DE102019219061A1

DE102019219061A1 - Verfahren zur Ermittlung einer Änderung einer rotatorischen Orientierung im Raum eines NMR-Gyroskops und NMR-Gyroskop

Info

Publication number: DE102019219061A1
Application number: DE102019219061.8A
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
Also published as: US20230027677A1; CN114729802A; DE112020002178A5; WO2021110318A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung einer rotatorischen Orientierungsänderung mittels eines NMR-Gyroskops sowie ein NMR-Gyroskop. Die Erfindung bedient sich der Maßnahme, bei einer Dampfzelle (104), welche zumindest mit einem gasförmigen ersten Element und einem gasförmigen zweiten Element mit nicht verschwindendem Kernspin gefüllt ist, eine Kernspinkomponente des zweiten Elements in der zweiten Richtung (2) und eine Kernspinkomponente des zweiten Elements in einer dritten Richtung (3) zu bestimmen. Hierbei unterscheiden sich die zweite (2) und dritte Richtung (3) voneinander. Außerdem sind beide Richtungen senkrecht zu einer ersten Richtung (1), die der Richtung des statischen Magnetfeldes und der Polarisationsrichtung der Kernspins des zweiten Elements entspricht. Weiterhin entspricht die zweite Richtung (2) der Richtung eines angelegten Magnetwechselfeldes, dessen Frequenz der Larmorfrequenz der Larmorpräzession der Kernspins des zweiten Elements um das statische Magnetfeld entspricht. Daraus können dann eine rotatorische Orientierungsänderung ermittelt werden mit einer Drehachse parallel zu der ersten Richtung (1), eine rotatorische Orientierungsänderung mit einer Drehachse parallel zu der zweiten Richtung (2) und eine rotatorische Orientierungsänderung mit einer Drehachse parallel zu der dritten Richtung (3).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der 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 der 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, bei einer Dampfzelle, welche zumindest mit einem gasförmigen ersten Element und einem gasförmigen zweiten Element mit nicht verschwindendem Kernspin gefüllt ist, ein statisches Magnetfeld in einer ersten Richtung, welche einer Polarisationsrichtung der Kernspins des zweiten Elements entspricht, anzulegen und jeweils eine Kernspinkomponente des zweiten Elements in einer zweiten Richtung und in einer dritten Richtung zu bestimmen. Hierbei unterscheiden sich die zweite und dritte Richtung voneinander und sind beide senkrecht zu der ersten Richtung. Weiterhin entspricht die zweite Richtung der Richtung eines angelegten Magnetwechselfeldes, dessen Frequenz der Larmorfrequenz der Larmorpräzession der Kernspins des zweiten Elements um das statische Magnetfeld entspricht. Aus dem Vektor der Larmorpräzession kann dann eine rotatorische Orientierungsänderung ermittelt werden mit einer Drehachse parallel zu der ersten Richtung, mit einer Drehachse parallel zu der zweiten Richtung und mit einer Drehachse parallel zu der dritten Richtung.
Wie später gezeigt wird, kann durch diese Maßnahme mittels nur einer Dampfzelle und wenigen Zusatzkomponenten eine rotatorische Orientierungsänderung in allen drei Raumrichtungen ermittelt werden. Somit werden die Kosten und das Bauvolumen für die Bereitstellung eines NMR-Gyroskops minimiert.
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.
Zweckmäßigerweise weisen die erste Richtung, die zweite Richtung und die dritte Richtung jeweils einen Winkel von 90° zueinander auf. Auf diese Weise lassen sich die rotatorischen Orientierungsänderungen besonders einfach berechnen.
Bevorzugt werden die rotatorischen Orientierungsänderungen Ω₁(t) mit einer Drehachse parallel zur ersten Richtung, Ω₂(t) mit einer Drehachse parallel zur zweiten Richtung und Ω₃(t) mit einer Drehachse parallel zur dritten Richtung aus den Beziehungen $\frac{\partial k_{2} (t)}{\partial t} = k_{3} (γ_{k} B_{D C} + 2 π Ω_{1} (t)) - k_{1} (0 + 2 π Ω_{3} (t)) - Γ_{2} k_{2},$
$\frac{\partial k_{3}}{\partial t} = k_{1} (γ_{k} B_{A C} sin (ω_{d r v} t) + 2 π Ω_{2} (t)) - k_{2} (γ_{k} B_{D C} + 2 π Ω_{1} (t)) - Γ_{2} k_{3}$
und $\frac{\partial k_{1}}{\partial t} = k_{2} (0 + 2 π Ω_{3} (t)) - k_{3} (γ_{k} B_{D C} sin (ω_{d r v} t) + 2 π Ω_{2} (t)) - Γ_{1} k_{1} + Γ_{s e} s_{1}$
gewonnen, wobei ω_drv der Frequenz des Magnetwechselfeldes entspricht, B_DC dem angelegten statischen Magnetfeld entspricht, B_AC der Amplitude des Magnetwechselfeldes in der zweiten Richtung entspricht, Γ₁ und Γ₂ den Populations- und Kohärenzzerfallsraten entsprechen, Γ_se die Spin-Austausch-Rate beschreibt, die zur Ausrichtung des Kernspins des zweiten Elements über die Austauschwechselwirkung mit dem Elektronenspin s₁ des ersten Elements führt, k₁ die Kernspinkomponente des zweiten Elements in der ersten Richtung ist und γ_k das gyromagnetische Verhältnis des Kernspins beschreibt. Durch die Messung der zeitlichen Verläufe von der Kernspinkomponente k₂(t) des zweiten Elements in der zweiten Richtung und der Kernspinkomponente k₃(t) des zweiten Elements in der dritten Richtung sind ausreichend Informationen vorhanden, um die rotatorischen Orientierungsänderungen bezüglich aller drei Raumachsen eindeutig zu ermitteln.
Insbesondere wird eine rotatorische Orientierungsänderung Ω₂(t) mit einer Drehachse parallel zu der zweiten Richtung ermittelt, indem zusätzlich zu dem Magnetwechselfeld in der zweiten Richtung mittels des ersten Magnetwechselfeldgenerators ein Feedback-Magnetfeld B_FB,2 (t) angelegt wird, das derart gesteuert wird, dass ein Offset von der Kernspinkomponente k₂(t) des zweiten Elements in der zweiten Richtung bezüglich der Larmorpräzession um die erste Richtung null wird, so dass über die Beziehung $Ω_{2} (t) = - \frac{γ_{k}}{2 π} B_{F B,2} (t)$
die rotatori-sche Orientierungsänderung Ω₂(t) bestimmbar ist. Auf diese Weise kann die rotatorische Orientierungsänderung Ω₂(t) mit einer Drehachse parallel zu der zweiten Richtung ohne großen Rechenaufwand ermittelt werden.
Zweckmäßigerweise wird eine rotatorische Orientierungsänderung Ω₃(t) mit einer Drehachse parallel zu der dritten Richtung ermittelt, indem in der dritten Richtung ein Feedback-Magnetfeld B_FB,3 (t) angelegt wird, das derart gesteuert wird, dass ein Offset von der Kernspinkomponente k₃(t) des zweiten Elements in der dritten Richtung bezüglich der Larmorpräzession um die erste Richtung null wird, so dass über die Beziehung $Ω_{3} (t) = - \frac{γ_{k}}{2 π} B_{F B,3} (t)$
die rotatorische Orientierungs-änderung Ω₃(t) bestimmbar ist.
Bevorzugt wird eine rotatorische Orientierungsänderung Ω₁(t) mit einer Drehachse parallel zu der ersten Richtung ermittelt wird, indem eine Frequenzverschiebung der Kernspinkomponente des zweiten Elements in der zweiten Richtung und/oder der Kernspinkomponente in der dritten Richtung durch Änderung der Frequenz des in der zweiten Richtung angelegten Magnetwechselfeldes derart ausgeglichen wird, dass die Frequenz des angelegten Magnetwechselfeldes der gemessenen Frequenz der Kernspinkomponente k₂(t) des zweiten Elements in der zweiten Richtung und/oder der Kernspinkomponente k₃(t) des zweiten Elements in der dritten Richtung entspricht. Die Frequenzverschiebung wird dabei insbesondere von einer Phasenregelschleife bzw. einem Phase-locked-loop ermittelt.
Zweckmäßigerweise erfolgt das Messen der Kernspinkomponente k₃ des zweiten Elements in der dritten Richtung dadurch, dass ein erster linear polarisierter Auswerte-Laserstrahl von einem ersten Auswerte-Laser in der dritten Richtung die Dampfzelle durchstrahlt, wobei dieser Auswerte-Laserstrahl nach dem Durchstrahlen der Dampfzelle auf einen polarisierenden ersten Strahlteiler trifft, der den ersten Auswerte-Laserstrahl in einen transmittierten und einen reflektierten Strahl teilt, wobei ein erster und zweiter Detektor vorgesehen sind, so dass der transmittierte Strahl auf den ersten Detektor trifft, der reflektierte Strahl auf den zweiten Detektor trifft. Dies ist vorteilhaft, da auf diese Weise durch die Rotation der Polarisationsebene in Abhängigkeit von der Kernspinkomponente k₃ des zweiten Elements in der dritten Richtung der zeitliche Verlauf dieser Kernspinkomponente k₃ sehr einfach und genau gemessen werden kann.
Insbesondere erfolgt das Messen der Kernspinkomponente k₂(t) des zweiten Elements in der zweiten Richtung dadurch, dass ein linear polarisierter zweiter Auswerte-Laserstrahl von einem zweiten Auswerte-Laser in der zweiten Richtung die Dampfzelle durchstrahlt, wobei dieser Auswerte-Laserstrahl nach dem Durchstrahlen der Dampfzelle auf einen polarisierenden zweiten Strahlteiler trifft, der den zweiten Auswerte-Laserstrahl in einen transmittierten und einen reflektierten Strahl teilt, wobei ein dritter und vierter Detektor vorgesehen sind, so dass der transmittierte Strahl auf den dritten Detektor trifft, der reflektierte Strahl auf den vierten Detektor trifft. Dies ist vorteilhaft, da auf diese Weise durch die Rotation der Polarisationsebene in Abhängigkeit von der Kernspinkomponente k₂ des zweiten Elements in der zweiten Richtung der zeitliche Verlauf dieser Kernspinkomponente k₂ sehr einfach und genau gemessen werden kann.
Bevorzugt wird die Dampfzelle konstant auf einen Wert zwischen 110°C und 120°C, bevorzugt 115°C, temperiert, was insbesondere mittels eines Infrarotlasers erreicht wird. Dies ist vorteilhaft, da auf diese Weise die Messkonstanten gleich bleiben und Messverfälschungen durch Temperaturänderungen vermieden werden.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung 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 eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen NMR-Gyroskops 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 111 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 eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen NMR-Gyroskops in einer schematischen, perspektivischen Ansicht. Das NMR-Gyroskop weist eine Dampfzelle 104 auf, die hier ein Gemisch aus gasförmigem Rubidium als erstes Element und gasförmigem Xenon als zweites Element beinhaltet.
Weiterhin weist das NMR-Gyroskop einen Pumplaser 101 auf. Dieser ist dazu eingerichtet, in einer ersten Richtung 1 einen zirkular polarisierten Laserstrahl 101a derart zu emittieren, dass dieser die Dampfzelle 104 in der ersten Richtung 1 durchstrahlt und die Rubidium-Elektronenspins 11 in der ersten Richtung 1 polarisiert. Durch eine starke Elektron-Kernspin-Wechselwirkung werden dadurch auch die Xenon-Kernspins 12 in der ersten Richtung polarisiert.
Zusätzlich weist das Gyroskop einen Magnetfeldgenerator zur Erzeugung eines statischen Magnetfeldes in der ersten Richtung 1 auf. Dieser Magnetfeldgenerator weist in dieser Ausführungsform ein Helmholtz-Spulenpaar 501 auf. Wird in der ersten Richtung 1 ein statisches Magnetfeld der Stärke B_DC angelegt, präzidieren die Xenon-Kernspins 12 mit der Larmorfrequenz um das statische Magnetfeld.
Weiterhin weist das Gyroskop einen ersten Magnetwechselfeldgenerator mit einem Helmholtz-Spulenpaar 502 und einem Ansteuergerät 205 auf, der dazu eingerichtet ist, ein Magnetwechselfeld in einer zweiten Richtung 2 senkrecht zur ersten Richtung 1 zu erzeugen. Das Magnetwechselfeld hat die Amplitude B_AC. Es weist eine Kreisfrequenz ω_drv auf, die der Larmorfrequenz der Larmorpräzession der Xenon-Kernspins 12 um das statische Magnetfeld 30 entspricht. Dadurch wird die Larmorpräzession der Xenon-Kernspins gleichphasig.
Darüber hinaus weist das Gyroskop hier einen ersten Auswerte-Laser 102 auf, der dazu eingerichtet ist, einen linear polarisierten ersten Auswerte-Laserstrahl 102a in der zweiten Richtung 2 derart zu emittieren, dass dieser die Dampfzelle 104 in der zweiten Richtung 2 durchstrahlt. Dieser erste Auswerte-Laserstrahl 102a trifft nach der Dampfzelle 104 derart auf einen ersten polarisierenden Strahlteiler 201, dass ein transmittierter Strahl mit einer ersten linearen Polarisationsrichtung auf einen ersten Detektor 202 trifft und ein reflektierter Strahl mit einer zur ersten senkrechten zweiten linearen Polarisationsrichtung auf einen zweiten Detektor 203 trifft. Der polarisierende Strahlteiler ist hier als Strahlteilerwürfel ausgebildet.
Das NMR-Gyroskop weist hier außerdem einen zweiten Auswerte-Laser 103 auf, der dazu eingerichtet ist, die Dampfzelle 104 mit einem zweiten Auswerte-Laserstrahl 103a in einer dritten Richtung 3 zu durchstrahlen. Die dritte Richtung 3 ist senkrecht zur ersten 1 und zweiten Richtung 2. Der zweite Auswerte-Laserstrahl 103a trifft nach der Dampfzelle 104 auf einen zweiten polarisierenden Strahlteiler 301. Der zweite Strahlteiler 301 ist in dieser Ausführungsform analog zum ersten Strahlteiler 201 als Strahlteilerwürfel ausgebildet. Der zweite Strahlteiler 301 ist dazu eingerichtet, eine Komponente des zweiten Auswerte-Laserstrahls 103a mit einer ersten linearen Polarisationsrichtung in einem transmittierten Strahl fortzusetzen, der auf einen dritten Detektor 302 trifft. Weiterhin ist der zweite Strahlteiler 301 dazu eingerichtet, eine Komponente des zweiten Auswerte-Laserstrahls 103a mit einer zweiten linearen Polarisationsrichtung senkrecht zur ersten Polarisationsrichtung in einem reflektierten Strahl fortzusetzen, der auf einen vierten Detektor 303 trifft.
Ferner weist das NMR-Gyroskop einen zweiten Magnetwechselfeldgenerator mit einem Helmholtz-Spulenpaar 503 und einem Ansteuergerät 305 auf, der dazu eingerichtet ist, ein Magnetwechselfeld in der dritten Richtung 3 an der Dampfzelle anzulegen.
Zur Auswertung der Detektorsignale weist das NMR-Gyroskop eine Auswerteeinheit auf, die in dieser Ausführungsform aus einem ersten 204 und zweiten 304 Auswertemodul und dem ersten 205 und zweiten 305 Ansteuergerät des ersten und zweiten Magnetwechselfeldgenerators besteht.
Das erste Auswertemodul 204 ist dazu eingerichtet, als Differenz aus den gemessenen Intensitäten am ersten 202 und zweiten Detektor 203 einen zeitlichen Verlauf der Kernspinkomponente k₂(t) des zweiten Elements in der zweiten Richtung zu ermitteln. Wenn der zeitliche Verlauf einen Offset, d.h. eine Verschiebung der Signalnull- bzw. -grundlinie aufweist, wird ein Feedback-Magnetfeld B_FB,2(t) derart mittels des ersten Ansteuergerätes 205 und des ersten Magnetwechselfeldgenerators 502 ausgegeben, dass der gemessene Offset verschwindet. Mittels des ersten Auswertemoduls 204 kann dann aus der Beziehung $Ω_{2} (t) = - \frac{γ_{k}}{2 π} B_{F B,2} (t)$
eine rotatorische Orientierungsänderung bzw. Drehrate mit einer Drehachse parallel zu der zweiten Richtung ermittelt werden.
Das zweite Auswertemodul 304 ist dazu eingerichtet, als Differenz aus den gemessenen Intensitäten am dritten 302 und vierten Detektor 303 einen zeitlichen Verlauf der Kernspinkomponente k₃(t) des zweiten Elements in der dritten Richtung zu ermitteln. Wenn der zeitliche Verlauf einen Offset aufweist, wird ein Feedback-Magnetfeld B_FB,3(t) derart mittels des ersten Ansteuergerätes 305 und des ersten Magnetwechselfeldgenerators 503 ausgegeben, dass der gemessene Offset verschwindet. Mittels des zweiten Auswertemoduls 304 kann dann aus der Beziehung $Ω_{3} (t) = - \frac{γ_{k}}{2 π} B_{F B,3} (t)$
B_FB,3 eine rotatorische Orientierungsänderung bzw. Drehrate mit einer Drehachse parallel zu der dritten Richtung 3 ermittelt werden.

Claims

Verfahren zur Ermittlung einer Änderung einer rotatorischen Orientierung im Raum eines NMR-Gyroskops aufweisend eine Dampfzelle (104), die ein Gemisch aus wenigstens einem gasförmigen ersten Element und wenigstens einem gasförmigen zweiten Elements mit nicht verschwindendem Kernspin enthält, umfassend die Schritte: - Polarisieren von Elektronenspins (11) des ersten Elements in einer ersten Richtung (1), sodass 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; - Anlegen 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; - Anlegen eines Magnetwechselfeldes (60) in einer zweiten Richtung (2) senkrecht zur Polarisationsrichtung (1) der Kernspins (12) des zweiten Elements, wobei das Magnetwechselfeld (60) eine Frequenz aufweist, die der Larmorfrequenz der Larmorpräzession der Kernspins (12) des zweiten Elements um das statische Magnetfeld entspricht, sodass die Larmorpräzession der Kernspins (12) des zweiten Elements innerhalb der Dampfzelle (104) gleichphasig wird; - Messen einer Kernspinkomponente k₂ des zweiten Elements in der zweiten Richtung (2) und einer Kernspinkomponente k₃ des zweiten Element in einer dritten Richtung (3), die senkrecht zu der ersten Richtung (1) ist und sich von der zweiten Richtung (2) unterscheidet; - Bestimmen einer rotatorischen Orientierungsänderung der Dampfzelle (104) mit einer Drehachse parallel zur ersten Richtung (1), mit einer Drehachse parallel zur zweiten Richtung (2) und mit einer Drehachse parallel zur dritten Richtung (3) aus der Kernspinkomponente k₂des zweiten Element in der zweiten Richtung (2) und der Kernspinkomponente k₃ des zweiten Elements in der dritten Richtung (3).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste Richtung (1), die zweite Richtung (2) und die dritte Richtung (3) jeweils einen Winkel von 90° zueinander aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die rotatorischen Orientierungsänderungen Ω₁(t) mit einer Drehachse parallel zur ersten Richtung (1), Ω₂(t) mit einer Drehachse parallel zur zweiten Richtung (2) und Ω₃(t) mit einer Drehachse parallel zur dritten Richtung (3) aus den Beziehungen $\frac{\partial k_{2} (t)}{\partial t} = k_{3} (γ_{k} B_{D C} + 2 π Ω_{1} (t)) - k_{1} (0 + 2 π Ω_{3} (t)) - Γ_{2} k_{2},$
$\frac{\partial k_{3}}{\partial t} = k_{1} (γ_{k} B_{A C} sin (ω_{d r v} t) + 2 π Ω_{2} (t)) - k_{2} (γ_{k} B_{D C} + 2 π Ω_{1} (t)) - Γ_{2} k_{3}$
und $\frac{\partial k_{1}}{\partial t} = k_{2} (0 + 2 π Ω_{3} (t)) - k_{3} (γ_{k} B_{D C} sin (ω_{d r v} t) + 2 π Ω_{2} (t)) - Γ_{1} k_{1} + Γ_{s e} s_{1}$
gewonnen werden, wobei ω_drv der Frequenz des Magnetwechselfeldes entspricht, B_DC dem angelegten statischen Magnetfeld entspricht, B_AC der Amplitude des Magnetwechselfeldes in der zweiten Richtung entspricht, Γ₁ und Γ₂ den Populations- und Kohärenzzerfallsraten entsprechen, Γ_se die Spin-Austausch-Rate beschreibt, die zur Ausrichtung des Kernspins des zweiten Elements über die Austauschwechselwirkung mit dem Elektronenspin s₁ des ersten Elements führt, k₁ die Kernspinkomponente des zweiten Elements in der ersten Richtung (1) ist und γ_k das gyromagnetische Verhältnis des Kernspins beschreibt.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei eine rotatorische Orientierungsänderung Ω₂(t) mit einer Drehachse parallel zu der zweiten Richtung (2) ermittelt wird, indem zusätzlich zu dem Magnetwechselfeld (60) in der zweiten Richtung (2) ein Feedback-Magnetfeld B_FB,2 (t) angelegt wird, das derart gesteuert wird, dass ein Offset der Kernspinkomponente k₂ des zweiten Elements in der zweiten Richtung (2) null wird, so dass über die Beziehung $Ω_{2} (t) = - \frac{γ_{k}}{2 π} B_{F B,2} (t)$
die rotatorische Orientierungsänderung Ω₂(t) (t) bestimmbar ist.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei eine rotatorische Orientierungsänderung Ω₃(t) mit einer Drehachse parallel zu der dritten Richtung (3) ermittelt wird, indem in der dritten Richtung (3) ein Feedback-Magnetfeld B_FB,3 (t) angelegt wird, das derart gesteuert wird, dass ein Offset der Kernspinkomponente k₃ des zweiten Elements in der dritten Richtung (3) null wird, so dass über die Beziehung $Ω_{3} (t) = - \frac{γ_{k}}{2 π} B_{F B,3} (t)$
die rotatorische Orientie-rungsänderung Ω₃(t) bestimmbar ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei eine rotatorische Orientierungsänderung Ω₁(t) mit einer Drehachse parallel zu der ersten Richtung (1) ermittelt wird, indem eine Frequenzverschiebung der Kernspinkomponente k₂ des zweiten Elements in der zweiten Richtung (2) und/oder der Kernspinkomponente k₃ in der dritten Richtung (3) durch Änderung der Frequenz des in der zweiten Richtung (2) angelegten Magnetwechselfeldes derart ausgeglichen wird, dass die Frequenz des angelegten Magnetwechselfeldes der gemessenen Frequenz der Kernspinkomponente k₂ des zweiten Elements in der zweiten Richtung (2) und/oder der Kernspinkomponente k₃ des zweiten Elements in der dritten Richtung (3) entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei das Messen der Kernspinkomponente k₃ des zweiten Elements in der dritten Richtung (3) dadurch erfolgt, dass ein erster linear polarisierter Auswerte-Laserstrahl (103a) in der dritten Richtung (3) die Dampfzelle (104) durchstrahlt, wobei der Auswerte-Laserstrahl (103a) nach dem Durchstrahlen der Dampfzelle (104) auf einen polarisierenden Strahlteiler (301) trifft, der den ersten Auswerte-Laserstrahl (103a) in einen transmittierten und einen reflektierten Strahl teilt, wobei ein erster und zweiter Detektor (302, 303) vorgesehen sind, so dass der transmittierte Strahl auf den ersten Detektor (302) trifft, der reflektierte Strahl auf den zweiten Detektor (303) trifft und die Signaldifferenz ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei das Messen der Kernspinkomponente k₂ des zweiten Elements in der zweiten Richtung (2) dadurch erfolgt, dass ein linear polarisierter zweiter Auswerte-Laserstrahl (103a) in der zweiten Richtung (2) die Dampfzelle (104) durchstrahlt, wobei dieser Auswerte-Laserstrahl (103a) nach dem Durchstrahlen der Dampfzelle (104) auf einen polarisierenden Strahlteiler (201) trifft, der den zweiten Auswerte-Laserstrahl (103a) in einen transmittierten und einen reflektierten Strahl teilt, wobei ein dritter (202) und vierter Detektor (203) vorgesehen sind, so dass der transmittierte Strahl auf den dritten Detektor (202) trifft, der reflektierte Strahl auf den vierten Detektor (203) trifft und die Signaldifferenz ermittelt wird..
NMR-Gyroskop, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche, das folgendes aufweist: - eine Dampfzelle (104), die ein Gemisch aus wenigstens einem gasförmigen ersten Element und wenigstens einem gasförmigen zweiten Element mit nicht verschwindendem Kernspin beinhaltet; - einen Pumplaser (101) zum Polarisieren von Elektronenspins (11) des ersten Elements, der dazu eingerichtet ist, die Elektronenspins (11) des ersten Elements in der Dampfzelle (104) mittels eines Pumplaserstrahls (101a) in einer ersten Richtung (1) zu polarisieren; - einen Magnetfeldgenerator (501) zur Erzeugung eines statischen Magnetfeldes in Richtung der Polarisation der Elektronenspins (11) des ersten Elements; - einen ersten Magnetwechselfeldgenerator (502), der dazu eingerichtet ist, ein Magnetfeld in einer zweiten Richtung (2) senkrecht zu der ersten Richtung (1) mit einer Frequenz zu erzeugen, die der Larmorfrequenz der Larmorpräzession der Kernspins (12) des zweiten Elements um das statische Magnetfeld (30) entspricht; - eine Messeinrichtung, die dazu eingerichtet ist, eine Kernspinkomponente k₂ des zweiten Elements in der zweiten Richtung (2) zu messen und eine Kernspinkomponente k₃ des zweiten Elements in einer dritten Richtung (3) zu messen, die senkrecht zu der ersten Richtung (1) ist und sich von der zweiten Richtung unterscheidet; - eine Auswerteeinrichtung, die dazu eingerichtet ist, eine rotatorische Orientierungsänderung mit einer Drehachse parallel zu der ersten Richtung, eine rotatorische Orientierungsänderung mit einer Drehachse parallel zu der zweiten Richtung und eine rotatorische Orientierungsänderung mit einer Drehachse parallel zu einer dritten Richtung aus der Kernspinkomponente k₂ des zweiten Elements in der zweiten Richtung (2) und aus der Kernspinkomponente k₃ des zweiten Elements in der dritten Richtung (3) zu bestimmen.
NMR-Gyroskop nach Anspruch 9, wobei die erste Richtung (1), die zweite Richtung (2) und die dritte Richtung (3) jeweils einen Winkel von 90° zueinander aufweisen.
NMR-Gyroskop nach Anspruch 10, das ferner einen zweiten Magnetwechselfeldgenerator (503) zum Anlegen eines Feedback-Magnetfeldes in der dritten Richtung (3) aufweist, wobei die Auswerteeinheit dazu eingerichtet ist, ein Feedback-Magnetfeld B_FB,3 derart in der dritten Richtung (3) anzulegen, dass ein Offset der Kernspinkomponente k₃ des zweiten Elements in der dritten Richtung (3) null wird, so dass über die Beziehung $Ω_{3} (t) = - \frac{γ_{k}}{2 π} B_{F B,3} (t)$
die rotatorische Orientierungsänderung Ω₃(t) bestimmbar ist.
NMR-Gyroskop nach einem der Ansprüche 10 bis 11, wobei die Auswerteeinheit dazu eingerichtet ist, mittels des ersten Magnetwechselfeldgenerators (502) ein Feedback-Magnetfeld B_FB,2 zusätzlich zu dem Magnetwechselfeld derart in der zweiten Richtung (2) anzulegen, dass ein Offset der Kernspinkomponente k₂(t)in der zweiten Richtung (2) null wird, so dass über die Beziehung $Ω_{2} (t) = - \frac{γ_{k}}{2 π} B_{F B,2} (t)$
die rotatorische Orientierungsänderung Ω₂(t) bestimmbar ist.
NMR-Gyroskop nach einen der Ansprüche 10 bis 12, wobei die Auswerteeinheit ferner eine Phasenregelschleifenanordnung aufweist, die dazu eingerichtet ist, eine rotatorische Orientierungsänderung Ω₁(t) mit einer Drehachse parallel zu der ersten Richtung (1) zu ermitteln, indem eine Frequenzverschiebung der Kernspinkomponente k₂ des zweiten Elements in der zweiten Richtung (2) und/oder der Kernspinkomponente k₃ des zweiten Elements in der dritten Richtung (3) durch Änderung der Frequenz des in der zweiten Richtung (2) angelegten Magnetwechselfeldes derart ausgeglichen wird, dass die Frequenz des angelegten Magnetwechselfeldes der gemessenen Frequenz von der Kernspinkomponente k₂(t) des zweiten Elements in der zweiten Richtung (2) und/oder von der Kernspinkomponente k₃(t) des zweiten Elements in der dritten Richtung (3) entspricht.
NMR-Gyroskop nach einem der Ansprüche 10 bis 13, das ferner einen ersten Auswerte-Laser (103) zum Durchstrahlen der Dampfzelle (104) mittels eines linear polarisierten ersten Auswerte-Laserstrahls (103a) in der dritten Richtung (3) aufweist, wobei dieser Auswerte-Laserstrahl (103a) nach dem Durchstrahlen der Dampfzelle (104) auf einen polarisierenden ersten Strahlteiler (301) trifft, der den ersten Auswerte-Laserstrahl (103a) in einen transmittierten und einen reflektierten Strahl teilt, wobei ein erster (302) und ein zweiter Detektor (303) vorgesehen sind, so dass der transmittierte Strahl auf den ersten Detektor (302) trifft, der reflektierte Strahl auf den zweiten Detektor (303) trifft.
NMR-Gyroskop nach einem der Ansprüche 10 bis 14, das ferner einen zweiten Auswerte-Laser (102) zum Durchstrahlen der Dampfzelle (104) mittels eines linear polarisierten zweiten Auswerte-Laserstrahls (102a) in der zweiten Richtung (2) aufweist, wobei dieser Auswerte-Laserstrahl (102a) nach dem Durchstrahlen der Dampfzelle (104) auf einen polarisierenden ersten Strahlteiler (201) trifft, der den ersten Auswerte-Laserstrahl (102a) in einen transmittierten und einen reflektierten Strahl teilt, wobei ein dritter (202) und ein vierter Detektor (203) vorgesehen sind, so dass der transmittierte Strahl auf den dritten Detektor (202) trifft, der reflektierte Strahl auf den vierten Detektor (203) trifft.