DE102019219055A1

DE102019219055A1 - Verfahren zur Ermittlung einer Änderung einer rotatorischen Orientierung im Raum eines NMR-Gyroskops und NMR-Gyroskop

Info

Publication number: DE102019219055A1
Application number: DE102019219055.3A
Authority: DE
Inventors: Tino Fuchs; Janine Riedrich-Moeller; Andreas Brenneis; Robert Roelver; Michael CURCIC; Peter Degenfeld-Schonburg
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-12-06
Filing date: 2019-12-06
Publication date: 2021-06-10

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung einer Änderung einer rotatorischen Orientierung im Raum mittels eines NMR-Gyroskops und ein NMR-Gyroskop. Die Erfindung bedient sich der Maßnahme, wenigstens zwei Dampfzellen (109a, 109b), welche jeweils zumindest mit einem gasförmigen ersten Element und einem gasförmigen zweiten Element mit nicht verschwindendem Kernspin gefüllt sind und die jeweils für die Ermittlung einer rotatorischen Orientierungsänderung um eine Achse vorgesehen sind, mittels eines zirkular polarisierten Pumplaserstrahls (20) nacheinander derart zu durchstrahlen, dass die Elektronenspins des ersten Elements, insbesondere Rubidium, in einer ersten Dampfzelle (109a) in einer ersten Richtung (1) polarisiert werden und in einer zweiten Dampfzelle (109b) in einer zweiten, hierzu unterschiedlichen Richtung (2) polarisiert werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung einer Änderung einer rotatorischen Orientierung im Raum eines NMR-Gyroskops sowie ein NMR-Gyroskop.
Stand der Technik
Man kann zur Ermittlung einer Änderung einer rotatorischen Orientierung im Raum Drehratensensoren bzw. Gyroskope auf MEMS-Basis verwenden. Diese sind kostengünstig und klein. Ihre Abweichung beträgt etwa 1°/Stunde und deren Genauigkeit ermöglicht beispielsweise bei autonom fahrenden Autos ein Spurhalten für etwa 40 Sekunden, wenn sämtliche anderen Fahrerassistenzsysteme ausfallen. Sie können beispielsweise als Backup für Radarpositionierung, Videoassistenzpositionierung und GPS-Positionierung dienen.
Wesentlich genauer sind Laser-Gyroskope, die man für die Flugzeugnavigation einsetzen kann. Sie beruhen auf dem optischen Sagnac-Effekt und ihre Abweichung beträgt nur ca. 0,0035°/Stunde. Sie sind jedoch relativ groß und teuer und daher für die Verwendung in Fahrzeugen kaum geeignet.
Eine alternative Möglichkeit ist, NMR-Gyroskope („Nuclear Magnetic Resonance“, also Kernspinresonanz) zu verwenden. Diese werten Kernspinresonanzsignale von Atomkernen mit nicht verschwindendem magnetischem Moment aus. Diese lassen sich in Miniaturausführung herstellen und weisen eine Abweichung von ca. 0,02°/Stunde auf. Damit sind sie bis zu 50 mal genauer als MEMS-Gyroskope.
Eine Möglichkeit, ein NMR-Gyroskop mit einer Achse bereitzustellen, besteht darin, eine Dampfkammer mit einem Gemisch aus beispielsweise Xenon und Rubidium bereitzustellen. Mittels eines polarisierten Pump-Laserstrahls können die Rubidium-Elektronenspins in der Dampfzelle polarisiert werden. Durch eine starke Kopplung zwischen Rubidium und Xenon führt dies zu einer Polarisation der Xenon-Kernspins parallel zu den Rubidium-Elektronenspins. Mittels eines statischen Magnetfeldes in Polarisationsrichtung kann eine Kernspinpräzession der Xenon-Kernspins um das statische Magnetfeld erzeugt werden. Die Präzessionsfrequenz ist dabei die vom statischen Magnetfeld abhängige Larmorfrequenz. Durch ein Magnetwechselfeld, dessen Frequenz der Larmorfrequenz entspricht und das senkrecht zum statischen Magnetfeld angelegt werden kann, kann eine kohärente Präzession aller Kernspins erreicht werden. Wird nun ein polarisierter Proben- oder Auswerte-Laserstrahl senkrecht zum statischen Magnetfeld durch die Dampfzelle gestrahlt, wird die Polarisation des Probenlaserstrahls aufgrund des Faraday-Effektes periodisch mit der Larmorfrequenz gedreht. Durch einen Polarisator bzw. Polarisationsfilter und einen Detektor kann so eine Intensitätsschwankung beobachtet werden, die mit der Larmorfrequenz moduliert ist. Eine Rotation des Sensors um eine Drehachse parallel zu dem statischen Magnetfeld führt zu einer Verschiebung der Larmorfrequenz proportional zu der Drehrate. Durch Auswertung des Intensitätssignals, das vom Detektor ausgegeben wird, kann so eine Änderung der rotatorischen Orientierung mit einer Drehachse parallel zu der Polarisationsrichtung bestimmt werden.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zur Ermittlung einer Änderung einer rotatorischen Orientierung im Raum eines NMR-Gyroskops sowie ein NMR-Gyroskop mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Die Erfindung bedient sich der Maßnahme, wenigstens zwei Dampfzellen, welche jeweils zumindest mit einem gasförmigen ersten Element und einem gasförmigen zweiten Element mit nicht verschwindendem Kernspin gefüllt sind und die jeweils für die Ermittlung einer rotatorischen Orientierungsänderung um eine Achse vorgesehen sind, mittels eines zirkular polarisierten Pumplaserstrahls nacheinander derart zu durchstrahlen, dass die Elektronenspins des ersten Elements, insbesondere Rubidium, in einer ersten Dampfzelle in einer ersten Richtung polarisiert werden und in einer zweiten Dampfzelle in einer zweiten, hierzu unterschiedlichen Richtung polarisiert werden.
Auf diese Weise ist nur ein Pumplaser nötig, um die Elektronenspins in mehreren Dampfzellen zu polarisieren. Dadurch kann der Aufbau kompakter und günstiger bereitgestellt werden. Anstatt für jede Raumachse ein separates NMR-Gyroskop bereitzustellen, kann ein einziges Gyroskop mit wenigstens zwei Dampfzellen eine rotatorische Orientierungsänderung um wenigstens zwei Raumachsen bestimmen.
Als erstes Element kann insbesondere ein Alkalimetall verwendet werden, bevorzugt Rubidium oder Cäsium. Das zweite Element mit nicht verschwindendem Kernspin kann insbesondere Xenon, Helium, Krypton oder Neon oder ein spezielles Isotopengemisch der Gase sein, zum Beispiel Xe-129 und Xe-131. Auch ein Gas mit speziell eingestelltem Isotopengemisch von zum Beispiel Xenon mit mindestens einem anderen Gas wie z.B. Helium, Neon oder Krypton ist denkbar.
Zur Messung einer Kernspinkomponente kann insbesondere der Faraday-Effekt eingesetzt werden. Hierzu werden zweckmäßigerweise die jeweiligen Dampfzellen mit einem linear polarisierten Auswerte-Laserstrahl senkrecht zu dem statischen Magnetfeld durchstrahlt und nach dem Durchstrahlen der jeweiligen Dampfzelle wird die Polarisierung gemessen, z.B. indem jeweils ein Polarisator mittels des jeweiligen Auswerte-Laserstrahls durchstrahlt wird. Der jeweilige aus dem Polarisator emittierte Auswerte-Laserstrahl kann dann in einem oder mehreren Detektoren erfasst werden. Die von dem Detektor oder den Detektoren detektierten Auswerte-Laserstrahlen werden ausgewertet und es werden rotatorische Orientierungsänderungen mit der Drehachse parallel zu den Polarisationsrichtungen in den wenigstens zwei Dampfkammern bestimmt.
Bevorzugt werden wenigstens die Elektronenspins des ersten Elements in drei Dampfzellen mittels des zirkular polarisierten Pumplaserstrahls polarisiert. Dieser durchstrahlt nach dem Durchstrahlen der ersten und zweiten Dampfzelle insbesondere eine dritte Dampfzelle in einer dritten Richtung. Die dritte Richtung liegt dabei nicht in einer von der ersten Richtung und der zweiten Richtung aufgespannten Ebene. Dies ist vorteilhaft, da auf diese Weise mit einem NMR-Gyroskop mit nur einem Pumplaser eine rotatorische Orientierungsänderung bezüglich drei Raumachsen bestimmt werden kann.
Zweckmäßigerweise weisen die erste Richtung, die zweite Richtung und die dritte Richtung jeweils einen Winkel von 90° zueinander auf. Dies ist vorteilhaft, da auf diese Weise die rotatorische Orientierungsänderung besonders einfach ermittelt werden kann.
Der Pumplaserstrahl trifft nach dem Durchstrahlen der wenigstens zwei Dampfzellen insbesondere auf einen Pumpdetektor. Dies ist vorteilhaft, da auf diese Weise eine Absorption des Pumplaserstrahls in den wenigstens zwei Dampfzellen ermittelbar ist.
Bevorzugt wird eine Frequenz des Pumplaserstrahls in dem Pumplaser derart vorgegeben, dass eine Absorption des Pumplaserstrahls in den wenigstens zwei Dampfzellen maximal ist. Auf diese Weise wird eine gemessene Intensität an dem Pumpdetektor minimal. Da Frequenzschwankungen am Pumplaser vor allem durch Änderungen der Resonanzfrequenz des Resonators auftreten, kann dies bevorzugt durch Piezoelemente an dem Laserresonator realisiert werden, die eine Resonatorlänge einstellen und somit die Frequenz des Pumplasers verändern. Durch diese Maßnahme kann vorteilhaft eine stabilere Messung gewährleistet werden, da eine Pumpleistung durch die Frequenzregulierung konstant gehalten wird.
Zweckmäßigerweise werden die Messsignale der detektierten Auswerte-Laserstrahlen jeweils an eine Phasenregelschleife bzw. einen Phase-locked-loop weitergegeben. Jede Phasenregelschleife vergleicht insbesondere eine Frequenz des Intensitätssignals des detektierten Auswerte-Laserstrahls mit dem jeweils angelegten Magnetwechselfeld an der entsprechenden Dampfzelle. Ohne rotatorische Orientierungsänderung oszilliert das Intensitätssignal mit der gleichen Frequenz wie das Magnetwechselfeld. Bei einer Abweichung der gemessenen Frequenz von der durch das Magnetwechselfeld vorgegebenen Frequenz kann die Frequenz des Magnetwechselfelds bevorzugt über einen geregelten Magnetwechselfeldgenerator entsprechend der gemessenen Frequenzänderung nachgeführt werden.
Eine rotatorische Orientierungsänderung mit einer Drehachse parallel zu jeweils dem statischen Magnetfeld wird, bevorzugt durch eine Auswerteeinheit, zweckmäßigerweise über die Beziehung Ω_i = 2πf(G_i)-γB_0i, erhalten, wobei Ω_i die rotatorische Orientierungsänderung bezeichnet, f(G_t) die aktuelle von dem Magnetwechselfeldgenerator ausgegebene Frequenz bezeichnet, γ das gyromagnetische Verhältnis des Kernspins bezeichnet und B_0i das statische Magnetfeld bezeichnet. Dies ist eine besonders einfache Möglichkeit, um die rotatorische Orientierungsänderung zu erhalten.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird jede Dampfzelle konstant auf einen Wert zwischen 110°C und 120°C temperiert, insbesondere auf 115°C, was bevorzugt mittels eines Infrarotlasers erreicht wird. Dies ist vorteilhaft, da in diesem Temperaturbereich beide Gase gasförmig vorliegen und die starke Wechselwirkung zwischen den Elektronenspins des ersten Elements und den Kernspins des zweiten Elements mit nicht verschwindendem Kernspin optimal ist.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Figurenliste

1 zeigt eine Dampfzelle mit einem Gemisch aus einem ersten Gas und einem zweiten Gas mit nicht verschwindendem Kernspin unter Beaufschlagung mit einem Pumplaser und einem statischen Magnetfeld in einer schematischen Ansicht;
2 zeigt die Dampfzelle aus 1, nachdem die Kernspins des Gases mit nicht verschwindendem Kernspin sich parallel zu den Elektronenspins des ersten Gases ausgerichtet haben, in einer schematischen Ansicht;
3 zeigt die Dampfzelle aus 1 und 2, auf die ein Magnetwechselfeld senkrecht zu dem statischen Magnetfeld angewandt wird, dessen Frequenz der Larmorfrequenz der Larmorpräzession der Kernspins des Gases mit nicht verschwindendem Kernspin um das statische Magnetfeld entspricht, in einer schematischen Ansicht;
4 zeigt die Dampfzelle aus 3, die mit einem polarisierter Auswerte-Laserstrahl senkrecht zu dem statischen Magnetfeld durchstrahlt wird, dessen Licht anschließend von einem Detektor mit vorgeschaltetem Polarisationsfilter erfasst wird, in einer schematischen Ansicht;
5 zeigt ein NMR-Gyroskop gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in einer schematischen perspektivischen Ansicht.

Ausführungsformen der Erfindung
Anhand der 1 bis 4 soll nachfolgend das technische Prinzip eines NMR-Gyroskops und eines Verfahrens zur Ermittlung der Änderung einer rotatorischen Orientierung im Raum mittels eines solchen NMR-Gyroskops beschrieben werden.
Um eine Änderung einer rotatorischen Orientierung im Raum mittels eines NMR-Gyroskops mit einer Drehachse parallel zu einer Raumachse zu bestimmen, wird eine Dampfzelle mit einem Gemisch aus hier Rubidium als gasförmiges erstes Element und hier Xenon als gasförmiges zweites Element mit nicht verschwindendem Kernspin benötigt.
Eine solche Dampfzelle ist in 1 dargestellt. In Richtung der genannten Raumachse wird ein statisches Magnetfeld 30 angelegt. Weiterhin wird die Dampfzelle parallel zu dem statischen Magnetfeld 30 von einem Pumplaser mit zirkular polarisiertem Licht 20 in einer Frequenz durchstrahlt, die dazu geeignet ist, die Elektronenspins der Rubidiumatome 11, also die Rubidium-Elektronenspins, in Richtung des statischen Magnetfeldes 30 zu polarisieren.
Durch eine starke Wechselwirkung zwischen den Elektronenspins der Rubidiumatome 11 und den Kernspins der Xenonatome 12 werden die Kernspins der Xenonatome 12, also die Xenon-Kernspins, parallel zu den Elektronenspins der Rubidiumatome 11 polarisiert und beginnen, um das statische Magnetfeld 30 zu präzidieren. Dieser Zustand ist in 2 dargestellt. Da die Phase der Präzession der Elektronenspins der Rubidiumatome 11 und der Kernspins der Xenonatome 12 sich von Atom zu Atom unterscheidet, resultiert daraus ein konstantes magnetisches Moment 50, das parallel zu der Polarisationsrichtung, der genannten Raumachse, der Richtung des Pumplaserlichts 20 und der Richtung des statischen Magnetfeldes 30 ausgerichtet ist.
In einer Richtung senkrecht zu dem statischen Magnetfeld 30 wird in einem nächsten Schritt ein Magnetwechselfeld 60 angelegt, dessen Frequenz der Larmorfrequenz der Larmorpräzession der Xenon-Kernspins 11 um das statische Magnetfeld 30 entspricht. Dies führt dazu, dass die Xenon-Kernspins 11 gleichphasig mit der Larmorfrequenz um das statische Magnetfeld 30 präzidieren. Dieser Zustand ist in 3 dargestellt. Daraus resultiert ein gemeinsames magnetisches Moment 50, das mit der Larmorfrequenz um das statische Magnetfeld 30 präzidiert. Die Präzessionsbewegung des gemeinsamen magnetischen Moments 50 ist mit dem Bezugszeichen 51 bezeichnet.
Die durch die gleichphasige Xenon-Kernspinpräzession 51 hervorvorgerufene Magnetfeldänderung wirkt zurück auf die Rubidium-Elektronenspins 12, die ebenfalls mit der Larmorfrequenz der Xenon-Kernspins 11 um das statische Magnetfeld 30 präzidieren. Dieser Zustand ist in 4 dargestellt.
Wird nun ein linear polarisierter Auswerte-Laserstrahl 70 senkrecht zu der Richtung des statischen Magnetfeldes 30 durch die Dampfzelle gestrahlt, so dreht sich durch den Faraday-Effekt die Polarisationsrichtung des Auswerte-Laserstrahls 70 mit der Präzession der Elektronenspins des Rubidium 11 um das statische Magnetfeld 30. Durch einen Detektor 101 mit vorgeschaltetem, als Polarisationsfilter ausgebildetem Polarisator kann daher der Auswerte-Laserstrahl erfasst werden, der einem Intensitätssignal entspricht, das sich mit der Larmorfrequenz der Xenon-Kernspins 11 ändert.
Bei einer rotatorischen Orientierungsänderung der Dampfzelle mit einer Drehachse parallel zu dem statischen Magnetfeld 30 verschiebt sich die Frequenz des Intensitätssignals mit der Drehrate. Diese Frequenzverschiebung kann mittels einer Auswerteeinheit erfasst werden, wodurch die rotatorische Orientierungsänderung mit einer Drehachse parallel zu dem statischen Magnetfeld erfasst werden kann.
5 zeigt ein schematisches NMR-Gyroskop gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in einer schematischen, perspektivischen Ansicht.
Das NMR-Gyroskop weist eine erste Dampfzelle 109a und eine zweite Dampfzelle 109b auf. Diese beinhalten jeweils ein Gemisch aus Rubidium als erstes Element und beispielsweise gasförmigem Xenon als zweites Element.
Weiterhin ist ein Pumplaser 103 vorgesehen. Vor dem Pumplaser 103 befindet sich ein zirkularer Polarisator. Der Pumplaser 103 ist dazu eingerichtet, zuerst die erste Dampfzelle 109a in einer ersten Richtung 1 zu durchstrahlen und die Rubidium-Elektronenspins 11 in der ersten Dampfzelle 109a in der ersten Richtung 1 zu polarisieren und danach die zweite Dampfzelle 109b in der zweiten Richtung 2 zu durchstrahlen und die Rubidium-Elektronenspins 11 in der zweiten Dampfzelle 109b in der zweiten Richtung 2 zu polarisieren. Die erste 1 und zweite Richtung 2 weisen einen Winkel von 90° zueinander auf.
Weiterhin ist ein erster Magnetfeldgenerator mit einer Spule 106a zur Erzeugung eines statischen Magnetfeldes in der ersten Richtung 1 an der ersten Dampfzelle 109a vorgesehen. Ein zweiter Magnetfeldgenerator mit einer Spule 106b ist zur Erzeugung eines statischen Magnetfeldes in der zweiten Richtung 2 an der zweiten Dampfzelle 109b vorgesehen. Durch Anlegen eines statischen Magnetfeldes 30 in Polarisationsrichtung der Kernspins wird in jeder der wenigstens zwei Dampfzellen 109a, 109b eine Präzession der Xenon-Kernspins 12 erzeugt.
Darüber hinaus ist ein erster Magnetwechselfeldgenerator mit einer Spule 107a vorgesehen, der dazu eingerichtet ist, ein Magnetwechselfeld in der zweiten Richtung 2 an der ersten Dampfzelle 109a mit einer Frequenz zu erzeugen, die der Larmorfrequenz der Larmorpräzession der Xenon-Kernspins 12 um das statische Magnetfeld entspricht. Ein zweiter Magnetwechselfeldgenerator mit einer Spule 107b ist vorgesehen, der dazu eingerichtet ist, ein Magnetwechselfeld in der ersten Richtung 1 an der zweiten Dampfzelle 109b mit einer Frequenz zu erzeugen, die der Larmorfrequenz der Larmorpräzession der Xenon-Kernspins 12 um das statische Magnetfeld entspricht. Dadurch wird die Larmorpräzession der Xenon-Kernspins 12 gleichphasig.
Ein erster Auswerte-Laser 102a ist dazu eingerichtet, die erste Dampfzelle 109a in der zweiten Richtung 2 mit einem ersten Auswerte-Laserstrahl 70a zu durchstrahlen. Ein zweiter Auswerte-Laser 102b ist dazu eingerichtet, die zweite Dampfzelle 109b in der ersten Richtung 1 mit einem zweiten Auswerte-Laserstrahl 70b zu durchstrahlen. Nach dem Durchstrahlen der ersten Dampfzelle 109a trifft der erste Auswerte-Laserstrahl auf einen ersten Polarisator 104a und danach auf eine erste Detektoroberfläche eines Detektors 101. Der zweite Auswerte-Laserstrahl trifft nach dem Durchstrahlen der zweiten Dampfzelle 109b auf einen zweiten Polarisator 104b und danach auf eine zweite Detektoroberfläche des Detektors 101.
Der Detektor 101 ist als Dual-Probe-Beam-Fotodetektor ausgebildet. Eine erste Detektoroberfläche des Detektors 101 ist im Strahlengang des ersten Auswerte-Laserstrahls 70a dem ersten Polarisator 104a nachgeordnet. Eine zweite Detektoroberfläche des Detektors 101 ist im Strahlengang des zweiten Auswerte-Laserstrahls 70b dem zweiten Polarisator 104b nachgeordnet.
Eine Auswerteeinheit 110 ist zur Auswertung der von dem Detektor 101 detektierten Auswerte-Laserstrahlen 70a, 70b vorgesehen.
Das NMR-Gyroskop dieser Ausführungsform kann auch eine dritte Dampfzelle aufweisen. Dann ist der Pumplaser 103 eingerichtet, auch die dritte Dampfzelle in einer dritten Richtung zu durchstrahlen, die nicht in einer von der ersten 1 und zweiten Richtung 2 aufgespannten Ebene liegt. Bevorzugt weist die dritte Richtung einen Winkel von 90° zur ersten 1 und zweiten Richtung 2 auf.
Das NMR-Gyroskop weist einen Pumpdetektor 21 im Strahlengang des Pumplaserstrahls 20 nach dem Durchstrahlen der wenigstens zwei Dampfzellen 109a, 109b auf. Die Auswerteeinheit 110 ist ferner dazu eingerichtet, basierend auf einem Signal des detektierten Pumplaserstrahls 20 eine Frequenz des Pumplasers derart vorzugeben, bevorzugt mittels Piezoelementen an einem Resonator des Pumplasers 103, dass eine Absorption des Pumplaserstrahls 20 in den wenigstens zwei Dampfzellen 109a, 109b maximal ist, so dass eine gemessene Intensität an dem Pumpdetektor 21 minimal wird. Die Piezoelemente sind in diesem Fall dazu eingerichtet, eine Länge des Resonators und damit die Frequenz des Pumplasers einzustellen.
Die Auswerteeinheit 110 ist ferner dazu eingerichtet, die detektierten Auswerte-Laserstrahlen jeweils an eine Phasenregelschleife bzw. einen Phase-locked-loop weiterzugeben. Jede Phasenregelschleife ist dazu eingerichtet, insbesondere eine Frequenz eines Intensitätssignals des detektierten Auswerte-Laserstrahls mit der Frequenz des jeweils angelegten Magnetwechselfelds an der entsprechenden Dampfzelle zu vergleichen. Die Intensität oszilliert ohne rotatorische Orientierungsänderung mit der gleichen Frequenz wie das angelegte Magnetwechselfeld. Bei einer Abweichung der gemessenen Frequenz von der durch das Magnetwechselfeld vorgegebenen Frequenz kann die Auswerteeinheit die Frequenz des Magnetwechselfelds bevorzugt über einen geregelten Magnetwechselfeldgenerator nachführen, indem die Frequenz des Magnetwechselfeldes an die gemessene Frequenz des Intensitätssignals angepasst wird. Die Stärke des Nachführens ist ein Maß für die rotatorische Orientierungsänderung.
Weiterhin ist die Auswerteeinheit 110 dazu eingerichtet, eine rotatorische Orientierungsänderung mit einer Drehachse parallel zu jeweils dem statischen Magnetfeld, zweckmäßigerweise über die Beziehung Ω_i = 2πf(G_i)-γB_0i, zu erhalten, wobei Ω_i die rotatorische Orientierungsänderung bezeichnet, f(G_i) die aktuelle von dem Magnetwechselfeldgenerator 107a, 107b ausgegebene Frequenz bezeichnet, γ das gyromagnetische Verhältnis des Kernspins bezeichnet und B_0i das statische Magnetfeld 30 bezeichnet.

Claims

Verfahren zur Ermittlung einer Änderung einer rotatorischen Orientierung im Raum eines NMR-Gyroskops aufweisend wenigstens zwei Dampfzellen (109a, 109b), die jeweils ein Gemisch aus wenigstens einem gasförmigen ersten Element und wenigstens einem gasförmigen zweiten Element mit nicht verschwindendem Kernspin enthalten, umfassend die Schritte: - Polarisieren von Elektronenspins des ersten Elements (11) in den wenigstens zwei Dampfzellen mittels eines zirkular polarisierten Pumplaserstrahls, der nacheinander eine erste Dampfzelle (109a) der wenigstens zwei Dampfzellen in einer ersten Richtung (1) durchstrahlt und eine zweite Dampfzelle (109 b) der wenigstens zwei Dampfzellen in einer zweiten Richtung (2) durchstrahlt, so dass durch eine starke Elektron-Kernspin-Wechselwirkung zwischen dem ersten Element und dem zweiten Element die Kernspins (12) des zweiten Elements parallel zu den Elektronenspins (11) des ersten Elements polarisiert werden, wobei sich die erste und zweite Richtung unterscheiden; - in jeder der wenigstens zwei Dampfzellen (109a, 109b), Anlegen jeweils eines statischen Magnetfeldes (30) in Polarisationsrichtung der Kernspins (12) des zweiten Elements, sodass die Kernspins (12) des zweiten Elements mit einer ersten vom statischen Magnetfeld (30) abhängigen Larmorfrequenz um das statische Magnetfeld präzidieren; - in jeder der wenigstens zwei Dampfzellen (109a, 109b), Anlegen eines Magnetwechselfeldes (60) in einer Richtung jeweils senkrecht zu der Polarisationsrichtung der Kernspins (12) des zweiten Elements, wobei die Magnetwechselfelder (60) jeweils eine Frequenz aufweisen, die der Larmorfrequenz der Larmorpräzession der Kernspins (12) des zweiten Elements um das jeweilige statische Magnetfeld entspricht, so das die Larmorpräzession der Kernspins (12) des zweiten Elements innerhalb einer Dampfzelle (109a, 109b, 109c) gleichphasig wird; - in jeder der wenigstens zwei Dampfzellen (109a, 109b), Messen einer Kernspinkomponente des zweiten Elements in einer Richtung senkrecht zu der Polarisationsrichtung der Kernspins (12) des zweiten Elements und Bestimmen einer rotatorischen Orientierungsänderung des NMR-Gyroskops mit einer Drehachse parallel zu der Polarisationsrichtung der Kernspins (12) des zweiten Elements aus der Kernspinkomponente.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Elektronenspins (11) des ersten Elements in drei Dampfzellen (109a, 109b) mittels des zirkular polarisierten Pumplaserstrahls polarisiert werden, der nach dem Durchstrahlen der ersten und zweiten Dampfzelle eine dritte Dampfzelle in einer dritten Richtung durchstrahlt, die nicht innerhalb einer von der ersten Richtung und der zweiten Richtung aufgespannten Ebene liegt.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die erste Richtung, die zweite Richtung und die dritte Richtung jeweils einen Winkel von 90° zueinander aufweisen.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Pumplaserstrahl nach dem Durchstrahlen der wenigstens zwei Dampfzellen (109a, 109b) auf einen Pumpdetektor (21) trifft.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei eine Frequenz des Pumplaserstrahls (20) derart vorgegeben wird, bevorzugt mittels Piezoelementen an einem Resonator des Pumplasers zur Einstellung einer Resonatorlänge, dass eine Absorption des Pumplaserstrahls (20) in den wenigstens zwei Dampfzellen (109a, 109b) maximal ist, so dass eine gemessene Intensität an dem Pumpdetektor (21) minimal wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Messen einer Kernspinkomponente des zweiten Elements in einer Richtung senkrecht zu der Polarisationsrichtung der Kernspins (12) des zweiten Elements und das Bestimmen einer rotatorischen Orientierungsänderung des NMR-Gyroskops mit einer Drehachse parallel zu der Polarisationsrichtung der Kernspins (12) des zweiten Elements aus der Kernspinkomponente umfasst: - Durchstrahlen der jeweiligen Dampfzelle (109a, 109b) mit einem polarisierten Auswerte-Laserstrahl (70) senkrecht zu dem statischen Magnetfeld (30); - nach dem Durchstrahlen der jeweiligen Dampfzelle (109a, 109b) Durchstrahlen jeweils eines Polarisators (104a, 104b) mittels des jeweiligen Auswerte-Laserstrahls; - Erfassen des jeweiligen aus dem jeweiligen Polarisator (104a, 104b) emittierten Auswerte-Laserstrahls (104a, 104b) in einem Detektor (101) oder mehreren Detektoren; - Auswerten der von dem Detektor (101) oder den Detektoren detektierten Auswerte-Laserstrahlen und Bestimmen von rotatorischen Orientierungsänderungen mit einer Drehachse parallel zu den Polarisationsrichtungen in den wenigstens zwei Dampfkammern (109a, 109b).
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Messsignale der detektierten Auswerte-Laserstrahlen jeweils an eine Phasenregelschleife weitergegeben werden, wobei jede Phasenregelschleife ein Signal des detektierten Auswerte-Laserstrahls mit dem jeweils angelegten Magnetwechselfeld an der entsprechenden Dampfzelle vergleicht und bei einer Abweichung die Frequenz des entsprechenden Magnetwechselfelds über einen geregelten Magnetwechselfeldgenerator nachführt.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei eine einem Frequenzsignal entsprechende rotatorische Orientierungsänderung mit einer Drehachse parallel zu jeweils einem statischen Magnetfeld (30) über die Beziehung Ω_i =2πf(G_i)-γB_0i erhalten wird, wobei Ω_i die rotatorische Orientierungsänderung bezeichnet, f(G_i) die aktuelle von dem Magnetwechselfeldgenerator (107a, 107b) ausgegebene Frequenz bezeichnet, γ das gyromagnetische Verhältnis des Kernspins bezeichnet und B_0i das statische Magnetfeld (30) bezeichnet.
NMR-Gyroskop, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, das folgendes aufweist: - wenigstens zwei Dampfzellen (109a, 109b), die ein Gemisch aus wenigstens einem ersten Element und wenigstens einem zweiten Element mit nicht verschwindendem Kernspin beinhalten; - einen Pumplaser (103) zum Polarisieren von Elektronenspins (11) des ersten Elements, wobei der Pumplaser dazu eingerichtet ist, zuerst eine erste Dampfzelle (109a) der wenigstens zwei Dampfzellen in einer ersten Richtung zu durchstrahlen und die Elektronenspins (11) des ersten Elements in der ersten Dampfzelle in der ersten Richtung zu polarisieren und danach eine zweite Dampfzelle (109b) der wenigstens zwei Dampfzellen in einer zweiten Richtung zu durchstrahlen und die Elektronenspins des ersten Elements in der zweiten Dampfzelle in der zweiten Richtung zu polarisieren, so dass durch eine starke Elektron-Kernspin-Wechselwirkung zwischen dem ersten Element und dem zweiten Element die Kernspins (12) des zweiten Elements parallel zu den Elektronenspins (11) des ersten Elements polarisiert werden, wobei sich die erste Richtung und die zweite Richtung voneinander unterscheiden; - für jede Dampfzelle (109a, 109b) einen Magnetfeldgenerator (106a, 106b), der dazu eingerichtet ist, ein statisches Magnetfeld (30) in Polarisationsrichtung der Kernspins (12) des zweiten Elements zu erzeugen; - für jede Dampfzelle (109a, 109b) einen Magnetwechselfeldgenerator (107a, 107b), der dazu eingerichtet ist, ein Magnetwechselfeld (60) in einer Richtung senkrecht zu der Polarisationsrichtung der Kernspins (12) des zweiten Elements mit einer Frequenz zu erzeugen, die der Larmorfrequenz der Larmorpräzession der Kernspins des zweiten Elements (12) um das jeweilige statische Magnetfeld (30) entspricht; - für jede Dampfzelle (109a, 109b) eine Messeinrichtung, die zum Messen einer Kernspinkomponente des zweiten Elements in einer Richtung senkrecht zu der Polarisationsrichtung des Kernspins des zweiten Elements eingerichtet ist; und - eine Auswerteeinrichtung, die zur Bestimmung einer rotatorischen Orientierungsänderung des NMR-Gyroskops jeweils mit einer Drehachse parallel zu der Polarisationsrichtung der Kernspins des zweiten Elements aus der Kernspinkomponente eingerichtet ist.
NMR-Gyroskop nach Anspruch 9, das drei Dampfzellen (109a, 109b) aufweist, wobei der Pumplaser ferner eingerichtet ist, eine dritte Dampfzelle in einer dritten Richtung zu durchstrahlen, die nicht innerhalb einer von der ersten Richtung und der zweiten Richtung aufgespannten Ebene liegt.
NMR-Gyroskop nach Anspruch 10, wobei die erste Richtung, die zweite Richtung und die dritte Richtung jeweils einen Winkel von 90° zueinander aufweisen.
NMR-Gyroskop nach einem der vorstehenden Ansprüche, das einen Pumpdetektor (21) im Strahlengang des Pumplaserstrahls (20) nach dem Durchstrahlen der wenigstens zwei Dampfzellen (109a, 109b) aufweist.
NMR-Gyroskop nach Anspruch 12, wobei die Auswerteeinheit (110) ferner dazu eingerichtet ist, basierend auf einem Signal des detektierten Pumplaserstrahls eine Frequenz des Pumplasers derart vorzugeben, bevorzugt mittels Piezoelementen an einem Resonator des Pumplasers zur Einstellung einer Resonatorlänge, dass eine Absorption des Pumplaserstrahls in den wenigstens zwei Dampfzellen (109a, 109b) maximal ist, so dass eine gemessene Intensität an dem Pumpdetektor (21) minimal wird.
NMR-Gyroskop nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei jede Messeinrichtung folgendes aufweist: - einen Auswerte-Laser (102a, 102b), der dazu eingerichtet ist, die jeweilige Dampfzelle (109a, 109b) in einer Richtung senkrecht zu dem jeweiligen statischen Magnetfeld (30) mit einem Auswerte-Laserstrahl (70) zu durchstrahlen; - einen Polarisator (104a, 104b), der im Strahlengang des jeweiligen Auswerte-Laserstrahls (70) der jeweiligen Dampfzelle (109a, 109b) nachgeordnet ist; - wobei das NMR-Gyroskop ferner- einen oder mehrere Detektoren (101) aufweist, die in den Strahlengängen der jeweiligen Auswerte-Laserstrahlen (70a, 70b) den jeweiligen Polarisatoren (104a, 104b) nachgeordnet sind; wobei die Auswerteeinheit (110) zur Auswertung der von dem einen oder den mehreren Detektoren (101) detektierten Auswerte-Laserstrahlen (70a, 70b) eingerichtet ist.
NMR-Gyroskop nach Anspruch 14, wobei die Auswerteeinheit (110) für jeden Detektor eine Phasenregelschleife aufweist, die dazu eingerichtet ist, die detektierten Auswerte-Laserstrahlen auszuwerten und mit den jeweils angelegten Magnetwechselfeldern an den entsprechenden Dampfzellen zu vergleichen und bei einer Abweichung die jeweiligen entsprechenden Magnetwechselfelder über geregelte Magnetwechselfeldgeneratoren nachzuführen.
NMR-Gyroskop nach Anspruch 15, wobei die Auswerteeinheit (110) ferner eine rotatorische Orientierungsermittlungseinheit aufweist, die dazu eingerichtet ist, eine einem Frequenzsignal entsprechende rotatorische Orientierungsänderung mit einer Drehachse parallel zu jeweils einem statischen Magnetfeld (30) über die Beziehung Ω_i = 2πf(G_i)-γB_0i, zu erhalten, wobei Ω_i die rotatorische Orientierungsänderung bezeichnet, f(G_i) die aktuelle von dem Magnetwechselfeldgenerator (107a, 107b) ausgegebene Frequenz bezeichnet, γ das gyromagnetische Verhältnis des Kernspins bezeichnet und B_0i das statische Magnetfeld (30) bezeichnet.