадея).
F
3. Тензорный сдвиг, связанный с эффектом выстраивания атомов основного состояния и зависящий от магнитного квантового числа m.
В соответствии с указанной классификацией составляющих светового сдвига его скалярная компонента не влияет на резонансную частоту квантового гироскопа, поскольку частотный диапазон его работы не включает СВЧ переходы между подуровнями сверхтонкой структуры основного состояния щелочного атома.
Использование линейно поляризованного света накачки в заявленном устройстве позволяет на атомном уровне исключить эффективное магнитное поле и, следовательно - векторную компоненту светового сдвига.
1/2
F
F
Тензорная компонента светового сдвига в условиях выстраивания атомов щелочного металла одинаковым образом смещает магнитные подуровни основного состоянии S с m=±2 и с m=±1, поэтому также не влияет на резонансную частоту квантового гироскопа.
Указанные особенности схемного построения заявляемого квантового гироскопа позволяют достигнуть положительного результата, заключающегося в устранении измерительной погрешности, вследствие компенсации светового сдвига резонансной частоты атомов рабочего вещества.