DE102019220363A1 - Method for determining a change in a rotational orientation in the space of an NMR gyroscope and NMR gyroscope - Google Patents

Method for determining a change in a rotational orientation in the space of an NMR gyroscope and NMR gyroscope Download PDF

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Janine Riedrich-Moeller
Andres Brenneis
Robert Roelver
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung einer Änderung einer rotatorischen Orientierung im Raum mittels eines NMR-Gyroskops und bedient sich der Maßnahme, wenigstens zwei Dampfzellen (109a, 109b, 109c), 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, mit unterschiedlichen statischen Magnetfeldern zu beaufschlagen. Die Ermittlung der rotatorischen Orientierungsänderung kann mittels eines Auswerte-Laserstrahls (70) erfolgen, der die Dampfzellen nacheinander durchstrahlt, und dessen Polarisationsanteile anschließend gemessen werden. Durch die Wahl unterschiedlicher Beträge der statischen Magnetfelder unterscheidet sich die Larmorfrequenz der Kernspinpräzession in den wenigstens zwei Dampfzellen voneinander. Dadurch lassen sich die unterschiedlichen Frequenzanteile des von dem Detektor erfassten Auswerte-Laserstrahls bzw. des erfassten Signals getrennt voneinander auswerten.The invention relates to a method for determining a change in a rotational orientation in space by means of an NMR gyroscope and makes use of the measure of having at least two vapor cells (109a, 109b, 109c), each with at least one gaseous first element and one gaseous second element non-vanishing nuclear spin are filled and which are each provided for the determination of a rotational change in orientation about an axis to apply different static magnetic fields. The rotational change in orientation can be determined by means of an evaluation laser beam (70) which irradiates the vapor cells one after the other and whose polarization components are then measured. By choosing different amounts of the static magnetic fields, the Larmor frequency of the nuclear spin precession differs from one another in the at least two steam cells. This allows the different frequency components of the evaluation laser beam detected by the detector or of the detected signal to be evaluated separately from one another.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung einer Änderung einer rotatorischen Orientierung im Raum eines NMR-Gyroskops sowie ein NMR-Gyroskop.The present invention relates to a method for determining a change in a rotational orientation in the space of an NMR gyroscope and to an NMR gyroscope.

Stand der TechnikState of the art

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.One can use rotation rate sensors or gyroscopes based on MEMS to determine a change in a rotational orientation in space. These are inexpensive and small. Its deviation is around 1 ° / hour and its accuracy enables autonomous cars, for example, to stay in lane for around 40 seconds if all other driver assistance systems fail. For example, they can serve as a backup for radar positioning, video assistance positioning and GPS positioning.

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.Laser gyroscopes, which can be used for aircraft navigation, are much more precise. They are based on the optical Sagnac effect and their deviation is only approx. 0.0035 ° / hour. However, they are relatively large and expensive and therefore hardly suitable for use in vehicles.

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.An alternative option is to use NMR gyroscopes ("Nuclear Magnetic Resonance"). These evaluate nuclear magnetic resonance signals from atomic nuclei with a non-vanishing magnetic moment. These can be produced in miniature versions and show a deviation of approx. 0.02 ° / hour. This makes them up to 50 times more accurate than MEMS gyroscopes.

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.One way to provide a single axis NMR gyroscope is to provide a vapor chamber with a mixture of, for example, xenon and rubidium. The rubidium electron spins in the vapor cell can be polarized by means of a polarized pump laser beam. Due to a strong coupling between rubidium and xenon, this leads to a polarization of the xenon nuclear spins parallel to the rubidium electron spins. A nuclear spin precession of the xenon nuclear spins around the static magnetic field can be generated by means of a static magnetic field in the direction of polarization. The precession frequency is the Larmor frequency dependent on the static magnetic field. A coherent precession of all nuclear spins can be achieved through an alternating magnetic field, the frequency of which corresponds to the Larmor frequency and which can be applied perpendicular to the static magnetic field. If a polarized sample or evaluation laser beam is now radiated through the steam cell perpendicular to the static magnetic field, the polarization of the sample laser beam is rotated periodically with the Larmor frequency due to the Faraday effect. A polarizer or polarization filter and a detector can thus be used to observe an intensity fluctuation that is modulated with the Larmor frequency. A rotation of the sensor about an axis of rotation parallel to the static magnetic field leads to a shift in the Larmor frequency proportional to the rate of rotation. By evaluating the intensity signal that is output by the detector, a change in the rotational orientation with an axis of rotation parallel to the direction of polarization can be determined.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

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.According to the invention, a method for determining a change in a rotational orientation in the space of an NMR gyroscope and an NMR gyroscope with the features of the independent claims are proposed. Advantageous refinements are the subject matter of the subclaims and the description below.

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, mit unterschiedlichen statischen Magnetfeldern zu beaufschlagen. Die Ermittlung der rotatorischen Orientierungsänderung kann mittels eines Auswerte-Laserstrahls erfolgen, der die Dampfzellen nacheinander durchstrahlt, und dessen Polarisationsanteile anschließend gemessen werden.The invention makes use of the measure of providing at least two steam cells, which are each filled with at least one gaseous first element and one gaseous second element with non-vanishing nuclear spin and which are each provided for determining a rotational change in orientation about an axis, with different static magnetic fields apply. The rotational change in orientation can be determined by means of an evaluation laser beam which shines through the vapor cells one after the other and whose polarization components are then measured.

Durch die Wahl unterschiedlicher Beträge der statischen Magnetfelder unterscheidet sich die Larmorfrequenz der Kernspinpräzession in den wenigstens zwei Dampfzellen voneinander. Dadurch lassen sich die unterschiedlichen Frequenzanteile des von dem Detektor erfassten Auswerte-Laserstrahls bzw. des erfassten Signals getrennt voneinander auswerten, ohne zusätzliche Detektoren, Polarisationsfilter und Auswerte-Laserstrahlen zu benötigen. 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 aber nur einem Auswerte-Laserstrahl eine rotatorische Orientierungsänderung bezüglich wenigstens zwei Raumachsen bestimmen.By choosing different amounts of the static magnetic fields, the Larmor frequency of the nuclear spin precession differs from one another in the at least two steam cells. As a result, the different frequency components of the evaluation laser beam detected by the detector or the detected signal can be evaluated separately from one another without the need for additional detectors, polarization filters and evaluation laser beams. As a result, the structure can be made more compact and cheaper. Instead of providing a separate NMR gyroscope for each spatial axis, a single gyroscope with at least two steam cells but only one evaluation laser beam can determine a rotational change in orientation with respect to at least two spatial axes.

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.In particular, an alkali metal, preferably rubidium or cesium, can be used as the first element. The second element with non-vanishing nuclear spin can in particular be xenon, helium, krypton or neon or a special isotope mixture of the gases, for example Xe-129 and Xe-131. A gas with a specially adjusted isotope mixture of, for example, xenon with at least one other gas such as, for example, helium, neon or krypton is also conceivable.

Bevorzugt werden die Elektronenspins des ersten Elements in drei Dampfzellen polarisiert. Dabei werden die Elektronenspins des ersten Elements in einer dritten Dampfzelle in einer dritten Richtung, bevorzugt mittels eines dritten Pumplasers, polarisiert, die nicht innerhalb einer von der ersten Richtung und der zweiten Richtung aufgespannten Ebene liegt. Dadurch kann vorteilhaft eine rotatorische Orientierungsänderung in jeder beliebigen Raumrichtung erfasst werden. The electron spins of the first element are preferably polarized in three vapor cells. The electron spins of the first element are polarized in a third vapor cell in a third direction, preferably by means of a third pump laser, which does not lie within a plane spanned by the first direction and the second direction. As a result, a rotational change in orientation can advantageously be detected in any spatial direction.

Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die erste Richtung, die zweite Richtung und die dritte Richtung jeweils einen Winkel von 90° zueinander aufweisen. Auf diese Weise lassen sich die rotatorischen Orientierungsänderungen besonders leicht bestimmen.In particular, it is advantageous if the first direction, the second direction and the third direction each have an angle of 90 ° to one another. In this way, the rotational changes in orientation can be determined particularly easily.

Zweckmäßigerweise wird zum Auswerten des detektierten Messsignals aus dem Auswerte-Laserstrahl bzw. Lichtsignals, das ein Intensitätssignal ist, je Dampfzelle, bevorzugt mittels jeweils eines Frequenzanalysators, ein Frequenzanteil extrahiert, der der Larmorfrequenz entspricht, die sich aus dem Betrag des jeweiligen statischen Magnetfeldes ergibt. Somit können die Frequenzverschiebungen in jeder Dampfzelle vorteilhaft getrennt voneinander ausgewertet werden.To evaluate the detected measurement signal, a frequency component corresponding to the Larmor frequency resulting from the magnitude of the respective static magnetic field is expediently extracted from the evaluation laser beam or light signal, which is an intensity signal, for each steam cell, preferably by means of a frequency analyzer. Thus, the frequency shifts in each steam cell can advantageously be evaluated separately from one another.

Dieser Frequenzanalysator kann insbesondere als Recheneinheit zur Durchführung einer Fast- oder Diskrete-Fourier-Transformation oder als eine Schaltung mit jeweils einem Bandpassfilter für jede Frequenz ausgebildet sein. Dies sind besonders robuste und bewährte Mittel, um eine Frequenzextraktion aus einem zusammengesetzten Signal durchzuführen.This frequency analyzer can in particular be designed as a computing unit for performing a fast or discrete Fourier transformation or as a circuit with a bandpass filter for each frequency. These are particularly robust and proven means of performing frequency extraction from a composite signal.

Bevorzugt wird jeder Frequenzanteil des Messsignals an eine Phasenregelschleife (bzw. eine Phase-Locked-Loop-Regelung bzw. eine entsprechende Anordnung) weitergegeben, die dazu eingerichtet ist, die Frequenz des Frequenzanteils mit der Frequenz des jeweils angelegten Magnetwechselfelds zu vergleichen und bei einer Abweichung die Frequenz des jeweiligen Magnetwechselfelds entsprechend über einen jeweiligen Magnetwechselfeldgenerator nachzuführen. Ohne rotatorische Orientierungsänderung oszilliert der jeweilige Frequenzanteil mit der Frequenz des angelegten Magnetwechselfeldes. Bei einer Abweichung kann das Magnetwechselfeld entsprechend der Frequenzänderung des Frequenzanteils nachgeführt werden. Da die Abweichung ein Maß für eine rotatorische Orientierungsänderung mit einer Drehachse parallel zu dem jeweiligen statischen Magnetfeld ist, kann somit eine rotatorische Orientierungsänderung sehr genau ermittelt werden.Each frequency component of the measurement signal is preferably passed on to a phase-locked loop (or a phase-locked loop control or a corresponding arrangement), which is set up to compare the frequency of the frequency component with the frequency of the respectively applied alternating magnetic field and in the event of a deviation to track the frequency of the respective alternating magnetic field accordingly via a respective alternating magnetic field generator. Without a rotational change in orientation, the respective frequency component oscillates with the frequency of the applied alternating magnetic field. In the event of a deviation, the alternating magnetic field can be tracked according to the frequency change in the frequency component. Since the deviation is a measure of a rotational change in orientation with an axis of rotation parallel to the respective static magnetic field, a rotational change in orientation can thus be determined very precisely.

Diese einem Frequenzanteil entsprechende rotatorische Orientierungsänderung mit einer Drehachse parallel zu jeweils dem statischen Magnetfeld wird, bevorzugt durch eine Auswerteeinheit, zweckmäßigerweise über die Beziehung Ωi = 2π f(Gi - γB0i erhalten, wobei Ωi die rotatorische Orientierungsänderung bezeichnet, f(Gi) die aktuelle von dem Magnetwechselfeldgenerator ausgegebene Frequenz bezeichnet, γ das gyromagnetische Verhältnis des Kernspins bezeichnet und B0i das statische Magnetfeld bezeichnet. Dies ist eine besonders einfache Möglichkeit, um die rotatorische Orientierungsänderung zu erhalten.This rotational change in orientation, corresponding to a frequency component, with an axis of rotation parallel to the static magnetic field in each case is obtained, preferably by an evaluation unit, expediently via the relationship Ω i = 2π f (G i - γB 0i , where Ω i denotes the rotational change in orientation, f (G i ) denotes the current frequency output by the alternating magnetic field generator, γ denotes the gyromagnetic ratio of the nuclear spin and B 0i denotes the static magnetic field. This is a particularly simple way of obtaining the rotational change in orientation.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird jede Dampfzelle konstant auf einen Wert zwischen 110°C und 120°C temperiert, insbesondere 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.In a particularly advantageous embodiment, each steam cell is kept constant at a temperature between 110 ° C. and 120 ° C., in particular 115 ° C., which is preferably achieved by means of an infrared laser. This is advantageous because both gases are present in gaseous form in this temperature range and the strong interaction between the electron spins of the first element and the nuclear spins of the second element with non-vanishing nuclear spin is optimal.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.Further advantages and embodiments of the invention emerge from the description and the accompanying drawings.

Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.The invention is shown schematically in the drawings using an exemplary embodiment and is described below with reference to the drawings.

FigurenlisteFigure list

  • 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; 1 shows a steam cell with a mixture of a first gas and a second gas with non-vanishing nuclear spin under the action of a pump laser and a static magnetic field in a schematic view;
  • 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; 2 shows the steam cell off 1 , after the nuclear spins of the gas with non-vanishing nuclear spin have aligned parallel to the electron spins of the first gas, in a schematic view;
  • 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; 3 shows the steam cell off 1 and 2 , to which an alternating magnetic field is applied perpendicular to the static magnetic field, the frequency of which corresponds to the Larmor frequency of the Larmor precession of the nuclear spins of the gas with non-vanishing nuclear spin around the static magnetic field, in a schematic view;
  • 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; 4th shows the steam cell off 3 , which is irradiated with a polarized evaluation laser beam perpendicular to the static magnetic field, the light of which is then detected by a detector with an upstream polarization filter, in a schematic view;
  • 5 zeigt ein NMR-Gyroskop gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in einer schematischen Ansicht; 5 shows an NMR gyroscope according to a preferred embodiment of the invention in a schematic view;
  • 6 zeigt eine Anordnung bestehend aus der Auswerteeinheit, dem Detektor, sowie dem ersten, zweiten und dritten Magnetwechselfeldgenerator des NMR-Gyroskops gemäß der Ausführungsform aus 5 in einer schematischen Ansicht. 6th shows an arrangement consisting of the evaluation unit, the detector, and the first, second and third alternating magnetic field generator of the NMR gyroscope according to the embodiment from 5 in a schematic view.

Ausführungsform der ErfindungEmbodiment of the invention

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.Based on 1 to 4th The following describes the technical principle of an NMR gyroscope and a method for determining the change in a rotational orientation in space by means of such an NMR gyroscope.

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.In order to determine a change in a rotational orientation in space by means of an NMR gyroscope with an axis of rotation parallel to a spatial axis, a vapor cell with a mixture of here rubidium as the first gaseous element and here xenon as the second gaseous element with non-vanishing nuclear spin is required.

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.Such a steam cell is in 1 shown. A static magnetic field is generated in the direction of the aforementioned spatial axis 30th created. Furthermore, the steam cell becomes parallel to the static magnetic field 30th from a pump laser with circularly polarized light 20th radiates through the electron spins of the rubidium atoms at a frequency that is suitable for this 11 , i.e. the rubidium electron spins, in the direction of the static magnetic field 30th to polarize.

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.Due to a strong interaction between the electron spins of the rubidium atoms 11 and the nuclear spins of the xenon atoms 12th become the nuclear spins of the xenon atoms 12th , i.e. the xenon nuclear spins, parallel to the electron spins of the rubidium atoms 11 polarized and start to get the static magnetic field 30th to precede. This state is in 2 shown. Since the phase of precession of the electron spins of the rubidium atoms 11 and the nuclear spins of the xenon atoms 12th differs from atom to atom, the result is a constant magnetic moment 50 , the parallel to the polarization direction, the named spatial axis, the direction of the pump laser light 20th and the direction of the static magnetic field 30th is aligned.

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.In a direction perpendicular to the static magnetic field 30th becomes an alternating magnetic field in the next step 60 applied, the frequency of which is the Larmor frequency of the Larmor precession of the xenon nuclear spin 11 around the static magnetic field 30th corresponds to. This causes the xenon nuclear spin 11 in phase with the Larmor frequency around the static magnetic field 30th precede. This state is in 3 shown. This results in a common magnetic moment 50 , the one with the Larmor frequency around the static magnetic field 30th specified. The precession motion of the common magnetic moment 50 is with the reference number 51 designated.

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.The result of the in-phase xenon nuclear spin precession 51 The induced change in the magnetic field acts back on the rubidium electron spins 12th which also use the Larmor frequency of the xenon nuclear spins 11 around the static magnetic field 30th precede. This state is in 4th shown.

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.Now becomes a linearly polarized evaluation laser beam 70 perpendicular to the direction of the static magnetic field 30th radiated through the vapor cell, the polarization direction of the evaluation laser beam rotates due to the Faraday effect 70 with the precession of the electron spins of rubidium 11 around the static magnetic field 30th . Through a detector 111 with an upstream polarizer designed as a polarization filter, the evaluation laser beam can therefore be detected, which corresponds to an intensity signal that is at the Larmor frequency of the xenon nuclear spins 11 changes.

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.In the case of a rotational change in orientation of the steam cell with an axis of rotation parallel to the static magnetic field 30th the frequency of the intensity signal shifts with the rate of rotation. This frequency shift can be detected by means of an evaluation unit, as a result of which the rotational change in orientation can be detected with an axis of rotation parallel to the static magnetic field.

5 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen NMR-Gyroskops. Diese Ausführungsform weist drei Dampfzellen auf, eine erste Dampfzelle 109a, eine zweite Dampfzelle 109b und eine dritte Dampfzelle 109c. Jede der drei Dampfzellen 109a, 109b, 109c weist ein Gemisch aus Rubidiumatomen 11 als erstes Element Xenonatomen 12 als zweites Element mit nicht verschwindendem Kernspin auf. 5 shows a preferred embodiment of an inventive NMR gyroscope. This embodiment has three steam cells, a first steam cell 109a , a second steam cell 109b and a third steam cell 109c . Each of the three steam cells 109a , 109b , 109c exhibits a mixture of rubidium atoms 11 the first element is xenon atoms 12th as a second element with non-vanishing nuclear spin.

Das NMR-Gyroskop weist für die erste Dampfzelle 109a einen ersten Pumplaser 103a auf, der dazu eingerichtet ist, die Rubidium-Elektronenspins 11 mittels eines ersten Pumplaserstrahls 20a in einer ersten 1 Richtung zu polarisieren. Für die zweite Dampfzelle 109b weist das NMR-Gyroskop einen zweiten Pumplaser 103b auf, der dazu eingerichtet ist, die Rubidium-Elektronenspins 11 mittels eines zweiten Pumplaserstrahls 20b in einer zweiten Richtung 2 zu polarisieren. Die zweite Richtung weist einen Winkel von 90° zur ersten Richtung auf. Das NMR-Gyroskop weist weiterhin für die dritte Dampfzelle 109c einen dritten Pumplaser 103c auf, der dazu eingerichtet ist, die Rubidium-Elektronenspins 11 mittels eines dritten Pumplaserstrahls 20c in einer dritten Richtung 3 zu polarisieren. Die dritte Richtung weist jeweils einen Winkel von 90° Grad zur ersten und zur zweiten Richtung auf. Durch eine starke Elektron-Kernspin-Wechselwirkung zwischen Rubidium und Xenon werden die Xenon-Kernspins parallel zu den Rubidium-Elektronenspins polarisiert.The NMR gyroscope points to the first vapor cell 109a a first pump laser 103a which is set up to do so, the rubidium electron spins 11 by means of a first pump laser beam 20a polarize in a first 1 direction. For the second steam cell 109b the NMR gyroscope has a second pump laser 103b which is set up to do so, the rubidium electron spins 11 by means of a second pump laser beam 20b in a second direction 2 to polarize. The second direction has an angle of 90 ° to the first direction. The NMR gyroscope also points to the third vapor cell 109c a third pump laser 103c which is set up to do this, the rubidium electron spins 11 by means of a third pump laser beam 20c in a third direction 3 to polarize. The third direction has an angle of 90 degrees to the first and the second direction. Due to a strong electron-nuclear spin interaction between rubidium and xenon, the xenon nuclear spins are polarized parallel to the rubidium electron spins.

Für die erste Dampfzelle 109a weist das NMR-Gyroskop einen ersten Magnetfeldgenerator mit Spule 106a auf, der zur Erzeugung eines statischen Magnetfeldes in der ersten Richtung 1 eingerichtet ist. Ebenso sind für die zweite Dampfzelle 109b ein zweiter Magnetfeldgenerator mit Spule 106b zur Erzeugung eines statischen Magnetfeldes in der zweiten Richtung 2 und ein für die dritte Dampfzelle 109c dritter Magnetfeldgenerator mit Spule 106c zur Erzeugung eines statischen Magnetfeldes in der dritten Richtung 3 vorgesehen. Die Beträge der statischen Magnetfelder in der ersten, zweiten und dritten Richtung unterscheiden sich voneinander. Dadurch wird in jeder der drei Dampfzellen 109a, 109b, 109c eine unterschiedliche Präzession der Xenon-Kernspins erzeugt.For the first steam cell 109a the NMR gyroscope has a first magnetic field generator with a coil 106a on, which is used to generate a static magnetic field in the first direction 1 is set up. Likewise for the second steam cell 109b a second magnetic field generator with a coil 106b for generating a static magnetic field in the second direction 2 and one for the third steam cell 109c third magnetic field generator with coil 106c for generating a static magnetic field in the third direction 3 intended. The amounts of the static magnetic fields in the first, second, and third directions are different from each other. This will put in each of the three steam cells 109a , 109b , 109c produces a different precession of the xenon nuclear spins.

Das NMR-Gyroskop weist weiterhin für die erste Dampfzelle 109a einen ersten Magnetwechselfeldgenerator mit Spule 107a auf, der dazu eingerichtet ist, ein Magnetwechselfeld senkrecht zu der ersten Richtung zu erzeugen. Ebenso sind für die zweite Dampfzelle 109b ein zweiter Magnetwechselfeldgenerator mit Spule 107b zur Erzeugung eines Magnetwechselfeldes senkrecht zu der zweiten Richtung und für die dritte Dampfzelle 109c ein dritter Magnetwechselfeldgenerator mit Spule 107c zur Erzeugung eines Magnetwechselfeldes senkrecht zu der dritten Richtung vorgesehen.The NMR gyroscope also points to the first vapor cell 109a a first alternating magnetic field generator with a coil 107a which is set up to generate an alternating magnetic field perpendicular to the first direction. Likewise for the second steam cell 109b a second alternating magnetic field generator with a coil 107b for generating an alternating magnetic field perpendicular to the second direction and for the third vapor cell 109c a third alternating magnetic field generator with a coil 107c provided for generating an alternating magnetic field perpendicular to the third direction.

Darüber hinaus weist das NMR-Gyroskop in dieser Ausführungsform einen Auswerte-Laser 102 auf, der dazu eingerichtet ist, die erste 109a, zweite 109b und dritte Dampfzelle 109c nacheinander mit einem linear polarisierten Auswerte-Laserstrahl 70 in einer Richtung senkrecht zu dem jeweiligen statischen Magnetfeld (und parallel zu dem jeweiligen Magnetwechselfeld) zu durchstrahlen. In dieser Ausführungsform ist eine Durchtrittsrichtung des Auswerte-Laserstrahls 70 durch die erste Dampfzelle 109a identisch zu einer Durchtrittsrichtung des Auswerte-Laserstrahls 70 durch die zweite Dampfzelle 109b, so dass zwischen der ersten Dampfzelle 109a und der zweiten Dampfzelle 109b keine Strahlführungselemente notwendig sind. Zwischen der zweiten Dampfzelle 109b und der dritten Dampfzelle 109c ist ein Umlenkspiegel 120 zur Änderung einer Strahlrichtung des Auswerte-Laserstrahls 70 angeordnet.In addition, the NMR gyroscope has an evaluation laser in this embodiment 102 which is set up to include the first 109a, second 109b and third steam cells 109c one after the other with a linearly polarized evaluation laser beam 70 to be irradiated in a direction perpendicular to the respective static magnetic field (and parallel to the respective alternating magnetic field). In this embodiment, there is a direction of passage of the evaluation laser beam 70 through the first steam cell 109a identical to a direction of passage of the evaluation laser beam 70 through the second steam cell 109b so that between the first steam cell 109a and the second steam cell 109b no beam guiding elements are necessary. Between the second steam cell 109b and the third steam cell 109c is a deflection mirror 120 for changing a beam direction of the evaluation laser beam 70 arranged.

Nach der Durchstrahlung der drei Dampfzellen 109a, 109b, 109c durchstrahlt der Auswerte-Laserstrahl 70 einen linearen Polarisationsfilter 104. Daraufhin wird der Auswerte-Laserstrahl in einem Detektor 101, der mit einer Auswerteeinheit 110 verbunden ist, erfasst bzw. ausgelesen. Polarisationsfilter 104 und Detektor 101 bilden eine Messeinrichtung zur Messung der Polarisation des Auswerte-Laserstrahls 70.After irradiating the three steam cells 109a , 109b , 109c the evaluation laser beam shines through 70 a linear polarizing filter 104 . Thereupon the evaluation laser beam is in a detector 101 , the one with an evaluation unit 110 is connected, recorded or read out. Polarizing filter 104 and detector 101 form a measuring device for measuring the polarization of the evaluation laser beam 70 .

Die Auswerteeinheit 110 ist mit dem ersten Magnetwechselfeldgenerator 107a, zweiten Magnetwechselfeldgenerator 107b und dritten Magnetwechselfeldgenerator 107c verbunden und dazu eingerichtet, basierend auf einem Detektorsignal die Frequenzen der Magnetwechselfelder der Magnetwechselfeldgeneratoren 107a, 107b und 107c nachzuführen.The evaluation unit 110 is with the first alternating magnetic field generator 107a , second alternating magnetic field generator 107b and third alternating magnetic field generator 107c connected and set up, based on a detector signal, the frequencies of the alternating magnetic fields of the alternating magnetic field generators 107a , 107b and 107c to track.

Für die erste Dampfzelle 109a weist diese Ausführungsform des NMR-Gyroskops einen ersten Infrarotlaser 105a sowie eine erste Heizoberfläche 91a auf, über die mittels eines von dem Infrarotlaser 105a emittierten Infrarotstrahls 90a eine Temperatur der ersten Dampfzelle reguliert wird. Analog weist diese Ausführungsform für die zweite Dampfzelle 109b einen zweiten Infrarotlaser 105b sowie eine zweite Heizoberfläche 91b und für die dritte Dampfzelle 109c einen dritten Infrarotlaser 105c sowie eine dritte Heizoberfläche 91c auf.For the first steam cell 109a this embodiment of the NMR gyroscope has a first infrared laser 105a and a first heating surface 91a on, via the means of one of the infrared laser 105a emitted infrared ray 90a regulating a temperature of the first steam cell. This embodiment has an analogous manner for the second steam cell 109b a second infrared laser 105b and a second heating surface 91b and for the third steam cell 109c a third infrared laser 105c as well as a third heating surface 91c on.

Anhand der 6 wird nun die Auswerteeinheit 110 aus 6 näher erläutert. Die Auswerteeinheit 110 weist einen Frequenzanalysator 111 auf, der mit dem Detektor 101 verbunden ist. Der Frequenzanalysator 111 ist dazu eingerichtet, aus einem detektierten Lichtsignal des Detektors 101 für jede Dampfzelle 109a, 109b, 109c einen Frequenzanteil zu extrahieren, der der Larmorfrequenz entspricht, die sich aus dem Betrag des jeweiligen statischen Magnetfeldes ergibt. Der Frequenzanalysator 111 kann beispielsweise als Recheneinheit zur Durchführung einer Fast- oder Discrete-Fourier-Transformation (FFT bzw. DFT) ausgebildet sein. Alternativ kann der Frequenzanalysator 111 beispielsweise drei parallele Bandpassfilter aufweisen.Based on 6th now becomes the evaluation unit 110 out 6th explained in more detail. The evaluation unit 110 has a frequency analyzer 111 on the one with the detector 101 connected is. The frequency analyzer 111 is set up to use a detected light signal from the detector 101 for each steam cell 109a , 109b , 109c to extract a frequency component that corresponds to the Larmor frequency, which results from the amount of the respective static magnetic field. The frequency analyzer 111 can for example be designed as a computing unit for performing a fast or discrete Fourier transformation (FFT or DFT). Alternatively, the frequency analyzer 111 for example, have three parallel bandpass filters.

Zu jedem Frequenzanteil bzw. zu jedem Magnetwechselfeldgenerator 107a, 107b, 107c weist die Auswerteeinheit 110 eine Phase-Locked-Loop-Regelung (bzw. Phasenregelschleifenanordnung) 113, 114, 115 auf. Der Frequenzanalysator 111 übermittelt jeder Phase-Locked-Loop-Regelung 113, 114, 115 ein der Larmorfrequenz der zugehörigen Dampfzelle 109a, 109b, 109c entsprechendes Frequenzsignal. Die Phase-Locked-Loop-Regelungen 113, 114, 115 vergleichen das jeweilige Frequenzsignal mit der Frequenz des jeweils angelegten Magnetwechselfelds des ersten 107a, zweiten 107b und dritten Magnetwechselfeldgenerators 107c und führen die Frequenz der jeweilige Magnetwechselfelds entsprechend über den jeweiligen Magnetwechselfeldgenerator 107a, 107b, 107c nach.For each frequency component or for each alternating magnetic field generator 107a , 107b , 107c indicates the evaluation unit 110 a phase locked loop control (or phase locked loop arrangement) 113 , 114 , 115 on. The frequency analyzer 111 transmitted each phase-locked-loop control 113 , 114 , 115 one of the Larmor frequency of the associated steam cell 109a , 109b , 109c corresponding frequency signal. The phase-locked loop regulations 113 , 114 , 115 compare the respective frequency signal with the frequency of the respectively applied alternating magnetic field of the first 107a, second 107b and third alternating magnetic field generator 107c and guide the frequency of the respective alternating magnetic field accordingly via the respective alternating magnetic field generator 107a , 107b , 107c to.

Die Phase-Locked-Loop-Regelungen 113, 114, 115 geben eine Information über eine Nachführung durch die Magnetwechselfeldgeneratoren 107a, 107b und 107c an ein Orientierungsermittlungsmodul 116 weiter. Das Orientierungsermittlungsmodul 116 ist dazu eingerichtet, für jedes Frequenzsignal eine entsprechende rotatorische Orientierungsänderung parallel zu einer Drehachse zu jeweils dem entsprechenden statischen Magnetfeld in der ersten, zweiten oder dritten Richtung über die Beziehung Ωi = 2π f(Gi) - γB0i zu erhalten, wobei Ωi die rotatorische Orientierungsänderung bezeichnet, f(Gi) die aktuelle von dem Magnetwechselfeldgenerator ausgegebene Frequenz bezeichnet, γ das gyromagnetische Verhältnis des Kernspins bezeichnet und B0i das statische Magnetfeld in der i-ten Richtung bezeichnet.The phase-locked loop regulations 113 , 114 , 115 provide information about tracking by the alternating magnetic field generators 107a , 107b and 107c to an orientation determination module 116 further. The orientation determination module 116 is set up to obtain a corresponding rotational change in orientation for each frequency signal parallel to an axis of rotation to the respective static magnetic field in the first, second or third direction via the relationship Ω i = 2π f (G i ) - γB 0i , where Ω i denotes the rotational change in orientation, f (G i ) denotes the current frequency output by the alternating magnetic field generator, γ denotes the gyromagnetic ratio of the nuclear spin and B 0i denotes the static magnetic field in the i-th direction.

Claims (15)

Verfahren zur Ermittlung einer Änderung einer rotatorischen Orientierung eines NMR-Gyroskops im Raum, aufweisend wenigstens zwei Dampfzellen, 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 (11) des ersten Elements in den wenigstens zwei Dampfzellen (109a, 109b, 109c), wobei die Elektronenspins (11) des ersten Elements in einer ersten Dampfzelle (109a) in einer ersten Richtung polarisiert werden und in einer zweiten Dampfzelle (109b) in einer zweiten Richtung polarisiert werden, die sich von der ersten Richtung unterscheidet, so dass durch eine starke Elektron-Kernspin-Wechselwirkung zwischen dem ersten Elements und dem zweiten Element die Kernspins (12) des zweiten Elements parallel zu den Elektronenspins (11) des ersten Elements polarisiert werden; - in jeder der wenigstens zwei Dampfzellen (109a, 109b, 109c), Erzeugen einer Präzession der Kernspins (12) des zweiten Elements durch Anlegen jeweils eines statischen Magnetfeldes (30) in Polarisationsrichtung der Kernspins (12) des zweiten Elements, wobei sich die Beträge der statischen Magnetfelder (30) voneinander unterscheiden; - in jeder der wenigstens zwei Dampfzellen (109a, 109b, 109c), 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 die jeweiligen statischen Magnetfelder (30) entspricht, so dass die Larmorpräzession der Kernspins (12) des zweiten Elements innerhalb einer Dampfzelle (109a, 109b, 109c) gleichphasig wird; - nacheinander Durchstrahlen der wenigstens zwei Dampfzellen (109a, 109b, 109c) mit einem polarisierten Auswerte-Laserstrahl (70), wobei der Auswerte-Laserstrahl (70) die wenigstens zwei Dampfzellen (109a, 109b, 109c) jeweils senkrecht zu dem statischen Magnetfeld (30) durchstrahlt; - Messen der Polarisation des Auswerte-Laserstrahls (70) und Bestimmen von rotatorischen Orientierungsänderungen mit Drehachsen parallel zu den Polarisationsrichtungen.Method for determining a change in a rotational orientation of an NMR gyroscope in space, having at least two vapor cells, each containing a mixture of at least one gaseous first element and at least one gaseous second element with non-vanishing nuclear spin, comprising the steps: - Polarizing electron spins (11) of the first element in the at least two vapor cells (109a, 109b, 109c), the electron spins (11) of the first element being polarized in a first direction in a first vapor cell (109a) and in a second vapor cell (109b) are polarized in a second direction, which differs from the first direction, so that due to a strong electron-nuclear spin interaction between the first element and the second element, the nuclear spins (12) of the second element are parallel to the electron spins (11 ) the first element are polarized; - In each of the at least two vapor cells (109a, 109b, 109c), generating a precession of the nuclear spins (12) of the second element by applying a static magnetic field (30) in each case in the direction of polarization of the nuclear spins (12) of the second element, whereby the amounts of the static magnetic fields (30) differ from one another; - In each of the at least two vapor cells (109a, 109b, 109c), applying an alternating magnetic field (60) in a direction perpendicular to the direction of polarization of the nuclear spins (12) of the second element, the alternating magnetic fields (60) each having a frequency that the Larmor frequency corresponds to the Larmor precession of the nuclear spins (12) of the second element around the respective static magnetic fields (30), so that the Larmor precession of the nuclear spins (12) of the second element within a vapor cell (109a, 109b, 109c) is in phase; - Successively irradiating the at least two vapor cells (109a, 109b, 109c) with a polarized evaluation laser beam (70), the evaluation laser beam (70) each perpendicular to the static magnetic field ( 30) irradiated; - Measuring the polarization of the evaluation laser beam (70) and determining rotational changes in orientation with axes of rotation parallel to the directions of polarization. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Elektronenspins (11) des ersten Elements in drei Dampfzellen (109a, 109b, 109c) polarisiert werden, wobei die Elektronenspins (11) des ersten Elements in einer dritten Dampfzelle (109c) in einer dritten Richtung polarisiert werden, die nicht innerhalb einer von der ersten Richtung und der zweiten Richtung aufgespannten Ebene liegt.Procedure according to Claim 1 , wherein the electron spins (11) of the first element are polarized in three vapor cells (109a, 109b, 109c), the electron spins (11) of the first element in a third vapor cell (109c) are polarized in a third direction that is not within a from the first direction and the second direction spanned plane lies. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die erste Richtung, die zweite Richtung und die dritte Richtung jeweils einen Winkel von 90° zueinander aufweisen.Procedure according to Claim 2 , wherein the first direction, the second direction and the third direction each have an angle of 90 ° to one another. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zum Auswerten des detektierten Messsignals aus dem detektierten Auswerte-Laserstrahl, das ein Intensitätssignal ist, je Dampfzelle (109a, 109b, 109c) ein Frequenzanteil extrahiert wird, der der Larmorfrequenz entspricht, die sich aus dem Betrag des jeweiligen statischen Magnetfeldes (30) ergibt.Method according to one of the preceding claims, wherein for evaluating the detected measurement signal from the detected evaluation laser beam, which is an intensity signal, a frequency component is extracted for each vapor cell (109a, 109b, 109c) which corresponds to the Larmor frequency, which is derived from the magnitude of the respective static magnetic field (30) results. Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Extrahieren über eine Fast-Fourier-Transformation oder über einen oder mehrere Bandpassfilter erfolgt.Procedure according to Claim 4 , the extraction taking place via a Fast Fourier Transformation or via one or more bandpass filters. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei jeder Frequenzanteil an eine Phasenregelschleife (113, 114, 115) weitergegeben wird, die ein entsprechendes Frequenzsignal mit der Frequenz des jeweils angelegten Magnetwechselfelds (60) vergleicht und bei einer Abweichung die Frequenz des Magnetwechselfelds (60) entsprechend über einen geregelten Magnetwechselfeldgenerator (107a, 107b, 107c) nachgeführt.Procedure according to Claim 4 or 5 , each frequency component being passed on to a phase-locked loop (113, 114, 115) which compares a corresponding frequency signal with the frequency of the respectively applied alternating magnetic field (60) and, if there is a deviation, the frequency of the alternating magnetic field (60) accordingly via a regulated alternating magnetic field generator (107a , 107b, 107c). Verfahren nach Anspruch 6, wobei eine einem Frequenzsignal entsprechende rotatorische Orientierungsänderung mit einer Drehachse parallel zu jeweils einem statischen Magnetfeld (30) über die Beziehung Ωi = 2π f(Gi - γB0i erhalten wird, wobei Ωi die rotatorische Orientierungsänderung bezeichnet, f(Gi) die aktuelle von dem Magnetwechselfeldgenerator (107a, 107b, 107c) ausgegebene Frequenz bezeichnet, γ das gyromagnetische Verhältnis des Kernspins bezeichnet und B0i das statische Magnetfeld (30) bezeichnet.Procedure according to Claim 6 , a rotational change in orientation corresponding to a frequency signal with an axis of rotation parallel to a static magnetic field (30) in each case via the relationship Ω i = 2π f (G i - γB 0i , where Ω i denotes the rotational change in orientation, f (G i ) denotes the current frequency output by the alternating magnetic field generator (107a, 107b, 107c), γ denotes the gyromagnetic ratio of the nuclear spin and B 0i denotes the static magnetic field (30). NMR-Gyroskop, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche, das folgendes aufweist: - wenigstens zwei Dampfzellen (109a, 109b, 109c), die ein Gemisch aus wenigstens einem ersten Element und wenigstens einem zweiten Element mit nicht verschwindendem Kernspin beinhalten, - für jede Dampfzelle (109a, 109b, 109c) wenigstens einen Pumplaser (103a, 103b, 103c) zum Polarisieren von Elektronenspins (11) des ersten Elements, wobei ein erster Pumplaser (103a) dazu eingerichtet ist, die Elektronenspins (11) des ersten Elements in einer ersten Dampfzelle (109a) in einer ersten Richtung zu polarisieren und wobei ein zweiter Pumplaser (103b) dazu eingerichtet ist, die Elektronenspins (11) des ersten Elements in einer zweiten Dampfzelle (109b) in einer zweiten Richtung zu polarisieren, so dass durch eine starke Elektron-Kernspin-Wechselwirkung zwischen dem ersten Elements 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, 109c) einen Magnetfeldgenerator (106a, 106b, 106c) zur Erzeugung eines statischen Magnetfeldes (30) in Polarisationsrichtung der Kernspins (12) des zweiten Elements, wobei sich die statischen Magnetfelder (30) der einzelnen Dampfzellen (109a, 109b, 109c) betragsmäßig unterscheiden; - für jede Dampfzelle (109a, 109b, 109c) einen Magnetwechselfeldgenerator (107a, 107b, 107c), 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; - einen Auswerte-Laser (102), der dazu eingerichtet ist, die wenigstens zwei Dampfzellen (109a, 109b, 109c) nacheinander jeweils in einer Richtung senkrecht zu dem jeweiligen statischen Magnetfeld (30) mit einem Auswerte-Laserstrahl (70) zu durchstrahlen; - eine Messeinrichtung zur Messung der Polarisation des Auswerte-Laserstrahls (70), die im Strahlengang des Auswerte-Laserstrahls (70) den wenigstens zwei Dampfzellen (109a, 109b, 109c) nachgeordnet ist - eine Auswerteeinheit (110) zur Auswertung des von dem Detektor (101) detektierten Auswerte-Laserstrahls, die dazu eingerichtet ist, rotatorische Orientierungsänderungen mit einer Drehachse parallel zu den Polarisationsrichtungen zu ermitteln.NMR gyroscope, in particular for carrying out a method according to one of the preceding claims, which has the following: - at least two vapor cells (109a, 109b, 109c) which contain a mixture of at least one first element and at least one second element with non-vanishing nuclear spin, - For each vapor cell (109a, 109b, 109c) at least one pump laser (103a, 103b, 103c) for polarizing electron spins (11) of the first element, a first pump laser (103a) being set up to the electron spins (11) of the first To polarize element in a first vapor cell (109a) in a first direction and wherein a second pump laser (103b) is set up to polarize the electron spins (11) of the first element in a second vapor cell (109b) in a second direction, so that by a strong electron-nuclear spin interaction between the first element and the second element, the nuclear spins (12) of the second element are polarized parallel to the electron spins (11) of the first element, the first direction and the second direction being different from one another; - For each steam cell (109a, 109b, 109c) a magnetic field generator (106a, 106b, 106c) for generating a static magnetic field (30) in the polarization direction of the nuclear spins (12) of the second element, the static magnetic fields (30) of the individual steam cells (109a, 109b, 109c) differ in terms of amount; - For each vapor cell (109a, 109b, 109c) an alternating magnetic field generator (107a, 107b, 107c) which is set up to generate an alternating magnetic field (60) in a direction perpendicular to the polarization direction of the nuclear spins (12) of the second element at a frequency generate which corresponds to the Larmor frequency of the Larmor precession of the nuclear spins of the second element (12) around the respective static magnetic field (30); - An evaluation laser (102) which is set up to irradiate the at least two vapor cells (109a, 109b, 109c) one after the other in a direction perpendicular to the respective static magnetic field (30) with an evaluation laser beam (70); - A measuring device for measuring the polarization of the evaluation laser beam (70), which is arranged downstream of the at least two vapor cells (109a, 109b, 109c) in the beam path of the evaluation laser beam (70) - An evaluation unit (110) for evaluating the evaluation laser beam detected by the detector (101), which is set up to determine rotational changes in orientation with an axis of rotation parallel to the polarization directions. NMR-Gyroskop nach Anspruch 8, das drei Dampfzellen (109a, 109b, 109c) aufweist, wobei ein dritter Pumplaser (103c) dazu eingerichtet ist, die Elektronenspins (11) des zweiten Elements in einer dritten Dampfzelle (109c) in einer dritten Richtung zu polarisieren, wobei die dritte Richtung nicht in einer von der ersten Richtung und der zweiten Richtung aufgespannten Ebene liegt.NMR gyroscope according to Claim 8 , which has three vapor cells (109a, 109b, 109c), wherein a third pump laser (103c) is set up to polarize the electron spins (11) of the second element in a third vapor cell (109c) in a third direction, the third direction does not lie in a plane spanned by the first direction and the second direction. NMR-Gyroskop nach Anspruch 9, wobei die erste Richtung, die zweite Richtung und die dritte Richtung jeweils einen Winkel von 90 ° zueinander aufweisen.NMR gyroscope according to Claim 9 , wherein the first direction, the second direction and the third direction each have an angle of 90 ° to one another. NMR-Gyroskop nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die Messeinrichtung aufweist: - einen Polarisator (104), der im Strahlengang des Auswerte-Laserstrahls (70) den wenigstens zwei Dampfzellen (109a, 109b, 109c) nachgeordnet ist; - einen Detektor (101) zur Erzeugung eines Messsignals, der im Strahlengang des Auswerte-Laserstrahls (70) dem Polarisator (104) nachgeordnet ist.NMR gyroscope according to one of the Claims 8 to 10 , wherein the measuring device has: - a polarizer (104) which is arranged downstream of the at least two vapor cells (109a, 109b, 109c) in the beam path of the evaluation laser beam (70); - A detector (101) for generating a measurement signal, which is arranged downstream of the polarizer (104) in the beam path of the evaluation laser beam (70). NMR-Gyroskop nach Anspruch 11, wobei die Auswerteeinheit (110) einen Frequenzanalysator (111) aufweist, der dazu eingerichtet ist, aus dem Messsignal je Dampfzelle (109a, 109b, 109c) einen Frequenzanteil zu extrahieren, der der Larmorfrequenz entspricht, die sich aus dem Betrag des jeweiligen statischen Magnetfeldes (30) ergibt.NMR gyroscope according to Claim 11 , the evaluation unit (110) having a frequency analyzer (111) which is set up to extract a frequency component from the measurement signal for each steam cell (109a, 109b, 109c) which corresponds to the Larmor frequency resulting from the magnitude of the respective static magnetic field (30) yields. NMR-Gyroskop nach Anspruch 12, wobei der Frequenzanalysator (111) als Recheneinheit zur Durchführung einer Fast-Fourier-Transformation oder als Bandpassfilter ausgebildet ist.NMR gyroscope according to Claim 12 , wherein the frequency analyzer (111) is designed as a computing unit for performing a Fast Fourier transformation or as a bandpass filter. NMR-Gyroskop nach einem der Ansprüche 12 bis 13, das weiterhin zu jedem Frequenzanteil eine Phasenregelschleifenanordnung (113, 114, 115) aufweist, die dazu eingerichtet ist, ein entsprechendes Frequenzsignal mit einer Frequenz des jeweils angelegten Magnetwechselfelds (60) zu vergleichen und bei einer Abweichung die Frequenz des jeweiligen Magnetwechselfelds (60) entsprechend mittels des jeweiligen Magnetwechselfeldgenerators (107a, 107b, 107c) nachzuführen.NMR gyroscope according to one of the Claims 12 to 13th , which also has a phase locked loop arrangement (113, 114, 115) for each frequency component, which is set up to compare a corresponding frequency signal with a frequency of the respectively applied alternating magnetic field (60) and, if there is a deviation, the frequency of the respective alternating magnetic field (60) accordingly by means of the respective alternating magnetic field generator (107a, 107b, 107c). NMR-Gyroskop nach Anspruch 14, wobei die Auswerteeinheit (110) ferner eine rotatorische Orientierungsermittlungseinheit (116) aufweist, die dazu eingerichtet ist, eine einem Frequenzsignal entsprechende rotatorische Orientierungsänderung mit einer Drehachse parallel zu jeweils einem statischen Magnetfeld (30) über die Beziehung Ωi = 2π (Gi) - γB0i zu erhalten, wobei Ωi die rotatorische Orientierungsänderung bezeichnet, f(Gi) die aktuelle von dem Magnetwechselfeldgenerator (107a, 107b, 107c) ausgegebene Frequenz bezeichnet, γ das gyromagnetische Verhältnis des Kernspins bezeichnet und B0i das statische Magnetfeld (30) bezeichnet.NMR gyroscope according to Claim 14 , wherein the evaluation unit (110) furthermore has a rotational orientation determination unit (116) which is set up to detect a rotational change in orientation corresponding to a frequency signal with an axis of rotation parallel to a static magnetic field (30) in each case via the relationship Ω i = 2π (G i ) - γB 0i , where Ω i denotes the rotational change in orientation, f (G i ) the current from the alternating magnetic field generator (107a, 107b, 107c) denotes the output frequency, γ denotes the gyromagnetic ratio of the nuclear spin and B 0i denotes the static magnetic field (30).
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