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PATENTANSPRÜCHE
1. Magnetisches Kernresonanzgyroskop zur Erzeugung von Signalen, welche repräsentativ für die Winkelverschiebung des Gyroskops um eine Abfühlachse sind, gekennzeichnet durch eine magnetische Kernresonanzzelle, die ein Gas oder ein Dampf eines optisch pumpfähigen Stoffes, der ein atomares magnetisches Moment aufweist, enthalten; zwei weitere Gase, welche jedes ein magnetisches Kernmoment aufweisen und sich ebenfalls in derKernresonanzzelle befinden, wobei die magnetischen Kernmomentejedes der Gase mit Kernmoment wenigstens teilweise durch Kollision von Atomen jedes der Gase mit magnetischem Kernmoment mit Atomen des genannten optisch pumpfähigen Stoffes ausgerichtet sind, um teilweise die Ausrichtung von der Substanz auf jedes der genannten Gase zu übertragen;
erste Mittel zum Anlegen eines zeitlich konstanten Magnetfeldes an die Zelle, im wesentlichen in der Richtung einer vorbestimmtenAbfühlachse, welche als Z-Achse bezeichnet wird; zwei Mittel zum Beleuchten der Zelle mit optischem Pumplicht, das in der Lage ist, die magnetischen Momente der genannten optischen pumpfähigen Substanz in der z-Richtung durch Absorption des Lichtes teilweise auszurichten, wobei das Licht mindestens eine elektrische Feldkomponente in Richtung der z-Achse aufweist; dritte Mittel zum Anlegen eines magnetischen Wechselträgerfeldes in der Richtung der z-Achse an die Zelle;
vierte Mittel zum Beleuchten der Zelle mit Messlicht mit einer Wellenlänge annähernd gleich der Wellenlänge, welche durch die genannte optisch pumpfähige Substanz absorbiert werden kann, wobei das Messlichtmindestens eine elektrische Feldkomponente senkrecht zur z-Achse aufweist, um Modulationen in der Intensität des durchgelassenen Teils des Messlichtes im wesentlichen mit der Frequenz von mindestens einer harmonischen inklusive der Grundschwingung des magnetischen Wechselträgerfeldes zu erzeugen;
fünfte Mittel zum Präzessieren der ausgerichteten kernmagnetischen Momente jedes der Gase mit Kernmomenten um die z-Achse bei den entsprechenden Larmorpräzessionsfrequenzen jedes Gases mit sechsten Mitteln zur Anlegung eines magnetischen Rückkopplungswechselfeldes bei der detektierten Larmorpräzessionsfrequenz jedes der Gase mit Kernmomenten in einer Richtung senkrecht zur z-Achse und siebten Mitteln zur Detektierung der Phase der Larmorpräzessionsfrequenz zur Steuerung der entsprechenden Phasen des magnetischen Rückkopplungswechselfeldes, im wesentlichen im Quadrat zur Phase der präzessierenden kernmagnetischen Momente jedes der Gase verwendet wird, um eine andauernde Präzession der Momente jedes der Gase zu bewirken;
achte Mittel zur Detektion von Modulationen in der Intensität des durchgelassenen Teils des detektierten Lichtes und zur Änderung der detektierten Modulationen in elektrische Signale; neunte Mittel zum elektrischen Demodulieren der Modulationssignale, um Signale zu erhalten, welche um die Larmorpräzessionsfrequenz jedes der Gase mit Kernmomenten variieren, um ein Signal, welches um die Differenz zwischen den Larmor- präzessionsfrequenzen variiert, wobei die Amplitude der Signale proportional zum Grad der Ausrichtung der kernmagnetischen Momente jedes Gases sind; zehnte Mittel zur genauen Steuerung der Grösse und Richtung des konstanten magnetischen Feldes;
und elfte Mittel zur Erzeugung von Signalen, die ein Mass für die Winkelverschiebung des Gyroskopes um die z-Achse als Phasenwechsel der Larmorpräzessionsfrequenz mindestens eines der Gase mit Kernmomenten sind.
2. Gyroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zeitlich konstante Magnetfeld eine spezielle Intensität aufweist, um zu bewirken, dass die Präzession des magnetischen Momentes der optisch pumpfähigen Substanz im wesentlichen bei einer Harmonischen der Frequenz des angelegten magnetischen Wechselträgerfeldes, inklusive der Grundfrequenz davon, auftritt.
3. Gyroskop nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gase mit magnetischem Kernmoment aus Xenon-Isotopen und Krypton-Isotopen bestehen,
4. Gyroskop nach Anspruch2,dadurch gekennzeichnet, dass das detektierte Licht im wesentlichen dieselbe Wellenlänge wie das optische Pumplicht aufweist.
5. Gyroskop nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Detektionslichtund das Pumplicht von derselben Lichtquelle herstammen.
6. Gyroskop nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Detektionslicht und das optische Pumplicht parallele elektrische Feldkomponenten eines einzelnen Lichtstrahles von der Lichtquelle sind (Fig. 5).
7. Gyroskop nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Detektionslicht und das optische Pumplicht nicht parallele elektrische Feldkomponenten eines einzelnen Lichtstrahles von der Lichtquelle sind (Fig. 3).
8. Gyroskop nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass Jo(yHi/we) = J2(yIl(oc), und.J eine Besselfunktion erster Art, nullter Ordnung, J2 eine Besselfunktion erster Art, zweiter Ordnung, y das gyromagnetische Verhältnis der pumpfähigen Substanz, H1 die magnetische Wechselfeldkomponente m Richtung der z Achse und o)2 die Winkelfrequenz des Wechselfeldträgers sind.
9. Gyroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die neunten Mittel einen Trägersignaldetektor umfassen, welcher Signale vomFotodetektor mit der Trägerfrequenz und Signale mit der doppelten Trägerfrequenz empfangen, um ein Kernpräzessionssignal und magnetische Steuersignale in der xund y-Achsezu erzeugen, wobei die x- und y-Achsen aufeinander senkrecht und senkrecht zur z-Achse sind und weiter ein Kernpräzessionslichtseparator zur Erzeugung von Signalen bei der Larmorpräzessionsfrequenz der Gase vorhanden ist, um ein Steuersignal für das magnetische Wechselfeld auf der x-Achse zu erzeugen, um Inkremente im magnetischen Feld z-Achse zu steuern.
10. Gyroskop nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zwölfteMittel zur Erzeugung eines Signales bei der Larmorpräzessionsfrequenz eines der Gaseund Frequenzvergleichungsmittel zum Empfangen von Signalen von den Frequenzmitteln und dem nuklearen Präzessionssignalseparator, zun ein Signal mit einer Phase zu erzeugen, welches bei der Differenzphase zwischen den empfangenen Signalen liegt, wobei das letzterzeugte Signal ein Mass für den Winkel ist, um welchen das Gyroskop um die z-Achse gedreht hat.
Die Erfiiadung bezieht sich auf ein magnetisches ECernreso- nanzgyroskop nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Es sind eine Reihe von Vorschlägen bekannt, die sich auf die Ausführung des Grundprinzips eines magnetischen Kernresonanzgyroskops oder kurz NMR-Gyroskops beziehen. Im allgemeinen wird ein über die magnetische Kernresonanz gesteuerter Oszillator verwendet und es wird eine Information über die Rotation aus den Phasen der Signale der Larmor-Präzession des Kernmomentes mittels einer geeigneten Schaltungzum Phasenvergleich und zur Steuerung des Magneffeldes erhalten.
Im allgemeinen zeigen diese Vorrichtungen bezeichnende Mängel, die die Entwicklung eines brauchbaren Instrumentes begrenzen. Beispielsweise sind diesen Vorrichtungen durch die relativ kurzen Relaxationszeiten der verwendeten Gase Grenzen gesetzt. Die enge direkte Kopplung zwischen diesen Gasen und dem Licht, das zur Ausrichtung des magnetischen Moments oder
zurBestimmung des magnetischen Moments verwendet wird, kann gleichfalls sowohl die Relaxationszeiten als auch das Signalrauschverhältnis begrenzen und der potentiellen Brauchbarkeit derartiger Instrumente Grenzen setzen.
Zum Stand der Technik wird im übrigen auf die US-PS 3 103 623,3 103 624,3 396 329,3 404 332,3 500 176,3 513 381 und 3 719 674 verwiesen.
Durch die Erfindung wird ein auf dem Grundprinzip der magnetischen Kernresonanz, die im folgenden kurz NMR genannt wird, beruhendes Gyroskopgeschaffen, das auf dem Prinzip der Feststellung der Trägheitswinkelrotationsgeschwindigkeit oder der Winkelversetzung um eine empfindliche Achse der Vorrichtung in Form einer Verschiebung der Larmorpräzessionsfrequenz oder -phase eines oder mehrerer Isotopen arbeitet, die magnetische Kernmomente aufweisen. Das Gyroskop ist aus einem Sensor für die Winkelrotation und der zugehörigen elektronischen Ausrüstung aufgebaut. Die Hauptelemente des Sensors sind eine Lichtquelle, eine NMR-Zelle, ein Photodetektor, ein Satz magnetische Abschirmungen und ein Satz von Magnetfeldspulen.
Die Hauptbauteile der elektronischen Ausrü stung sind Signalverarbeitungsschaltungen zum Gewinnen der Larmorpräzessionsfrequenz und der Phaseninformation sowie Schaltungen zum Erzeugen und Steuern verschiedener magnetischerFelder, und zwar sowohl konstanter als auch sich sinusförmig mit der Zeit ändernder Felder, die notwendig sind, damit die Vorrichtung richtig arbeitet.
Die NMR-Zelle ist in einem Satz magnetischer Abschirmungen angebracht, um äussere magnetische Felder auf annehmbare niedrige Feldstärken zu dämpfen. Die magnetischen Feldspulen werden dazu benutzt, die NMR-Zelle ausserordentlich gleichförmigen magnetischen Feldern auszusetzen. Sowohl ein zeitlich konstantes Magnetfeld als auch ein Wechselträgerfeld werden längs der empfindlichen Achse der Vorrichtung erzeugt, während Rückkopplungswechselfelder längs einer der Querachsen ausgebildet werden. Die magnetischen Gleichfelder längs beider Querachsen werden so gesteuert, dass sie im Grunde genommen gleich Null sind. Die NMR-Zelle enthält einen Alkalimetalldampf, beispielsweise Rubidium, zusammen mit zwei Isotopen eines oder mehrerer Edelgase, wie Krypton-83 und Xenon-129.
Ein Puffergas, wie beispielsweise Helium, kann gleichfalls in der Zelle enthalten sein.
Die NMR-Zelle wird von einem Strahl zirkular polarisierten Lichtes bestrahlt, der von einer Lichtquelle, wie beispielsweise einer Rubidiumlampe, ausgeht und durch die Zelle unter einem Winkel bezüglich des konstanten magnetischen Feldes hindurchgeht. Die Absorption eines Teils dieses Lichtes bewirkt, dass sich die atomaren magnetischen Momente der Rubidiumatome teilweise in der Richtung des konstanten magnetischen Feldes ausrichten. Diese Ausrichtung wird teilweise auf die magnetischen Kernmomente der Edelgase übertragen, und diese Momente werden dazu gebracht, eine Präzessionsbewegung um die Richtung des konstanten magnetischen Feldes auszuführen, was wiederum magnetische Felder erzeugt, die mit den jeweiligen Larmorpräzessionsfrequenzen der beiden Edelgase rotieren.
Diese rotierenden Felder modulieren die Präzessionsbewegungen der magnetischen Momente der Rubidiumatome, was wiederum entsprechende Modulationen des durchgelassenen Lichtes hervorruft, wodurch es möglich wird, optisch die Larmorpräzessionsfrequenzen der beiden Edelgase zu bestimmen.
Die Modulationen der Lichtintensität werden durch einen Photodetektor in elektrische Signale umgewandelt, die anschliessend elektronisch demoduliert und gefiltert werden, um Signale mit den Larmorpräzessionsfrequenzen der beiden Edelgase zu liefern. Der Unterschied zwischen den beiden Präzessionsfrequenzen wird dazu benutzt, das zeitlich konstante magnetische Feld genauso zu steuern, dass es einem Betrage nach gleichbleibt. Eine der Präzessionsfrequenzen der Edelgase wird mit einer Präzisionsbezugsfrequenz verglichen, und der sich daraus ergebende Frequenzunterschied ist die Winkelrotationsgeschwindigkeit des Gyroskops.
Die beiden ermittelten Signale der Edelgaspräzession werden gleichfalls dazu benutzt, zwei magnetische Rückkopplungswechselfelder auf den Larmorpräzessionsfrequenzen der Edelgase zu erzeugen, die dafür verantwortlich sind, dass die Präzession der magnetischen Kernmomente der Edelgase aufrechterhalten wird. Die Verwendung eines magnetischen Wechselträgerfeldes erleichtert die optische Bestimmung der die Präzessionsbewegung ausführenden Edelgasmomente und liefert gleichzeitig eine Möglichkeit der Steuerung der magnetischenGleichfelder längs der beiden Querachsen des Gyroskops.
Das erfindungsgemässe NMR-Gyroskop enthält Einrichtungen zum gleichzeitigen Ausrichten der magnetischen Kernmomente von zwei Gasen mit Kernmoment, wodurch sie eine Vorrichtung zur Ausrichtung von magnetischen Kernmomenten bildet, eine Einrichtung zum Erreichen einer aufrechterhaltenen Präzession dieser Momente, wodurch ein magnetischer Kernre sonanzoszillator gebildet wird, der andauernde Schwingungen ausführen kann, eine Einrichtung zur optischen Bestimmung dieser eine Präzession ausführenden Kernmomente, wodurch eine Vorrichtung zum Bestimmen der magnetischen Kernreso nanzgebildetwird, eine Einrichtung zum genauen Steuern des inneren magnetischen Feldes der Vorrichtung und eine Einrichtung zur genauen Messung der Frequenz oder Phase des ermittelten Signals der Präzession des Kernmomentes von wenigstens einem der Gase mit Kernmoment,
um eine Messung der Winkelrotationsgeschwindigkeit oder der Winkelversetzung jeweils der Vorrichtung bezüglich des Trägheitsraumes zu liefern, wodurch die Vorrichtung ein NMR-Gyroskop bildet.
Insbesondere wird ein zeitlich konstantes Magnetfeld an eine NMR-Zelle gelegt, die im wesentlichen gegenüber anderen zeitlich konstanten Magnetfeldern abgeschirmt ist. Die NMR Zelle enthält ein Gas oder den Dampf eines Stoffes, der ein atomares magnetisches Moment hat, das durch optisches Pumpen ausgerichtet werden kann, zusammen mit einem oder mehre ren zusätzlichen Gasen, von denen jedes ein magnetisches Kernmoment aufweist. Die NMR-Zelle wird durch optisches Pumplicht beleuchtet, das einen gerichteten Anteil aufweist, der parallel zur Richtung des stabilen magnetischen Feldes liegt, und das die richtige Wellenlänge hat, damit es durch den optisch pumpbaren Stoff absorbiert werden kann und teilweise die magnetischen Momente dieses Stoffes ausrichtet.
Die Kernmomente der Gase werden dazu gebracht, dass sie in eine zueinander ausgerichtete Lage kommen und mit ihren jeweiligen Larmorpräzessionsfrequenzen um die Richtung des konstanten magnetischen Feldes eine Präzessionsbewegung auszuführen.
Ein magnetisches Wechselfeld mit einer passenden Trägerfrequenz wird gleichfalls an die NMR-Zelle gelegt, und die Zelle wird durch Bestimmungslicht beleuchtet, das einen gerichteten Anteil hat, der senkrecht zur Richtung des magnetischen Wechselträgerfeldes liegt, und das eine Wellenlänge hat, die im wesentlichen gleich der des optischen Pumplichtes ist. Die Intensität des Teils des Bestimmungslichtes, der durch die Zelle durchgelassen wird, ist entsprechend der Gesamtheit der magnetischen Felder, die in der Zelle herrschen, einschliesslich der magnetischen Felder, die durch die magnetischen Kernmomente erzeugt werden, die eine Präzessionsbewegung ausführen, moduliert.
Diese Modulationen der durchgelassenen Lichtintensität werden von einem Photodetektor aufgenommen, woraufhin sie elektronisch demoduliert werden, um Signale mit den Larmorpräzessionsfrequenzen der Gase mit Kernmoment zu erhalten.
Die Ausrichtung der magnetischen Kernmomente jedes Gases wird durch Stosswechselwirkungen zwischen den Atomen des optisch pumpbaren Stoffes und den Atomen des Gases oder der Gase mit Kernmoment erreicht. Die andauernde Präzession der magnetischen Kernmomente jedes Gases wird durch das Anlegen eines magnetischen Wechselrückkopplungsfeldes mit Larmorpräzessionsfrequenz des Gases mit Kernmoment in einer Richtung erreicht, die senkrecht zur Richtung des konstanten magnetischen Feldesliegt.
Das magnetische Wechselträgerfeld wird mit im wesentlichen der Larmorpräzessionsfrequenz des optisch pumpbaren Stoffes und in einer Richtung erzeugt, die im wesentlichen parallel zur Richtung des konstanten Magnetfeldes liegt, wodurch die Vorrichtung mit höheren Werten der Feldstärke des konstanten magnetischen Feldes und mit entsprechend höheren Larmorpräzessionsfrequenzen für die Gase mit Kernmoment arbeiten kann.
Vorzugsweise befindet sich ein optisch pumpbarer Stoff, beispielsweise ein Alkalimetalldampf, in einer NMR-Zelle zusammen mit zwei Edelgasen. Die magnetischen Kernmomente der beiden Edelgase werden gleichzeitig durch Stosswechselwirkungen zwischen den Atomen des Alkalimetalldampfes und den Atomen der beiden Edelgase ausgerichtet. Bei diesembevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Alkalimetall Rubidium und sind die Edelgase Krypton-83 und Xenon-129.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, dass durch eine Selbstregelung des Feldes dafür gesorgt wird, dass die Stärke des konstanten Magnetfeldes unverändertbleibt, so dass der Unterschied zwischen den Larmorpräzessionsfrequenzen einen gleichbleibenden vorbestimmten konstanten Wert hat.
Erfindungsgemäss wird weiterhin eine der Larmorpräzessionsfrequenzen mit einer Präzisionsvergleichsfrequenz vergliechen und wird der sich daraus ergebende Frequenzunterschied dazu benutzt, eine Messung der Winkelversetzung oder der Winkelgeschwindigkeit der Vorrichtung um die Richtung des konstanten magnetischen Feldes zu liefern.
Diese und andere Merkmale der Erfindung werden im folgenden anhand der Beschreibung der Grundarbeitsprinzipien der Erfindung und der detaillierten Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Ziel der Erfindung ist einNMR-Gyroskop, das Gase mit Kernmoment verwendet, die lange Relaxationszeiten haben.
Im folgenden wird aas Grundarbeitsprinzip der erfindungsgemässen Vorrichtung näher eräutert:
Ein NMR-Gyroskop arbeitet auf dem Prinzip der Feststellung der Winkelrotationsgeschwindigkeit in Form einer Verschiebung der Larmorpräzessionsfrequenz einer oder mehrerer Atomkernarten, die magnetische Kernmomente aufweisen. Viele Esotope, und zwar gewöhnlich diejenigen mit einer ungeradzahligen Atommassezahl, haben ein ihnen eigenes Kerndrehmoment, d. h. einen sogenannten Kernspin. Zusammen mit einem derarti- gen Kerndrehmoment ist immer ein dazu paralleles magnetisches Moment vorhanden. Das Verhältnis zwischen dem magnetischen Kernmoment und dem Kerndrehmoment ist eine Konstante y, welche als gyromagnetisches Verhältnis bezeichnet wird und für jede Isotopenart einen bestimmten Wert annimmt.
Wird ein Kernspin in ein magnetisches Feld mit irgendeiner anderen Orientierung als einer zur Richtung des Feldes parallelen Orientierung gebracht, dann wird die Spinrichtung magnetischen Momentes eine Präzessionsbewegung um die Richtung des Feldes mit einer Winkelfrequenz COL ausführen, die auch die Larmorpräzessionsfrequenz genannt wird und gleich = = yH (1) ist, wobei w das gyromagnetische Verhältnis und H die magnetische Feldstärke sind. Jedes Isotop hat daher eine charakteristische Larmorpräzessionsfrequenz in einem gegebenen Magnetfeld.
Wenn sich ein System, das Atome enthält, selbst mit einer Rotationsfrequenz Or um die Feldrichtung H dreht, dann werden die beobachteten Präzessionsfrequenzen um einen Betrag gleich der Rotationsfrequenz verschoben, so dass die beobachtete Larmorpräzessionsfrequenz gleich: (ss = γH- #r (2) wird. Somit kann eine Messung der beobachteten Larmorfrequenz (ss als ein Mass der Rotationsgeschwindigkeit benutzt werden, wenn sowohl y als auch H bekannt sind.
Wenn die Larmorpräzessionsfrequenzen von zwei Isotopen, von denen jedes einen anderen y-Wert hat, im selben magnetischen Feld gemessen werden, dann kann die Rotationsgeschwindigkeit ohne eine direkte Kenntnis des Wertes des magnetischen Feldes gemessen werden. Die Gleichungen für die beiden Isotope sind: #a = γH - #r (3) #b = γbH - #r wobei )a und COb die beobachteten Larmorfrequenzen der beiden rsotope mit den gyromagnetischen Verhältnissen Ya und Yb jeweils sind.
Eine Auflösung dieser Gleichungen entweder nach Hoder nach )r liefert den folgenden Ausdruck: H = ( < ssa - 0)b)1(Ya - Yb) (4) der unabhängig von der Rotationsfrequenz )r ist, und )r = Yba - Yab
Ya - Yb (5) der unabhängig von der magnetischen Feldstärke H ist.
Bei einem der Ausführungsbeispiele der Erfindung wird dafür gesorgt, dass die Stärke des magnetischen Feldes konstant bleibt, indem das Feld derart gesteuert wird, dass der Frequenz unterschied ( a- )b zwischen den beiden beobachteten Larmorpräzessionsfrequenzen immer gleich einer Konstanten ist.
Insbesondere werden zwei Präzisionsbezugsfrequenzen o > a' und )b, die von einer sehr stabilen gemeinsamen Frequenzquelle erhalten werden, so gewählt, dass )a annähernd gleich yaH und )b annähernd gleich ybH ist und ihr Verhältnis die folgende Beziehung exakt erfüllt: -/wb = Ya/Yb (6)
Die magnetische Feldstärke ist dann derart servogeregelt, dass der gemessene Frequenzunterschied zwischen den beiden beobachteten Larmorpräzessionsfrequenzen immer gleich dem.
Frequenzunterschied zwischen den beiden Präzisionsvergleichsfrequenzen, d. h.
a )b = #a' = )b' (7) ist. Durch ein Einsetzen der beiden durch die Gleichungen (6) und (7) definiertenBedingungen ergibt sich, dass diemagnetische Feldstärke gleich H = #a' - Issb' = #a' =
Ya - Yb Ya Yb (8) d. h. gleich einer Konstanten ist, und dass die Winkelrotationsgeschwindigkeit gleich #r = #a' - #a = #b' - #b (9) ist und daher leicht dadurch erhalten werden kann, dass der Unterschied zwischen der einen oder der anderen beobachteten Larmorpräzessionsfrequenz und der zugehörigen Präzisionsvergleichsfrequenz gemessen wird.
Neben der grundlegenden Erscheinung der Präzession des magnetischen Momentes und der mathematischen Grundlage für die automatische Signalverarbeitung, die es erlaubt, eine Information über die Winkelrotationsgeschwindigkeit zu messen, wie es oben beschrieben wurde, treten in der Praxis viele andere physikalische Erscheinungen, bei einer Ausgestaltung eines magnetischen Kernresonanzgyroskops auf. Die beschriebenen physikalischen Effekte sind die Ausrichtung der magnetischen Kernmomente, das Erreichen einer andauernden Präzessionsbewegung dieser Momente und die optische Bestimmung der die Präzessionsbewegung ausführenden Momente, um ein Signal zu liefern, aus dem die Larmorpräzessionsfrequenz bestimmt werden kann.
Die Grösse eines einzelnen magnetischen Kernmomentes ist extrem klein, und der natürliche Gleichgewichtszustand besteht darin, dass nahezu eine willkürliche Orientierung der Momente in einer Gesamtheit getroffen werden, um einen bedeutenden Anteil dieser magnetischen Momente in einer Richtung auszurichten, so dass ein makroskopisches magnetisches Moment und daher ein messbares Signal hervorgebracht wird.
Das Verfahren, das bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dazu benutzt wird, die magnetischen Kernmomente auszurichten, ist ein zweistufiges Verfahren, das als Pumpen bezeichnet wird. Zwei Gase mit magnetischem Kernmoment, die bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung Edelgase sind, sind zusammen miteinem Alkalimetalldampf in einer einzigen optisch durchlässigen Zelle kombiniert. Diese Zelle wird mit einem spektral gefilterten zirkular polarisierten Lichtstrahl beleuchtet, der von einer elektrischen Alkalimetalldampfentladungslampe ausgesandt wird. Ein konstantes Magnetfeld wird in einer derartigen Richtung erzeugt, dass ein bedeutender Anteil dieses Feldes parallel zur Richtung des auf die Zelle fallenden Lichtes liegt.
Die erste Stufe des Pumpens besteht in einem optischen Pumpprozess, bei dem die Atome des Alkalimetalldampfes optisch durch die Absorption eines Teils des einfallenden Lichtes gepumpt werden. Das führt zu einer Ausrichtung eines bedeutenden Anteils der atomaren magnetischen Momente der Alkaliatome in eine Richtung, die parallel zu der des anliegenden konstanten magnetischen Feldes liegt.
Die zweite Stufe des Pumpens besteht in einem Spinaustauschpumpvorgang, bei dem ein Teil der Ausrichtung der atomaren magnetischen Momente der Alkaliatome auf die magnetischen Kernmomente der Edelgasatome durch Spinaustauschwechselwirkungen während Stössen zwischen den Alkaliatomen und den Edelgasatomen übertragen wird. Das führt zu einer Ausrichtung eines bedeutenden Anteils der magnetischen Kernmomente der Edelgasatome in eine Richtung, die parallel zu der des konstanten magnetischen Feldes liegt.
Dieser Spinaustauschpumpvorgang ist eine Weiterführung des Verfahrens von Bouchiat, Carver und Varnum, beschrieben in Phys. Review Letters 5, S. 373 (1960). Durch die Erfindung wird dieses Verfahren insbesondere darauf ausgedehnt, dass gleichzeitig die magnetischen Kernmomente von zwei verschiedenen Edelgasisotopen ausgerichtet werden, die in derselben Zelle enthalten sind.
Die ausgerichteten magnetischen Momente des Alkaliatomsystems und der beiden Edelgasatomsysteme unterliegen Relaxationsmechanismen, die dazu führen, dass die ausgerichteten Momente exponentiell mit der Zeit in ihren natürlichen Gleichgewichtszustand der statistischen Verteilung zurückkehren.
Jedes Momentensystem ist durch eine Relaxationszeitkonstante gekennzeichnet, die von der Art und der Menge aller anderen Bestandteile und von der Gesamtumgebung in der NMR-Zelle abhängt. Die stabile Teilausrichtung jedes Momentensystems ist eine Funktion sowohl der Pumprate als auch der Relaxationszeit für das System, wobei grössere Teilausrichtungen und daher grössere Signalamplituden dann erreicht werden, wenn die Relaxationszeiten gleichfalls lang sind. Um Relaxationszeiten zu erreichen, die so lang wie möglich sind, ist eine passende Menge eines Puffergases, beispielsweise Helium oder Stickstoff, gleichfalls in der Zelle enthalten, um die Relaxationseffekte aufgrund der Wechselwirkungen der magnetischen Momente mit den Wänden der Zelle herabzusetzen.
Weiterhin werden bestimmte Isotope bestimmterEdelgase als Gase in einem magnetischen Kernmoment aufgrund ihrer langen Relaxationszeiten ausgewählt.
Die Präzession der magnetischen Kernmomente der beiden Edelgassysteme wird dadurch in Gang gesetzt und aufrechterhalten, dass zwei magnetische Wechselfelder in einer Richtung erzeugt werden, die senkrecht zu der des anliegenden konstanten magnetischen Feldes verläuft. Diese Felder haben Frequenzen, die gleich den jeweiligen Larmorpräzessionsfrequenzen der beiden Edelgase sind, und werden als magnetische Wechselrückkopplungsfelder insofern bezeichnet, als sie für die Signalrückkopplungsfunktion sorgen, die in jedem Oszillator notwendig ist, um andauernde Schwingungen zu erreichen.
Diese Rückkopp lungsfelderbewirken, dass die magnetischen Kernmomente jedes einzelnen Edelgassystems aus der Richtung ihrer Anfangsausrichtung, die parallel zu der des konstanten magnetischen Feldes liegt, zusammenhängend in eine Ebene gedreht werden, die denkrecht zur Richtung des konstanten magnetischen Feldes liegt. Die magnetischen Kernmomente jedes Systems führen andauernd eine Präzessionsbewegung in dieser Ebene aus, wodurch zwei makroskopische magnetische Kernmomente über das Volumen der NMR-Zelle und somit zwei magnetische Felder erzeugt werden, die in dieser Ebene mit den jeweiligen Larmorpräzessionsfrequenzen der beiden Edelgase rotieren.
Um ein Drehmoment auf einen rotierenden Körper auszuüben, ist es erforderlich, dass die Phasen der anliegenden Rückkopplungsfel derum 900 zu den jeweiligen Phasen derpräzessierenden magnetischen Kernmomente verschoben sind.
Diese präzessierenden magnetischen Kernmomente werden optisch unter Verwendung einer Methode bestimmt, die von der Magnetometertechnik stammt, die zuerst von C. Cohen Tan- noudji, J. Dupont-Roc, S. HarochundF. Lalöe (Rev. de Phys.
Appl. 5,95(1970) entwickelt wurde. DieseMagnetometertechnik arbeitet nach dem Prinzip, dass die Stärke der Absorption des optischen Pumplichtes durch Alkaliatome in einer NMR-Zelle von der Ausrichtung der magnetischen Momente der einzelnen Alkaliatome bezüglich der Richtung des einfallenden Lichtes abhängt. Beide rotierenden Magnetfelder, die durch die beiden Systeme der präzessierenden magnetischen Kernmomente der Edelgasatome erzeugt werden, üben einzeln und gleichzeitig Drehmomente auf die präzessierenden magnetischen Momente der Alkaliatome aus, wodurch diesen Alkalimomenten eine Nutationsbewegung erteilt wird, die ihrerseits die Intensität des durchgelassenen Lichtes moduliert.
Die mathematische Beschreibung und die Hauptmerkmale dieses optischen Bestimmungsverfahrens können in der folgenden Weise kurz zusammengefasst werden:
Es wird vorzugsweise ein sinusförmiges magnetisches Wechselfeld Hl -coscoct, das als magnetisches Trägerfeld bezeichnet wird, an die Zelle gelegt und es wird die Richtung dieses magnetischen Trägerfeldes als z-Achse genommen. Ein konstantes Magnetfeld wird ebenfalls im wesentlichen in Richtung der z Achse an die Zelle gelegt. Die Anteile aller Magnetfelder, ausschliesslich des magnetischen Trägerfeldes, werden mit Hx, Hy und Hz bezeichnet. Das optische Anregungslicht fällt in der xz-Ebene auf die Zelle und hat Anteile In und Iz, die Magnetisierungsanteile M, und Mz der Alkaliatome erzeugen.
Es kann gezeigt werden, dass unter den folgenden Magnetfeldverhältnissen: IHxI < < 1/kl, l H IHyI < 1/YT, 1 Hz - (nwly) | 1IYT (10) wobei y das gyromagnetische Verhältnis für das Alkaliatom, t die gesamte Relaxationszeit der Alkaliatome unter dem Einfluss der Lichtabsorption und der Relaxationsprozesse, loc die Frequenz des magnetischen Trägerfeldes und n eine ganze Zahl ist, der x Anteil der durchgelassenen Lichtintensität ItX (ohne einen konstanten Ausdruck) beschrieben werden kann als:
:
EMI5.1
[J+] [M, - M,(yH,z)l cos po)ct + -j [Mz(YHxr)j sin po)ct F ¯¯¯¯¯ (11) wobei k eine Konstante und Je:
J+ = Jn+p(YHI/(ssc) + Jn-pCYHl/Oe) (12) sowie J0 und Jn, p jeweils Bessel Funktionen der n-ten und n+pten Ordnung mit demselben Argument yH1/coc sind, während H1 und )c die Amplitude und die Frequenz des magnetischen Träger- feldes jeweils bezeichnen.
Im folgenden werden einige der für die vorliegende Erfindung relevante Aspekte der Gleichung (11) angeführt: (a) Der x-Anteil der durchgelassenen Lichtintensität I, besteht aus einer Summe von Harmonischen der Trägerfrequenz )c.
(b) Das In-Phase-Ansprechen (cos po,t) erfolgt linear mit den Feld Hy für kleine Werte von Hy.
(c) Das um 90" phasenverschobene Ansprechen (sin paact) erfolgt linear mit dem Feld Hx für kleine Werte von Hx.
(d) Es kann dafür gesorgt werden, dass der x-Anteil der durchgelassenen Lichtintensität linear entweder mit Hx allein oder mit Hy allein verläuft, indem eine bestimmte Amplitude für das magnetische Trägerfeld H1 gewählt wird, so dass entweder J+ oder J jeweils gleich Null ist.
(e) Der Verlauf des x-Anteils der durchgelassenen Lichtintensität in Abhängigkeit entweder vom magnetischen Feldanteil Hx oder Hy ist proportional dem Produkt des x-Anteils des einfallenden Lichtes und des z-Anteils der Magnetisierung IMz.
Der einfaliende Lichtstrahl muss daher Anteile sowohl in der x Richtung als auch in der z-Richtung haben.
dern auferlegt sind, wie es durch die Gleichung (10) für den Fall n + 0 definiertist, muss das konstante magnetische Feld im wesentlichen in z-Richtung angelegt werden und die Präzession der Kernmomente muss im wesentlichen in der x-y-Ebene auftreten. Diese präzessierenden Momente erzeugen insbesondere ein makroskopisches magnetisches Feld, das mit der Larmorpräzessionsfrequenz rotiert und eine Amplitude hat, die proportional der Teilausrichtung der magnetischen Kernmomente ist.
Dieses rotierende magnetische Feld ist für einen Ausdruck im x-Anteil der durchgelassenen Lichtintensität verantwortlich, der auf den y-Achsenanteil dieses Feldes zurückzuführen ist, nämlich: 1tx - h0 (cos o)at) (cos pkw3) (15) wobei h0 die Amplitude dieses rotierenden magnetischen Feldes und o, die Larmorpräzessionsfrequenz des Gases mit Kernmoment sind. Dieser Ausdruck wird dazu verwendet, bei diesem
Ausführungsbeispiel der Erfindung die Larmorpräzessionsfre quenzen der Kerne zu ermitteln.
Die vorhergehende Analyse ist für konstante Magnetfelder und auch für sich langsam ändernde Felder einschliesslich des oben beschriebenen rotierenden Magnetfeldes insbesondere unter der Voraussetzung gültig, dass die Bedingung wart 1 erfüllt ist.
(g) Die Einflüsse der konstanten Magnetfeldanteile Hx und Hy können separat aus den Modulationen der Lichtintensität bestimmt werden, was es möglich macht, unabhängig diese Feldanteile zu messen oder zu steuern.
Im folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnung bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert:
Fig. 1 zeigt in einer Schnittansicht die räumlich-körperliche Anordnung der Bauelemente der NMR-Gyrosensorvorrichtung.
Fig. 2 zeigt in einer perspektivischen Ansicht die Ausbildung der Magnetfeldspulen, die einen Teil der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung bilden.
Fig. 3 zeigt schematisch das Verfahren de optischen Pumpens und der Modulation der Intensität des Lichtes, das durch die NMR-Zelle durchgelassen wird.
Fig. 4 zeigt in einem Blockschaltbild den funktionellen Aufbau der Elektronik eines NMR-Gyroskops.
Fig. 5 zeigt schematisch ein alternatives Ausführungsbeispiel einer NMR-Gyrosensorvorrichtung und dient gleichzeitig zur Darstellung des Aufbaus einer Versuchsvorrichtung.
Wie es in Fig: 1, die eine Schnittansicht der körperlichräumlichen Anordnung der Bauelemente einer NMR-Gyrovorrichtung zeigt, dargestellt ist, wird eine Rubidium-Dampflampe 10, die von einer hochfrequenten Energiequelle erregt wird, dazu verwendet, Licht auszusenden, das die Spektrallinien von Rubidium enthält. Diese Lampe ist im Aufbau ähnlich der in Rv. Sci.
Instr. 32,688(1961) beschriebenen. Die Lampe weist in einem Gehäuse 12 aufgenommen, das dazu verwendet wird, die Lampe auf einer für die maximale Lichtemission zweckmässigen erhöhten Temperatur zu halten. Das Licht geht über eine Glaskondensorlinse 14 und durch eine Fresnel'sche Kollimatorlinse 16 aus Kunststoff, bevor das Licht durch ein optisches Interferenzfilter 18 geht. Dieses Filter ist so ausgebildet, dass es den grössten Teil des Lichtes mit einer Wellenlänge von 794,7 Nanometern von einer Spektrallinie des Rubidiums durchlässt, während es den grössten Teil des Lichtes mit einer Wellenlänge von 780,0 Nanometern von der benachbarten Spektrallinie blockiert.
Das gefilterte Licht geht durch eine zweite Fresnel'sche I(ollimator- linse 20, wird in einem Prisma 22so reflektiert, dass es seine Richtung ändert und konvergiert am Ende eines optischen Eingangsfaserbündels 24. Dieses optische Faserbündel überträgt das Licht anschliessend zur Mitte derVorrichtung und beschreibt einen Bogen, so dass das Licht das Ende 15 des Bündels 24 mit einem Hauptwinkel von etwa 45" relativ zur Vertikalrichtung verlässt, wie es in der Zeichnung dargestellt ist. Die in der Zeichnung dargestellte vertikale Achse wird als z-Achse bezeichnet. Die x-Achse ist so definiert, dass sie in der Zeichnung nach links zeigt. Fig. 1 zeigt somit eine Schnittansicht in der x-z-Ebene.
Das Licht, das das Bündel verlässt, geht durch einen Zirkularpolarisator 26 und tritt in die NMR-Zelle 28 ein.
Die NMR-Zelle 28 besteht aus einem dicht verschlossenen, optisch durchlässigen zylindrischen Gehäuse aus Glas, das eine geringe Menge von durch das Isotop Rubidium-87 angereichertem Rubidium-Metall, annähernd 0,5 torr eines mit Xenon-129 angereichertem Xenongases, annähernd 20 torr eines mit Krypton-83 angereicherten Kryptongases und ein Puffergas enthält, das entweder aus 400 torr Helium-4 oder entweder 100torr Stickstoff besteht. Diese Stoffe werden in der angegebenen Reihenfolge in die Zelle eingebracht, während die Zelle an einer Vakuumabfüllstation angebracht ist, woraufhin die Zelle dicht verschlossen wird.
Die Zelle 28, wird in einem temperaturgesteuerten Aluminiumoxidofen 30 angeordnet, der erhitzt und über ein Widerstandsbandheizgerät 32 gesteuert wird, das eine hochfrequente Energiequelle verwendet. Der Ofen wird auf einer Temperatur von etwa 65" C gehalten, bei der annähernd die Hälfte des in die Zelle 28 eintretenden Lichtes absorbiert wird. Der grösste Teil des Lichtes, das in der Zelle 28 nicht absorbiert wird, tritt in ein optisches Ausgangsfaserbündel 36 ein und geht durch-eine Linse 38 zu einem Silizium-Photodetektor40.
Die in der Zeichnung dargestellten anderen Bauteile sind der Aufbau der magnetischen Feldspulen 34, der mehr im einzelnen im folgenden anhand von Fig. 2 beschrieben wird, eine Gruppe aus mehreren Schichten einer magnetischen Abschirmung 42, die so ausgebildet ist, dass sie den Einfluss äusserer Magnetfelder dämpft, und eine Haltekonstruktion 44.
Der Aufbau 34 der magnetischen Feldspulen besteht aus einer zylindrischen Spulenform aus einem bearbeitbaren Glas ( Macor von Corning), in deren Aussenfläche Rillen geschnitten sind, in die anschliessend Drähte eingelegt sind, um magnetische Feldspulen zu bilden.
Fig. 2 zeigt in einer perspektivischen Ansicht den Aufbau der magnetischen Feldspulen, die einen Teil der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung bilden. Fig. 2A zeigt die Spulenform 34' und die Hauptspulenwicklungen 50 in Solenoidform, die ein Magnetfeld erzeugen, das parallel zur Achse des Zylinders verläuft, die als z Achse bezeichnet ist. Zusätzliche Spulenwicklungen 52 an den Enden der Spulenform werden dazu verwendet, die räumliche Gleichförmigkeit des magnetischen Feldes zu verbessern. Die Spulenwicklungen 52 sind mit den Spulenwicklungen 50 vermischt. Die Kombination der Wicklungen 50 und 52 wird im folgenden als die z-Achsenfeldspulen bezeichnet.
Fig. 2B zeigt dieselbe Spulenform 34' und zwei zusätzliche Spulenpaare, die Magnetfelder längs zweier Achsen erzeuen, die senkrecht zueinander und senkrecht zur Achse des Zylinders verlaufen. Das Spulenpaar 54 liefert ein magnetisches Feld längs der x-Achse, und das Spulenpaar 56, von dem nur ein Element in der Zeichnung dargestellt ist, liefert ein Magnetfeld längs der y Achse.
Fig. 3 zeigt in einem schematischen Diagramm für jedes der Edelgase den Vorgang des optischen Pumpens und der Modulation der Intensität des Lichtes, das durch die NMR-Zelle hindurchgeht. Da diese Vorgänge für die beiden Edelgase sehr ähnlich sind, werden sie nur für eines der beiden Edelgase dargestellt und beschrieben. Insbesondere sind sie für den Fall n = 1 gültig, wobei n eine Grösse ist, wie sie in den Gleichungen (11) und (12) verwandt wird. Das zirkular polarisierte Licht, das in die NMR-Zelle 28' eintritt, weist eine elektrische Feldkomponente 64 längs der z-Achse auf, das als optisches Pumplicht bezeichnet wird, sowie eine Komponente 66 längs derx-Achse, die als Bestimmungslicht bezeichnet wird.
Durch die Wechselwirkung des optischen Pumplichtes 64 und des konstanten magnetischen Feldes 68 werden die atomaren magnetischen Momente der Rubidium-Atome 60 vorzugsweise in der z-Richtung ausgerichtet. Durchzwischenatomare Stösse wird diese Ausrichtung der magnetischen Momente von den Rubidiumatomen 60 auf die Kerne der Edelgasatome 62 übertragen.
Ein sinusförmiges magnetisches Wechselrückkopplungsfeld 70, das in seiner Frequenz und Phase an die Larmorpräzessionsfrequenz der magnetischen Momente der Kerne 62 der Edelgasatome angepasst ist, wird in x-Richtung erzeugt und dient dazu, die magnetischen Momente dieser Kerne in die x-y-Ebene zu drehen. Diese magnetischen Momente der Kerne der Edelgasatome präzessieren dann in der x-y-Ebene mit der Larmorpräzessionsfrequenz )a des Edelgases um das konstante magnetische Feld 68. Diese präzessierenden magnetischen Kernmomente erzeugen ein magnetisches Feld der Kernpräzession mit einer Stärke ha, das in der x-y-Ebene rotiert und das daher einen Anteil in der y-Richtung hat, der gleich h0 cos o)at ist.
Das Bestimmungslicht 66 tritt in Wechselwirkung mit den Rubidiumatomen 60, die unter dem Einfluss des konstanten Magnetfeldes 68, einem überlagerten magnetischen Wechselträgerfeld 69, und dem y-Anteil des Feldes ha der Kernpräzession steht. Diese Wechselwirkung bewirkt, dass die Intensität des x Anteils des durchgelassenen Lichtes 72 auf die Trägerfrequenz Wc mit einer Modulationshüllkurve 74 mit der Frequenz der Kernpräzession o);l aufmoduliert wird. Diese Lichtmodulationen werden anschliessend durch den Silizium-Photodetektor 40' in elektrische Signale umgewandelt.
Wie es in Fig. 4 dargestellt ist, die in einem Blockschaltbild den funktionellen Aufbau der Elektronik eines NMR-Gyroskops zeigt, tritt das Licht von der Lichtquelle 10 durch die Eingangsoptik 82 in die Vorrichtung ein und geht durch die NMR-Zelle 28.
Die Eingangsoptik 82 umfasst die Elemente 14 bis 26, wie es vorstehend beschrieben wurde. Das Licht, das nicht absorbiert wird und das in seiner Intensität moduliert ist, wie es im Vorstehenden anhand von Fig. 3 beschrieben wurde, wird über die Ausgangsoptik 86 auf den Photodetektor 40 übertragen, wo die Modüla?ionen der Lichtintensität in ein elektrisches Signal 89 umgewandelt werden. Die Ausgangsoptik 86 umfasst die Elemente 36 und 38, wie es vorstehend beschrieben wurde. Das Signal 89 wird zuerst verstärkt und dann synchron in zwei getrennten Arbeitsvorgängen in einem Trägersignaldetektor demoduliert, um Steuersignale für die magnetischen Felder längs der x-Achse und der y-Achse zu erzeugen.
Ein Gleichspannungssignal 93 zum Steuern des magnetischen Gleichfeldes längs der y-Achse wird durch ein synchrones Demo dulieren des Signals 89 unter Verwendung eines sinusförmigen Bezugssignals mit einer Frequenz f'cerzeugt, das von einer quarzgesteuerten Präzisionsbezugsfrequenzquelle 92 abgeleitet wird. Die Frequenz und Phase des sinusförmigen Signals von der Quelle 92 sind gleich der Frequenz und Phase des anliegenden magnetischen Wechselträgerfeldes. Die Amplitude des Gleichspannungssteuersignals 93 ist proportional der mittleren Amplitude des Anteils der Modulationen der Lichtintensität mit Trägerfrequenz, der sich in Phase auf der dem anliegenden magnetischen Wechselträgerfeld befindet.
Anhand von Gleichung (11) ist ersichtlich, dass dieses Gleichspannungssignal 93 gleichfalls proportional dem Mittelwert des magnetischen Feldes längs der y-Achse ist. Das Gleichspannungssteuersignal 93 wird am Punkt 95 mit einem zusätzlichen konstanten Gleichspannungssignal 94 addiert, das von einer Gleichspannungsquelle 96 erzeugt wird, und das sich aus dieser Addition ergebende Signal wird dazu benutzt, den gesamten Gleichstrom für die Spule 56 für das magnetische Feld längs der y-Achse zu liefern. Das magnetische Gleichfeld längs der y-Achse wird dabei so gesteuert, dass die Amplitude des Gleichspannungssignals 93 nahe gleich Null bleibt, was zu einem Betrieb mit unterdrücktem Träger führt. In dieser Weise werden Änderungen des magnetischen Feldes längs dery-Achse wahrgenommen und korrigiert, um die Trägerunterdrückung aufrechtzuerhalten.
In ähnlicher Weise wird ein Gleichspannungssignal 104 zum Steuern des Gleichfeldanteils des magnetischen Feldes längs der x-Achse dadurch erzeugt, dass synchron das Signal 89 unter Verwendung eines sinusförmigen Bezugssignals mit einer Frequenz 2f'c demoduliert wird, das von einer quarzgesteuerten Präzisionsbezugsfrequenzquelle 102 abgeleitet wird. Die Phase desBezugssignals mit einer-Frequenzvon 2f'c, das durch die Quelle 102 erzeugt wird, ist um 90" bezüglich der Phase des Bezugssignals mit einer Frequenz f'c verschoben, das durch die Quelle 92 erzeugt wird. Die Amplitude des Gleichspannungssteuersignals 104 ist proportional dem Mittelwert des magnetischen Feldes längs der x-Achse.
Das Gleichspannungssteuersignal 104 wird am Punkt 107 mit einem zusätzlichen konstanten Gleichspannungssignal 106 summiert, das in der Gleichspannungsenergieversorgung 96 erzeugt wird, und das sich daraus ergebende Signal wird dazu benutzt, den gesamten Gleichstrom für die Spule 54 für das magnetische Feld längs der x-Achse zu liefern. In dieser Weise wird der Wert des Gleichfeldanteils des magnetischen Feldes der x-Achse so gesteuert, dass er im wesentlichen gleich Null ist.
Zusätzlich zum Gleichspannungssignal 93, das aus der synchronen Demodulation bei der Frequenz f'c im Trägersignalde tektor 90 resultiert, gibt es Wechselspannungssignale 109, die proportional zu den Wechselfeldanteilen des Magnetfeldes der y Achse sind. Von besonderem Interesse sind die Modulationen mit den Larmorkernpräzessionsfrequenzen . Diese Signale werden mit einerTrennschaltung 110 für das Kernpräzessionssignal getrennt und gefiltert, um ein Signal 112, mit der Präzessionsfre quenz fa von Xenon-129 mit etwa 135 Hz, ein Signal 114 mit der Präzessionsfrequenz fb, von Krypton-83 mit etwa 19 Hz und ein Signal 116 mit dem Frequenzunterschied faf, von etwa 116 dz zu gewinnen.
Die angegebenen Werte für die Larmorkernpräzes- sionsfrequenzen gelten für ein konstantes magnetisches Feld längs der z-Achse mit einer Stärke von 0,114 Gauss, das bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet wird.
Ein Gleichspannungssignal 122 zum Steuern des Gleichfeldanteils des magnetischen Feldes der z-Achse wird dadurch erzeugt, dass der Präzessionsfrequenzunterschied f,-fb in einem Frequenzkomparator 118 mit einer Bezugsfrequenz fa'fh', verglichen wird, die von der quarzgesteuerten Präzisionsbezugsfrequenzquelle 120 erzeugt wird. Irgendein Phasenunterschied zwischen den Signalen 116 und 120 erzeugt ein Gleichspannungssteuersignal 122, das am Punkt 123 mit einem zusätzlichen konstanten Gleichspannungssignal 126 summiert wird, das in der Gleichspannungsenergieversorgnng 96 erzeugt wird, und das sich daraus ergebende Signal 126 wird dazu benutzt, den gesamten Gleichstrom für die magnetische Feldspule 124 der z Achse zu liefern, die die Spulen 50 und 52 umfasst.
In dieser Weise wird der Wert des Gleichfeldanteils des magnetischen Feldes der z-Achse so gesteuert, dass er gleich einem bestimmten lonstanten Wert ist, der durch die Gleichung (8) gegeben ist.
Ein sinusiörmigerWechselstrom 128, der durch die Trägerfeldversorgung 130 erzeugt wird, liegt gleichfalls an der magnetischen Feldspule 124 für die z-Achse, um ein magnetisches Wechselträgerfeld zu erzeugen. Der Trägerwechselstrom 128 wird am Punkt 127 mit dem Gleichspannungsstrom 125 summiert und der sich daraus ergebe.nde Strom ist der Gesamtstrom, der der magnetischen Feldspule 124 für die z-Achse geliefert wird.
Der sinusförmige Trägerwechselstrom 128 hat eine Frequenz f',, die durch die quarzgesteuerte Präzisionsbezugsfrequenzquelle 92 erzeugt wird, die wiederum die gleiche wie bei dem Signal ist, das als Bezugssignal für den Trägersignaldetektor 90 verwendet wird. Die Trägerfrequenz ftebeträgt etwa 80 000 Hz und ist somit gleich der Larmorpräzessionsfrequenz von Rubidium-87 bei einem konstanten Magnetfeld für die z-Achse mit einer Stärke von 0,114 Gauss, die bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel verwendet wird.
Die Amplitude des Trägerwechselstromes 128 ist so gewählt, dass sie einen solchen bestimmten Wert hat, dass die Amplitude des sinusförmigen magnetischen Wechselträgerfeldes gleich dem Produkt aus einem bestimmten Faktor mal dem Gleichfeldanteil des Magnetfeldes der z-Achse ist, das durch den Gleichstrom 125 erzeugt wird. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel hat dieser Faktor den Wert 1,84 und beträgt die Amplitude des magnetischen Wechselträgerfeldes 0,210 Gauss. In dieser Weise ist dafür gesorgt, dass die Amplitude des Anteils des Signals 89 mit der Trägerfrequenzf'cfür Magnetfelder der x-Achse unempfindlich ist. Die mathematische Grundlage für diese bevorzugte Beziehung zwischen den beiden Feldern ist in den Gleichungen (11) und (12) für den Fall n = 1 und p = 1 enthalten.
Zwei magnetische Rückkopplungsfelder werden längs der x Achse erzeugt, um eine andauernde Präzession der magnetischen Kernmomente von Xenon-129 und Krypton-83 zu erhalten. Das Signal 112 für Xenon-129 wird in einem Generator 144 für ein magnetisches Wechselrückkopplungsfeld verwendet, um ein sinusförmiges Wechselspannungrückkopplungssignal 148 zu erzeugen, das eine konstante Amplitude und eine Frequenz und Phase hat, die mit der Frequenz und Phase des Signals 112 für Xenon-129 identisch sind. Das Signal 148 wird mit einem in ähnlicher Weise erzeugten sinusförmigen Wechselspannungsrückkopplungssignal 146 summiert, das vom Signal 114 für Krypton-83 abgeleitet wird.
Die Summe 150 der beiden Rückkopplungswechselströme 146 und 148 wird weiterhin am Punkt 107 mit den Gleichströmen 104 und 106 summiert, und der sich daraus ergebende Strom ist der Gesamtstrom, der der magnetischen Feldspule 84 für die x-Achse geliefert wird. Die Aufgabe der magnetischen Wechselrückkopplungsfelder besteht darin, die magnetischen Kernmomente von Xenon und Krypton, die neu längs der z-Achse ausgerichtet worden sind, fortlaufend in die x-y-Präzessionsebene zu drehen, um diejenigen Momente, die durch Relaxationsprozesse der magnetischen Kernmomente verloren gegangen sind, zu erneuern.
In dieser Weise erzeugt die andauernde Präzessionder magnetischen Momente von Xenon und Krypton zwei stabile magnetische Felder, die in der x-y Ebene rotieren und folglich stabile Lichtintensitätsmodulationen mit den Larmorpräzessionsfrequenzen fa und fb erzeugen.
Die Winkelrotationsgeschwindigkeit des Gyroskops wird durch einen Vergleich der Larmorpräzessionsfrequenz fa des Signals 112 für Xenon 129 mit einer Bezugsfrequenz fa', die von einer quarzgesteuerten Präzisionsbezugsquelle 136 abgeleitet wird, in einem Frequenzkomparator 134 erhalten. Der sich daraus ergebende Frequenzunterschied fa' fa ist gleich der Winkelrotationsfrequenz fr des Gyroskops gemäss Gleichung (9), und diese Information 138 wird einer elektronischen Datenverarbeitungsanlage oder einem elektronischen Rechner für die weitere Verarbeitung zugeleitet.
Die Information 138 über die Winkelrotationsgeschwindigkeit des Gyroskops enthält sowohl eine Information über die Frequenz als auch über die Phase und somit sowohl eine Information über die Winkelgeschwindigkeit als auch über die Winkelversetzung jeweils.
Alle Präzisionsbezugsfrequenzquellen 92,102,120 und 136 werden über einen gewöhnlichen kristallgesteuerten Steueroszillator 152 mittels digitaler Multiplikations- und Divisionstechniken betrieben. Die Frequenz des Steueroszillators 152 ist in Fig. 4 mitf'm bezeichnet. Die Information 138 über die Winkelrotationsgeschwindigkeit ist in der ersten Ordnung unabhängig von der Frequenzstabilität des Steueroszillators 152.
In Fig. 5 ist schematisch ein anderes Ausführungsbeispiel einer NMR-Gyrosensorvorrichtung dargestellt, wobei Bauelemente, die durchBezugsziffern mit einem Beistrich bezeichnet sind, in ähnlicher Weise wie entsprechendeBauelemente bei dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel arbeiten. Eine Rubidiumlampe 10' liefert das optische Pumplicht über die Eingangslichtleitung 24' der NMR-Zelle 28' . DieLampe 10' liefert auch das Bestimmungslicht für die NMR-Zelle 28' über einen zweiten Kanal, der eine Eingangslichtleitung 125 und ein Eingangsprisma 155 aufweist. Das Bestimmungslicht, das durch die NMR-Zelle 28' durchgelassen wird, geht durch das Ausgangsprisma 158 und die Ausgangslichtleitungen 156 und 160 zum Photodetektor 40'.
Geeignete Magnetfelder werden über die Dreiachsen-Helmholtz-Spuleneinrichtung 161, 162und 163, die bei dieser Anordnung die Feldspulen für die z-Achse, y-Achse und die x-Achse jeweils sind, an die NMR-Zelle gelegt. Die Richtung des Eingangslichtes durch die Lichtleitung 24' ist in diesem Fall so definiert, dass sie längs der z-Achse verläuft, während die x Achse in der Zeichnung nach oben weist und die y-Achse senkrecht auf die Zeichenebene steht.
Die in Fig. 5 dargestellte Anordnung ist eine Alternative zu derin Fig. 1 dargestellten Anordnung, die dazu dient, hervorzuheben, dass die optische Bestimmung in einer Richtung erfolgen sollte, die quer zu der des konstanten magnetischen Feldes liegt, das längs der z-Ache verläuft. Das kann entweder in der in Fig. 1 dargestellten Weise unter Verwendung eines Winkels von 45a oder eines ähnlichen Winkels zwischen der Richtung des Lichtstrahles durch die NMR-Zelle relativ zur Richtung des konstante ten Feldes oder in der in Fig. 5 dargestellten Weise unter Verwendung von zwei getrennten Lichtwegen erreicht werden, wobei das Pumplicht parallel zur Richtung des konstanten magnetischen Feldes und das Bestimmunglicht quer zur Feldrich tung verläuft.
Diese Anordnung enthält auch die Möglichkeit, den Pumplichtstrahl und den Bestimmungslichtstrahl von separaten Lichtquellen zu erzeugen und Lichtstrahlen mitverschiedenen spektralen Eigenschaften oder verschiedener Polarisation zu verwenden.
Mit gewissen Abwandlungen kann Fig. 5 dazu herangezogen werden, den Aufbau einer Versuchsvorrichtung zu erläutern, die insbesondere zur Durchführung von Experimenten zur Untersuchung der Eigenschaften von Edelgas-Alkalidampfsystemen geeignet ist. Die Abwandlung beteht darin, dass die B estimmungslichtwege 154, 155, 156, 158, 160, und 40' weggelassen werden und die Ausgangslichtwege 174 und 175 hinzugefügt werden. Bei diesem Anwendungsbeispiel, das dem Fall n = 0 gemäss Gleichung (11) und (12) entspricht, werden die Koordinatenachsen umbenannt, wobei die x-Achse und die z-Achse gegenüber dem im Vorhergehenden beschriebenen Fall umgetauscht werden, so dass die Richtung des Eingangslichtes durch die Lichtleitung 24' als Richtung längs der x-Achse umdefiniert wird, und die z-Achse in der Zeichnung nach oben weist.
Das Eingangslicht geht durch die Zelle 28' und in die Ausgangslichtleitung 174, die das Licht auf den Photo detektor 175 überträgt.
Das magnetische Wechselträgerfeld wird unter Verwendung der Feldspule 163 für die z-Achse erzeugt und ein kleines Gleichfeld von annähernd 100 Mikrogauss wird unter Verwendung der Feldspule 162 für die y-Achse erzeugt. Während des Betriebs wird ein grösseres Gleichfeld von annähernd 10 Milligauss durch die Feldspule 161 für die x-Achse während der anfänglichen Spinaustauschpumpzeit der magnetischen Kernmomente erzeugt. Am Ende der Pumpzeit, die im typischen Fall wenige Minuten beträgt, wird dieses Feld schnell abgeschaltet, so dass die ausgerichteten magnetischen Kernmomente in der x-z Ebene, d. h. der Zeichenebene präzessierend zurückbleiben.
Der z-Achsenanteil des Kernmagnetfeldes erzeugt Lichtintensitätsmodulationen, die analog den oben beschriebenen Modulationen sind. Diese Arbeitsweise ist sehr ähnlich der Arbeitsweise, die von Cohen-Tannoudji et al. beschrieben wurde, ausser dass bei diesem alternativen Ausführungsbeispiel die magnetischen Momente des Rubidiums, die zur Bestimmung verwendet werden, und die magnetischen Kernmomente des Edelgase, die für die Larmorkernpräzession verwendet werden, sich in derselben Zelle 28' befinden. Die enge Vereinigung der Rubidium Atome während der Zusammenstösse mit den Edelgasatomen bewirkt, dass die Rubidium-Atome ein wesentlich grösseres mittleres Magnetfeld von den Kernen der Edelgasatome wahrnehmen. Dieser Effekt der grossen Nähe führt zu Signalen, die wesentlich grösser sind als sie sonst erhalten werden könnten.
Diese Vorrichtung ist daher besonders für Forschungen über die Eigenschaften des Edelgasalkalidampfsystemes zweckmässig.
Im Vorstehenden wurde die vorliegende Erfindung anhand bestimmter Elemente und bestimmter physikalischer Anordnung gen beschrieben, es versteht sich jedoch, dass vernünftige Alternativen, beispielsweise die Verwendung anderer optischer Wege, zu denselben Ergebnissen führen, oder dass andere Kombinationen von Edelgasen, ein anderer Stoff als Rubidium oder andere Werte für die Frequenzen und Magnetfelder als sie im Vorstehenden erwähnt wurden, verwendet werden können.
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PATENT CLAIMS
1. Magnetic nuclear magnetic resonance gyroscope for generating signals which are representative of the angular displacement of the gyroscope about a sensing axis, characterized by a magnetic nuclear magnetic resonance cell which contains a gas or a vapor of an optically pumpable substance which has an atomic magnetic moment; two other gases, each having a nuclear magnetic moment and also located in the nuclear magnetic resonance cell, the nuclear magnetic moments of each of the gases having nuclear moment being at least partially aligned by collision of atoms of each of the gases having a magnetic nuclear moment with atoms of the optically pumpable substance, in order to partially To transmit alignment from the substance to each of the gases mentioned;
first means for applying a time-constant magnetic field to the cell, substantially in the direction of a predetermined sensing axis, referred to as the Z axis; two means for illuminating the cell with optical pump light, which is able to partially align the magnetic moments of said optical pumpable substance in the z direction by absorption of the light, the light having at least one electrical field component in the direction of the z axis ; third means for applying a magnetic alternating carrier field in the z-axis direction to the cell;
fourth means for illuminating the cell with measuring light having a wavelength approximately equal to the wavelength which can be absorbed by the optically pumpable substance, the measuring light having at least one electrical field component perpendicular to the z-axis, for modulations in the intensity of the transmitted part of the measuring light to generate essentially with the frequency of at least one harmonic including the fundamental oscillation of the magnetic alternating carrier field;
fifth means for precisioning the aligned nuclear magnetic moments of each of the gases with nuclear moments about the z-axis at the corresponding Larmor precession frequencies of each gas, with sixth means for applying an alternating magnetic feedback field at the detected Larmor precession frequency of each of the gases with core moments in a direction perpendicular to the z-axis and seventh means for detecting the phase of the Larmor precession frequency to control the corresponding phases of the magnetic feedback alternating field, substantially square to the phase of the precessing nuclear magnetic moments of each of the gases, is used to effect a permanent precession of the moments of each of the gases;
eighth means for detecting modulations in the intensity of the transmitted part of the detected light and for changing the detected modulations into electrical signals; ninth means for electrically demodulating the modulation signals to obtain signals which vary around the Larmor precession frequency of each of the gases with nuclear moments, by a signal which varies by the difference between the Larmor precession frequencies, the amplitude of the signals being proportional to the degree of alignment of the are nuclear magnetic moments of each gas; tenth means for precisely controlling the size and direction of the constant magnetic field;
and eleventh means for generating signals which are a measure of the angular displacement of the gyroscope about the z-axis as a phase change of the Larmor precession frequency of at least one of the gases with nuclear moments.
2. Gyroscope according to claim 1, characterized in that the temporally constant magnetic field has a special intensity in order to cause the precession of the magnetic moment of the optically pumpable substance essentially at a harmonic of the frequency of the applied magnetic alternating carrier field, including the fundamental frequency thereof , occurs.
3. Gyroscope according to claim 2, characterized in that the gases with a magnetic core moment consist of xenon isotopes and krypton isotopes,
4. Gyroscope according to claim 2, characterized in that the detected light has essentially the same wavelength as the optical pump light.
The gyroscope according to claim 4, characterized in that the detection light and the pump light originate from the same light source.
6. Gyroscope according to claim 5, characterized in that the detection light and the optical pump light are parallel electrical field components of a single light beam from the light source (Fig. 5).
7. Gyroscope according to claim 5, characterized in that the detection light and the optical pump light are non-parallel electrical field components of a single light beam from the light source (Fig. 3).
8. Gyroscope according to claim 4, characterized in that Jo (yHi / we) = J2 (yIl (oc), and. J a Bessel function of the first type, zero order, J2 a Bessel function of the first type, second order, y the gyromagnetic ratio of the pumpable substance, H1 are the magnetic alternating field component in the direction of the z axis and o) 2 are the angular frequency of the alternating field carrier.
A gyroscope according to claim 1, characterized in that the ninth means comprise a carrier signal detector which receives signals from the photo detector at the carrier frequency and signals at the double carrier frequency to generate a nuclear precession signal and magnetic control signals in the x and y axes, the x- and y-axes are perpendicular to one another and perpendicular to the z-axis, and there is also a core precession light separator for generating signals at the Larmor precession frequency of the gases in order to generate a control signal for the alternating magnetic field on the x-axis in order to generate increments in the magnetic field z -Axis to steer.
A gyroscope according to claim 1, characterized by twelfth means for generating a signal at the Larmor precession frequency of one of the gases and frequency comparison means for receiving signals from the frequency means and the nuclear precession signal separator, to generate a signal with a phase which is in the difference phase between the received signals is, the last signal generated is a measure of the angle through which the gyroscope has rotated about the z-axis.
The invention relates to a magnetic ECernearance gyroscope according to the preamble of patent claim 1.
A number of proposals are known which relate to the implementation of the basic principle of a magnetic resonance gyroscope or NMR gyroscope for short. In general, an oscillator controlled by nuclear magnetic resonance is used and information about the rotation from the phases of the signals of the Larmor precession of the nuclear moment is obtained by means of a suitable circuit for phase comparison and for controlling the magnetic field.
In general, these devices have significant shortcomings that limit the development of a useful instrument. For example, these devices are limited by the relatively short relaxation times of the gases used. The close direct coupling between these gases and the light used to align the magnetic moment or
used to determine the magnetic moment can also limit both the relaxation times and the signal to noise ratio and limit the potential usefulness of such instruments.
With regard to the prior art, reference is also made to US Pat. Nos. 3 103 623.3 103 624.3 396 329.3 404 332.3 500 176.3 513 381 and 3 719 674.
The invention provides a gyroscope based on the basic principle of nuclear magnetic resonance, hereinafter referred to as NMR, which is based on the principle of determining the inertial angular rotation speed or the angular displacement around a sensitive axis of the device in the form of a shift in the Larmor precession frequency or phase or several isotopes that have magnetic nuclear moments. The gyroscope is made up of a sensor for angular rotation and the associated electronic equipment. The main elements of the sensor are a light source, an NMR cell, a photodetector, a set of magnetic shields and a set of magnetic field coils.
The main components of the electronic equipment are signal processing circuits for obtaining the Larmor precision frequency and the phase information as well as circuits for generating and controlling various magnetic fields, both constant and sinusoidal with the time changing fields, necessary for the device to work properly.
The NMR cell is placed in a set of magnetic shields to dampen external magnetic fields to acceptably low field strengths. The magnetic field coils are used to expose the NMR cell to extremely uniform magnetic fields. Both a temporally constant magnetic field and an alternating carrier field are generated along the sensitive axis of the device, while alternating feedback fields are formed along one of the transverse axes. The DC magnetic fields along both transverse axes are controlled so that they are essentially zero. The NMR cell contains an alkali metal vapor, for example rubidium, together with two isotopes of one or more noble gases, such as krypton-83 and xenon-129.
A buffer gas, such as helium, can also be contained in the cell.
The NMR cell is irradiated by a beam of circularly polarized light which emanates from a light source such as a rubidium lamp and passes through the cell at an angle with respect to the constant magnetic field. The absorption of some of this light causes the atomic magnetic moments of the rubidium atoms to align in part in the direction of the constant magnetic field. This orientation is partially transferred to the core magnetic moments of the noble gases, and these moments are caused to precession around the direction of the constant magnetic field, which in turn creates magnetic fields that rotate at the respective Larmor precession frequencies of the two noble gases.
These rotating fields modulate the precession movements of the magnetic moments of the rubidium atoms, which in turn causes corresponding modulations of the transmitted light, which makes it possible to optically determine the Larmor precession frequencies of the two noble gases.
The modulations of the light intensity are converted into electrical signals by a photodetector, which are then electronically demodulated and filtered in order to deliver signals with the Larmor precession frequencies of the two noble gases. The difference between the two precession frequencies is used to control the magnetic field, which is constant over time, in such a way that its amount remains the same. One of the precession frequencies of the noble gases is compared to a precision reference frequency, and the resulting frequency difference is the angular rotation speed of the gyroscope.
The two ascertained signals of the noble gas precession are also used to generate two magnetic feedback alternating fields on the Larmor precession frequencies of the noble gases, which are responsible for maintaining the precession of the magnetic core moments of the noble gases. The use of a magnetic alternating carrier field facilitates the optical determination of the noble gas moments which carry out the precession movement and at the same time provides a possibility of controlling the magnetic direct fields along the two transverse axes of the gyroscope.
The inventive NMR gyroscope includes means for simultaneously aligning the nuclear magnetic moments of two gases with nuclear torque, thereby forming a device for aligning nuclear magnetic moments, means for achieving sustained precession of these moments, thereby forming a magnetic resonance oscillator which is continuous Vibrations, means for optically determining these precessional nuclear moments, thereby forming a device for determining the nuclear magnetic resonance, means for accurately controlling the internal magnetic field of the device and means for accurately measuring the frequency or phase of the detected signal of the Precession of the core moment of at least one of the gases with core moment,
to provide a measurement of the angular rate of rotation or angular displacement of the device with respect to the inertial space, respectively, whereby the device forms an NMR gyroscope.
In particular, a time-constant magnetic field is applied to an NMR cell, which is essentially shielded from other time-constant magnetic fields. The NMR cell contains a gas or vapor of a substance that has an atomic magnetic moment that can be aligned by optical pumping, along with one or more additional gases, each having a nuclear magnetic moment. The NMR cell is illuminated by optical pump light which has a directional component which is parallel to the direction of the stable magnetic field and which has the correct wavelength so that it can be absorbed by the optically pumpable substance and in part the magnetic moments of this substance aligns.
The core moments of the gases are brought into an aligned position and with their respective Larmor precession frequencies they perform a precession movement around the direction of the constant magnetic field.
An alternating magnetic field with an appropriate carrier frequency is also applied to the NMR cell, and the cell is illuminated by identification light which has a directional portion which is perpendicular to the direction of the alternating magnetic carrier field and which has a wavelength substantially equal to that of the optical pump light. The intensity of the part of the determination light which is transmitted through the cell is modulated in accordance with the total of the magnetic fields which prevail in the cell, including the magnetic fields which are generated by the magnetic nuclear moments which make a precession movement.
These modulations of the transmitted light intensity are recorded by a photodetector, whereupon they are electronically demodulated in order to obtain signals with the Larmor precession frequencies of the gases with core moment.
The alignment of the magnetic core moments of each gas is achieved by collision interactions between the atoms of the optically pumpable substance and the atoms of the gas or gases with a core moment. The sustained precession of the nuclear magnetic moments of each gas is achieved by applying an alternating magnetic feedback field with a Larmor precession frequency of the nuclear moment gas in a direction perpendicular to the direction of the constant magnetic field.
The magnetic alternating carrier field is generated with essentially the Larmor precession frequency of the optically pumpable substance and in a direction which is essentially parallel to the direction of the constant magnetic field, whereby the device with higher values of the field strength of the constant magnetic field and with correspondingly higher Larmor precession frequencies for the gases can work with core torque.
An optically pumpable substance, for example an alkali metal vapor, is preferably located in an NMR cell together with two noble gases. The magnetic core moments of the two noble gases are aligned simultaneously by collision interactions between the atoms of the alkali metal vapor and the atoms of the two noble gases. In this preferred embodiment of the invention, the alkali metal is rubidium and the noble gases are krypton-83 and xenon-129.
Another feature of the invention is that self-regulation of the field ensures that the strength of the constant magnetic field remains unchanged, so that the difference between the Larmor precession frequencies has a constant predetermined constant value.
According to the invention, one of the Larmor precession frequencies is further compared with a precision comparison frequency and the resulting frequency difference is used to provide a measurement of the angular displacement or the angular velocity of the device around the direction of the constant magnetic field.
These and other features of the invention are explained in more detail below with reference to the description of the basic working principles of the invention and the detailed description of a preferred exemplary embodiment.
The aim of the invention is an NMR gyroscope that uses core moment gases that have long relaxation times.
The basic working principle of the device according to the invention is explained in more detail below:
An NMR gyroscope works on the principle of determining the angular rotation speed in the form of a shift in the Larmor precession frequency of one or more types of atomic nuclei which have nuclear magnetic moments. Many esotopes, usually those with an odd atomic number, have their own core torque, i. H. a so-called nuclear spin. Together with such a core torque there is always a magnetic moment parallel to it. The ratio between the magnetic core torque and the core torque is a constant y, which is called the gyromagnetic ratio and takes on a certain value for each isotope type.
If a nuclear spin is brought into a magnetic field with an orientation other than an orientation parallel to the direction of the field, then the direction of the magnetic moment will make a precession movement around the direction of the field with an angular frequency COL, which is also called the Larmor precession frequency and equals = = yH (1), where w is the gyromagnetic ratio and H is the magnetic field strength. Each isotope therefore has a characteristic Larmor precession frequency in a given magnetic field.
If a system containing atoms rotates around the field direction H itself with a rotation frequency Or, then the observed precession frequencies are shifted by an amount equal to the rotation frequency, so that the observed Larmor precession frequency equals: (ss = γH- #r ( A measurement of the observed Larmor frequency (ss can be used as a measure of the speed of rotation if both y and H are known.
If the Larmor precession frequencies of two isotopes, each with a different y value, are measured in the same magnetic field, then the rotational speed can be measured without any direct knowledge of the value of the magnetic field. The equations for the two isotopes are: #a = γH - #r (3) #b = γbH - #r where) a and COb are the observed Larmor frequencies of the two rsotopes with the gyromagnetic ratios Ya and Yb, respectively.
Solving these equations either by Hoder by) r gives the following expression: H = ( <ssa - 0) b) 1 (Ya - Yb) (4) which is independent of the rotation frequency) r, and) r = Yba - Yab
Ya - Yb (5) which is independent of the magnetic field strength H.
In one of the exemplary embodiments of the invention, it is ensured that the strength of the magnetic field remains constant by controlling the field in such a way that the frequency difference (a-) b between the two observed noise precession frequencies is always equal to a constant.
In particular, two precision reference frequencies o> a 'and) b, which are obtained from a very stable common frequency source, are chosen such that) a is approximately equal to yaH and) b is approximately equal to ybH and their ratio exactly fulfills the following relationship: - / wb = Ya / Yb (6)
The magnetic field strength is then servo-controlled in such a way that the measured frequency difference between the two observed Larmor precession frequencies is always the same.
Frequency difference between the two precision comparison frequencies, i. H.
a) b = #a '=) b' (7). By inserting the two conditions defined by equations (6) and (7) it follows that the magnetic field strength is equal to H = #a '- Issb' = #a '=
Ya - Yb Ya Yb (8) d. H. is equal to a constant, and that the angular rotation speed is #r = #a '- #a = #b' - #b (9) and can therefore be easily obtained by making the difference between one or the other observed noise precession frequency and the associated precision comparison frequency is measured.
In addition to the basic appearance of the precession of the magnetic moment and the mathematical basis for the automatic signal processing, which makes it possible to measure information about the angular rotation speed, as described above, many other physical phenomena occur in practice when designing a magnetic one Nuclear magnetic resonance gyroscope. The described physical effects are the alignment of the magnetic core moments, the achievement of a continuous precession movement of these moments and the optical determination of the moments performing the precession movement in order to provide a signal from which the Larmor precession frequency can be determined.
The size of a single magnetic core moment is extremely small, and the natural state of equilibrium is that almost an arbitrary orientation of the moments as a whole is made to align a significant proportion of these magnetic moments in one direction, so that a macroscopic magnetic moment and therefore a measurable signal is produced.
The method used to align the core magnetic moments in one embodiment of the invention is a two-step method called pumping. Two core magnetic moment gases, which are noble gases in a preferred embodiment of the invention, are combined together with an alkali metal vapor in a single optically transmissive cell. This cell is illuminated with a spectrally filtered circularly polarized light beam, which is emitted by an electrical alkali metal vapor discharge lamp. A constant magnetic field is generated in such a direction that a significant proportion of this field is parallel to the direction of the light falling on the cell.
The first stage of pumping is an optical pumping process in which the atoms of the alkali metal vapor are pumped optically by absorbing some of the incident light. This leads to the alignment of a significant proportion of the atomic magnetic moments of the alkali atoms in a direction that is parallel to that of the constant magnetic field applied.
The second stage of pumping is a spin exchange pumping process in which part of the alignment of the atomic magnetic moments of the alkali atoms with the nuclear magnetic moments of the noble gas atoms is transferred through spin exchange interactions during collisions between the alkali atoms and the noble gas atoms. This leads to an orientation of a significant proportion of the magnetic core moments of the noble gas atoms in a direction which is parallel to that of the constant magnetic field.
This spin exchange pumping operation is a continuation of the Bouchiat, Carver and Varnum process described in Phys. Review Letters 5, p. 373 (1960). The invention extends this method in particular to simultaneously align the magnetic nuclear moments of two different noble gas isotopes that are contained in the same cell.
The aligned magnetic moments of the alkali atom system and the two noble gas atom systems are subject to relaxation mechanisms, which lead to the fact that the aligned moments return exponentially over time to their natural equilibrium state of the statistical distribution.
Each moment system is characterized by a relaxation time constant, which depends on the type and amount of all other components and on the overall environment in the NMR cell. The stable partial alignment of every moment system is a function of both the pumping rate and the relaxation time for the system, larger partial alignments and therefore larger signal amplitudes being achieved if the relaxation times are also long. In order to achieve relaxation times which are as long as possible, an appropriate amount of a buffer gas, for example helium or nitrogen, is also contained in the cell in order to reduce the relaxation effects due to the interaction of the magnetic moments with the walls of the cell.
Furthermore, certain isotopes of certain noble gases are selected as gases in a nuclear magnetic moment due to their long relaxation times.
The precession of the magnetic core moments of the two noble gas systems is started and maintained by generating two alternating magnetic fields in a direction that is perpendicular to that of the constant magnetic field applied. These fields have frequencies equal to the respective Larmor precession frequencies of the two noble gases and are referred to as alternating magnetic feedback fields in that they provide the signal feedback function that is necessary in each oscillator to achieve sustained vibrations.
These feedback fields cause the magnetic core moments of each individual rare gas system to be rotated contiguously from the direction of their initial orientation, which is parallel to that of the constant magnetic field, into a plane which is the same as the direction of the constant magnetic field. The magnetic core moments of each system continuously make a precession movement in this plane, whereby two macroscopic magnetic core moments over the volume of the NMR cell and thus two magnetic fields are generated, which rotate in this plane with the respective Larmor precession frequencies of the two noble gases.
In order to exert a torque on a rotating body, it is necessary that the phases of the applied feedback fields are shifted by 900 to the respective phases of the magnetic core torques.
These precessing magnetic nuclear moments are determined optically using a method derived from magnetometer technology, first described by C. Cohen Tannoudji, J. Dupont-Roc, S. HarochundF. Lalöe (Rev. de Phys.
Appl. 5.95 (1970) was developed. This magnetometer technique works on the principle that the strength of the absorption of the optical pump light by alkali atoms in an NMR cell depends on the orientation of the magnetic moments of the individual alkali atoms with respect to the direction of the incident light. Both rotating magnetic fields, which are generated by the two systems of the precessing magnetic core moments of the noble gas atoms, exert single and simultaneous torques on the precessing magnetic moments of the alkali atoms, whereby these alkali moments are given a nutation movement, which in turn modulates the intensity of the transmitted light.
The mathematical description and the main features of this optical determination method can be briefly summarized in the following way:
A sinusoidal alternating magnetic field Hl -coscoct, which is referred to as a magnetic carrier field, is preferably applied to the cell and the direction of this magnetic carrier field is taken as the z-axis. A constant magnetic field is also applied to the cell essentially in the direction of the z axis. The proportions of all magnetic fields, excluding the magnetic carrier field, are denoted by Hx, Hy and Hz. The optical excitation light falls on the cell in the xz plane and has components In and Iz, which produce magnetization components M and Mz of the alkali atoms.
It can be shown that under the following magnetic field conditions: IHxI < <1 / kl, l H IHyI <1 / YT, 1 Hz - (nwly) | 1IYT (10) where y is the gyromagnetic ratio for the alkali atom, t the total relaxation time of the alkali atoms under the influence of light absorption and relaxation processes, loc is the frequency of the magnetic carrier field and n is an integer, the x portion of the transmitted light intensity ItX (without a constant expression) can be described as:
:
EMI5.1
[J +] [M, - M, (yH, z) l cos po) ct + -j [Mz (YHxr) j sin po) ct F ¯¯¯¯¯ (11) where k is a constant and Je:
J + = Jn + p (YHI / (ssc) + Jn-pCYHl / Oe) (12) as well as J0 and Jn, p are Bessel functions of the nth and n + pth order with the same argument yH1 / coc, while H1 and ) c denote the amplitude and frequency of the magnetic carrier field.
Some of the aspects of equation (11) relevant to the present invention are listed below: (a) The x component of the transmitted light intensity I consists of a sum of harmonics of the carrier frequency) c.
(b) The in-phase response (cos po, t) is linear with the field Hy for small values of Hy.
(c) The 90 "phase shifted response (sin paact) is linear with the field Hx for small values of Hx.
(d) It can be ensured that the x component of the transmitted light intensity is linear either with Hx alone or with Hy alone, by selecting a certain amplitude for the magnetic carrier field H1, so that either J + or J is equal to zero .
(e) The course of the x component of the transmitted light intensity as a function of either the magnetic field component Hx or Hy is proportional to the product of the x component of the incident light and the z component of the magnetization IMz.
The incident light beam must therefore have components in both the x direction and the z direction.
are imposed as defined by equation (10) for the case n + 0, the constant magnetic field must be applied essentially in the z direction and the precession of the nuclear moments must occur essentially in the x-y plane. In particular, these precessing moments generate a macroscopic magnetic field that rotates at the Larmor precession frequency and has an amplitude that is proportional to the partial orientation of the magnetic nuclear moments.
This rotating magnetic field is responsible for an expression in the x component of the transmitted light intensity, which is due to the y axis component of this field, namely: 1tx - h0 (cos o) at) (cos pkw3) (15) where h0 is the amplitude of this rotating magnetic field and o, the Larmor precession frequency of the core moment gas. This expression is used in this
Embodiment of the invention to determine the Larmorpräzessionsfre frequencies of the cores.
The previous analysis is valid for constant magnetic fields and also for slowly changing fields including the rotating magnetic field described above, in particular on the condition that the condition wart 1 is fulfilled.
(g) The influences of the constant magnetic field components Hx and Hy can be determined separately from the modulations of the light intensity, which makes it possible to measure or control these field components independently.
Preferred exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to the accompanying drawing:
1 shows a sectional view of the spatial-physical arrangement of the components of the NMR gyro sensor device.
FIG. 2 shows a perspective view of the design of the magnetic field coils that form part of the device shown in FIG. 1.
Fig. 3 shows schematically the method of optical pumping and modulating the intensity of the light transmitted through the NMR cell.
Fig. 4 shows in a block diagram the functional structure of the electronics of an NMR gyroscope.
FIG. 5 schematically shows an alternative exemplary embodiment of an NMR gyro sensor device and at the same time serves to illustrate the structure of an experimental device.
As shown in Fig. 1, which shows a sectional view of the physical arrangement of the components of an NMR gyro device, a rubidium vapor lamp 10, which is excited by a high-frequency energy source, is used to emit light that reflects the spectral lines of rubidium contains. The construction of this lamp is similar to that in Rv. Sci.
Instr. 32,688 (1961). The lamp is accommodated in a housing 12 which is used to keep the lamp at an elevated temperature which is expedient for maximum light emission. The light passes through a glass condenser lens 14 and through a plastic Fresnel collimator lens 16 before the light passes through an optical interference filter 18. This filter is designed to pass most of the light with a wavelength of 794.7 nanometers from a spectral line of the rubidium, while blocking most of the light with a wavelength of 780.0 nanometers from the neighboring spectral line.
The filtered light passes through a second Fresnel lens (collimator lens 20, is reflected in a prism 22 so that it changes direction and converges at the end of an optical input fiber bundle 24). This optical fiber bundle then transmits the light to the center of the device and describes it an arc so that the light leaves the end 15 of the bundle 24 at a major angle of about 45 "relative to the vertical direction as shown in the drawing. The vertical axis shown in the drawing is referred to as the z-axis. Axis is defined so that it points to the left in the drawing, so Fig. 1 shows a sectional view in the xz plane.
The light exiting the bundle passes through a circular polarizer 26 and enters the NMR cell 28.
The NMR cell 28 consists of a tightly sealed, optically transparent cylindrical housing made of glass, which contains a small amount of rubidium metal enriched by the isotope rubidium-87, approximately 0.5 torr of a xenon gas enriched with xenon-129, approximately 20 torr contains a krypton gas enriched with krypton-83 and a buffer gas consisting of either 400 torr of helium-4 or either 100 torr of nitrogen. These substances are introduced into the cell in the order given, while the cell is attached to a vacuum filling station, whereupon the cell is sealed.
Cell 28 is placed in a temperature controlled alumina furnace 30 which is heated and controlled by a resistance band heater 32 which uses a high frequency energy source. The furnace is maintained at a temperature of about 65 "C at which approximately half of the light entering cell 28 is absorbed. Most of the light that is not absorbed in cell 28 enters an output fiber bundle 36 and passes through a lens 38 to a silicon photodetector 40.
The other components shown in the drawing are the structure of the magnetic field coils 34, which is described in more detail below with reference to FIG. 2, a group of several layers of a magnetic shield 42, which is designed in such a way that it influences the influence of external magnetic fields dampens, and a support structure 44.
The structure 34 of the magnetic field coils consists of a cylindrical coil form made of a machinable glass (Macor from Corning), in the outer surface of which grooves are cut, into which wires are then inserted in order to form magnetic field coils.
FIG. 2 shows a perspective view of the structure of the magnetic field coils that form part of the device shown in FIG. 1. 2A shows the coil form 34 'and the main coil windings 50 in solenoid form which generate a magnetic field which is parallel to the axis of the cylinder, which is referred to as the z axis. Additional coil windings 52 at the ends of the coil shape are used to improve the spatial uniformity of the magnetic field. The coil windings 52 are mixed with the coil windings 50. The combination of the windings 50 and 52 is referred to below as the z-axis field coils.
2B shows the same coil shape 34 'and two additional pairs of coils that generate magnetic fields along two axes that are perpendicular to one another and perpendicular to the axis of the cylinder. The coil pair 54 provides a magnetic field along the x axis, and the coil pair 56, only one element of which is shown in the drawing, provides a magnetic field along the y axis.
Fig. 3 shows in a schematic diagram for each of the noble gases the process of optically pumping and modulating the intensity of the light which passes through the NMR cell. Since these processes are very similar for the two noble gases, they are only shown and described for one of the two noble gases. In particular, they are valid for the case n = 1, where n is a variable as used in equations (11) and (12). The circularly polarized light entering the NMR cell 28 'has an electrical field component 64 along the z-axis which is referred to as optical pump light and a component 66 along the x-axis which is referred to as the determination light.
The interaction of the optical pump light 64 and the constant magnetic field 68 preferably aligns the atomic magnetic moments of the rubidium atoms 60 in the z direction. This alignment of the magnetic moments is transferred from the rubidium atoms 60 to the nuclei of the noble gas atoms 62 through inter-atomic collisions.
A sinusoidal alternating magnetic feedback field 70, whose frequency and phase is matched to the Larmor precession frequency of the magnetic moments of the cores 62 of the noble gas atoms, is generated in the x direction and serves to rotate the magnetic moments of these cores in the x-y plane. These magnetic moments of the nuclei of the noble gas atoms then precess in the xy-plane with the Larmor precession frequency) a of the noble gas around the constant magnetic field 68. These precessing magnetic nuclear moments generate a magnetic field of nuclear precession with a strength of ha, which rotates in the xy plane and which therefore has a component in the y direction which is equal to h0 cos o) at.
The determination light 66 interacts with the rubidium atoms 60, which is influenced by the constant magnetic field 68, a superimposed magnetic alternating carrier field 69, and the y component of the field ha of the nuclear precession. This interaction causes the intensity of the x component of the transmitted light 72 to be modulated onto the carrier frequency Wc with a modulation envelope 74 with the frequency of the core precession o); l. These light modulations are then converted into electrical signals by the silicon photodetector 40 '.
As shown in FIG. 4, which shows the functional structure of the electronics of an NMR gyroscope in a block diagram, the light from the light source 10 enters the device through the input optics 82 and passes through the NMR cell 28.
The input optics 82 comprises the elements 14 to 26, as described above. The light that is not absorbed and that is modulated in intensity, as described above with reference to FIG. 3, is transmitted via the output optics 86 to the photodetector 40, where the mode ions of the light intensity are converted into an electrical signal 89 being transformed. Output optics 86 include elements 36 and 38, as described above. Signal 89 is first amplified and then synchronously demodulated in two separate operations in a carrier signal detector to generate control signals for the magnetic fields along the x-axis and the y-axis.
A DC voltage signal 93 for controlling the DC magnetic field along the y-axis is generated by synchronously demodulating the signal 89 using a sinusoidal reference signal having a frequency f 'derived from a quartz-controlled precision reference frequency source 92. The frequency and phase of the sinusoidal signal from source 92 are equal to the frequency and phase of the applied alternating magnetic carrier field. The amplitude of the direct voltage control signal 93 is proportional to the mean amplitude of the portion of the modulations of the light intensity with carrier frequency which is in phase with the applied magnetic alternating carrier field.
It can be seen from equation (11) that this direct voltage signal 93 is also proportional to the mean value of the magnetic field along the y axis. The DC voltage control signal 93 is added at point 95 with an additional constant DC voltage signal 94 generated by a DC voltage source 96, and the resultant signal is used to generate the total DC current for the coil 56 for the magnetic field along the y- Deliver axis. The DC magnetic field along the y axis is controlled in such a way that the amplitude of the DC voltage signal 93 remains close to zero, which leads to operation with the carrier suppressed. In this way, changes in the magnetic field along the y axis are sensed and corrected to maintain carrier suppression.
Similarly, a DC voltage signal 104 for controlling the DC field component of the magnetic field along the x-axis is generated by synchronously demodulating signal 89 using a sinusoidal reference signal at a frequency 2f'c derived from a crystal controlled precision reference frequency source 102. The phase of the reference signal with a frequency of 2f'c generated by source 102 is shifted 90 "with respect to the phase of the reference signal with frequency f'c generated by source 92. The amplitude of DC control signal 104 is proportional to the mean of the magnetic field along the x-axis.
The DC control signal 104 is summed at point 107 with an additional constant DC signal 106 generated in the DC power supply 96, and the resulting signal is used to add all of the DC current to the magnetic field coil 54 along the x-axis deliver. In this way, the value of the constant field component of the magnetic field of the x-axis is controlled so that it is essentially zero.
In addition to the DC voltage signal 93, which results from the synchronous demodulation at the frequency f'c in the carrier signal detector 90, there are AC voltage signals 109 which are proportional to the AC field components of the magnetic field of the y axis. The modulations with the Larmor core precession frequencies are of particular interest. These signals are separated by a separation circuit 110 for the core precession signal and filtered to a signal 112, with the precession frequency fa of xenon-129 at about 135 Hz, a signal 114 with the precession frequency fb, from krypton-83 at about 19 Hz and a Signal 116 with the frequency difference faf to gain about 116 dz.
The values given for the Larmor core precision frequencies apply to a constant magnetic field along the z-axis with a strength of 0.114 Gauss, which is used in the preferred embodiment of the invention.
A DC voltage signal 122 for controlling the DC field component of the magnetic field of the z-axis is generated by comparing the precession frequency difference f, -fb in a frequency comparator 118 with a reference frequency fa'fh ', which is generated by the quartz-controlled precision reference frequency source 120. Any phase difference between signals 116 and 120 produces a DC control signal 122, which at point 123 is summed with an additional constant DC voltage signal 126 generated in DC power supply 96, and the resulting signal 126 is used to provide the total DC current for the to supply magnetic field coil 124 of the z axis, which includes coils 50 and 52.
In this way, the value of the direct field component of the magnetic field of the z-axis is controlled so that it is equal to a certain lonstant value, which is given by equation (8).
A sinusoidal alternating current 128 generated by the carrier field supply 130 is also applied to the magnetic field coil 124 for the z-axis to generate an alternating magnetic carrier field. The carrier alternating current 128 is summed at point 127 with the direct voltage current 125 and the resulting current is the total current that is supplied to the magnetic field coil 124 for the z-axis.
The sinusoidal carrier alternating current 128 has a frequency f ', which is generated by the quartz-controlled precision reference frequency source 92, which in turn is the same as the signal used as the reference signal for the carrier signal detector 90. The carrier frequency fte is approximately 80,000 Hz and is therefore equal to the Larmor precession frequency of Rubidium-87 with a constant magnetic field for the z-axis with a strength of 0.114 Gauss, which is used in the preferred embodiment.
The amplitude of the carrier alternating current 128 is selected such that it has such a specific value that the amplitude of the sinusoidal magnetic alternating carrier field is equal to the product of a certain factor times the direct field component of the magnetic field of the z-axis, which is generated by the direct current 125. In a preferred embodiment, this factor is 1.84 and the amplitude of the magnetic alternating carrier field is 0.210 Gauss. In this way it is ensured that the amplitude of the portion of the signal 89 with the carrier frequency f'c is insensitive to magnetic fields of the x-axis. The mathematical basis for this preferred relationship between the two fields is given in equations (11) and (12) for the case n = 1 and p = 1.
Two magnetic feedback fields are generated along the x-axis to obtain a permanent precession of the magnetic core moments of xenon-129 and krypton-83. The xenon-129 signal 112 is used in an alternating magnetic feedback field generator 144 to generate a sinusoidal alternating voltage feedback signal 148 that has a constant amplitude and frequency and phase that matches the frequency and phase of the xenon-129 signal 112 are identical. Signal 148 is summed with a similarly generated sinusoidal AC feedback signal 146 derived from signal 114 for krypton-83.
The sum 150 of the two feedback alternating currents 146 and 148 is still summed at point 107 with the direct currents 104 and 106, and the resulting current is the total current that is supplied to the magnetic field coil 84 for the x-axis. The task of the alternating magnetic feedback fields is to continuously rotate the magnetic core moments of xenon and krypton, which have been newly aligned along the z-axis, into the xy precession plane in order to compensate for those moments that have been lost due to relaxation processes of the magnetic core moments. to renew.
In this way, the ongoing precession of the magnetic moments of xenon and krypton creates two stable magnetic fields that rotate in the x-y plane and consequently produce stable light intensity modulations with the Larmor precession frequencies fa and fb.
The angular rate of rotation of the gyroscope is obtained by comparing the Larmor precession frequency fa of the signal 112 for xenon 129 with a reference frequency fa ', which is derived from a quartz-controlled precision reference source 136, in a frequency comparator 134. The resulting frequency difference fa 'fa is equal to the angular rotation frequency fr of the gyroscope according to equation (9), and this information 138 is sent to an electronic data processing system or an electronic computer for further processing.
The information 138 about the angular rotation speed of the gyroscope contains both information about the frequency and about the phase and thus both information about the angular speed and the angular displacement in each case.
All precision reference frequency sources 92, 102, 120 and 136 are operated via a conventional crystal-controlled control oscillator 152 using digital multiplication and division techniques. The frequency of the control oscillator 152 is denoted by f'm in FIG. The information 138 about the angular rotation speed is independent of the frequency stability of the control oscillator 152 in the first order.
Another embodiment of an NMR gyro sensor device is shown schematically in Fig. 5, where components denoted by reference numerals with a comma work in a similar manner to corresponding components in the previous embodiment. A rubidium lamp 10 'supplies the optical pump light via the input light line 24' of the NMR cell 28 '. The lamp 10 'also provides the designation light for the NMR cell 28' through a second channel which has an input light pipe 125 and an input prism 155. The determination light which is transmitted through the NMR cell 28 'passes through the output prism 158 and the output light lines 156 and 160 to the photodetector 40'.
Suitable magnetic fields are applied to the NMR cell via the three-axis Helmholtz coil devices 161, 162 and 163, which in this arrangement are the field coils for the z-axis, y-axis and the x-axis, respectively. The direction of the input light through the light guide 24 'is defined in this case so that it runs along the z-axis, while the x-axis points upwards in the drawing and the y-axis is perpendicular to the plane of the drawing.
The arrangement shown in Fig. 5 is an alternative to the arrangement shown in Fig. 1 which serves to emphasize that the optical determination should be made in a direction transverse to that of the constant magnetic field along the z-axis runs. This can be done either in the manner shown in FIG. 1 using an angle of 45a or a similar angle between the direction of the light beam through the NMR cell relative to the direction of the constant field or in the manner shown in FIG. 5 using Two separate light paths can be achieved, the pump light running parallel to the direction of the constant magnetic field and the determination light transverse to the field direction.
This arrangement also includes the ability to generate the pump light beam and the determination light beam from separate light sources and to use light beams with different spectral properties or different polarization.
With certain modifications, FIG. 5 can be used to explain the structure of a test device which is particularly suitable for carrying out experiments to investigate the properties of noble gas-alkali vapor systems. The modification is that the determination light paths 154, 155, 156, 158, 160, and 40 'are omitted and the output light paths 174 and 175 are added. In this application example, which corresponds to the case n = 0 according to equations (11) and (12), the coordinate axes are renamed, the x-axis and the z-axis being exchanged compared to the case described above, so that the direction of the Input light is redefined by the light guide 24 'as a direction along the x-axis, and the z-axis points upwards in the drawing.
The input light passes through the cell 28 'and into the output light pipe 174, which transmits the light to the photo detector 175.
The alternating magnetic carrier field is generated using the field coil 163 for the z-axis and a small DC field of approximately 100 micro gauss is generated using the field coil 162 for the y-axis. During operation, a larger DC field of approximately 10 milligauss is generated by the field coil 161 for the x-axis during the initial spin exchange pumping time of the nuclear magnetic moments. At the end of the pumping time, which is typically a few minutes, this field is quickly switched off, so that the aligned magnetic core moments in the x-z plane, i. H. remain precessing at the drawing level.
The z-axis component of the nuclear magnetic field produces light intensity modulations that are analogous to the modulations described above. This procedure is very similar to the procedure described by Cohen-Tannoudji et al. except that in this alternative embodiment the magnetic moments of the rubidium used for the determination and the magnetic core moments of the noble gases used for the Larmor core precession are in the same cell 28 '. The close union of the rubidium atoms during the collisions with the noble gas atoms means that the rubidium atoms perceive a much larger average magnetic field from the nuclei of the noble gas atoms. This close proximity effect leads to signals that are much larger than could otherwise be obtained.
This device is therefore particularly useful for research on the properties of the noble gas alkali vapor system.
In the foregoing, the present invention has been described in terms of certain elements and certain physical arrangement, but it is to be understood that reasonable alternatives, for example the use of other optical paths, lead to the same results, or that other combinations of noble gases, a substance other than rubidium or values for the frequencies and magnetic fields other than those mentioned above can be used.