DE102020208333A1

DE102020208333A1 - NMR-Gyroskop und Verfahren zum Betreiben des NMR-Gyroskops

Info

Publication number: DE102020208333A1
Application number: DE102020208333.9A
Authority: DE
Inventors: Janine Riedrich-Moeller; Felix Michael Stuerner; Riccardo Cipolletti
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-07-03
Filing date: 2020-07-03
Publication date: 2022-01-05

Abstract

Die Erfindung betrifft ein NMR-Gyroskop, umfassend eine Dampfzellenanordnung (201), wobei die Dampfzellenanordnung (201) einen ersten Pumpbereich (2011) und einen zweiten Pumpbereich (2012) aufweist, wobei im ersten Pumpbereich (2011) eine Präzessionsbewegung der sich im ersten Pumpbereich (2011) befindlichen polarisierbaren Kernspins mit einem ersten Umlaufsinn generierbar ist, wobei im zweiten Pumpbereich eine Präzessionsbewegung der sich im zweiten Pumpbereich (2012) befindlichen polarisierbaren Kernspins mit einem zweiten Umlaufsinn generierbar ist und wobei der erste Umlaufsinn und der zweite Umlaufsinn gegenläufig zueinander.Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben des NMR-Gyroskops.

Description

Stand der Technik
In „MEMS Components for NMR Atomic Sensors‟ (R. M. Noor and A. M. Shkel; Journal of Microelectromechanical Systems, 27(6):1148-1159, Dec. 2018) sind Aufbau und Funktionsweise eines NMR-Gyroskops beschrieben.
Kern und Vorteile der Erfindung
Die Technik der Zukunft verlangt nach immer präziseren Sensoren. Im Bereich der Navigation, insbesondere nach Gyroskopen, welche präzise die Drehrate messen können. In Flugzeugen sind bereits heute hochgenaue Drehratensensoren basierend auf optischen Resonatoren verbaut. Für das autonome Fahren und Fliegen, sowie für Anwendungen, welche schlechte Anbindung an GPS-, Radar- und ähnliche Systeme haben, wie z.B. Unterwassernavigation, wird eine hochgenaue Onboardsensorik benötigt, was spezielle Anforderungen an die Baugröße und das benötigte Bauvolumen der hochgenauen Onboardsensorik stellt.
Das Sicherstellen eines sicheren Stoppens, basierend auf Inertialsensorik, beim Ausfall der anderen Systeme, ist insbesondere für die Anwendung im Bereich autonomes Fahren unabdingbar. Um die Sicherheit und den Komfort insbesondere autonom fahrender Fahrzeuge zu verbessern, ist eine deutliche Steigerung der Driftstabilität und eine signifikante Reduktion des Rauschens von Drehratensensoren (=Gyroskop) wünschenswert, um rein inertiales Navigieren auch für längere Strecken wie z.B. in Tunneln oder in Häuserschluchten zu ermöglichen. Daher richtet sich der Fokus für diese Anwendungen auf aus der Grundlagenforschung bekannte Gyroskope, die Kernspinresonanzsignale von Atomkernen mit nicht-verschwindendem magnetischen Moment (Spin 1/2 Kerne, Spin 3/2 Kerne) auswerten. Diese zeigen erhöhte Driftstabilität und erhöhte Genauigkeit gegenüber heutigen in der Automobilindustrie eingesetzten MEMS Drehratensensoren. Des Weiteren zeigen diese verringerte Störung durch Vibrationen und Beschleunigungen.
Bei Kernspinresonanz-Gyroskopen, auch NMR-Gyroskope genannt (NMR=nuclear magnetic resonance), die auf einer Dampfzelle basieren, wird die entstandene Spin-Larmor-Präzession ω_larmor in einer Dampfzelle ausgelesen. Eine äußere Rotation ω_rot stellt eine zusätzliche Drehung dar, welche durch Auslesen der Rotationsfrequenz ω_mess folgendermaßen ermittelt werden kann: $ω_{mess} = ω_{larmot} \pm ω_{rot}$
Ein beispielhafter Aufbau eines NMR-Gyroskops und dessen Funktionsweise sind beispielsweise in „MEMS Components for NMR Atomic Sensors“ (R. M. Noor and A. M. Shkel; Journal of Microelectromechanical Systems, 27(6):1148-1159, Dec. 2018) dargelegt.
Störeinflüsse, wie beispielsweise elektrisches Rauschen von Komponenten des NMR-Gyroskops, Fluktuationen bei im NMR-Gyroskop verwendeten Lasern (insbesondere Frequenz, Detuning und Leistung des Lasers), und Rauschen der im NMR-Gyroskop genutzten Magnetfelder, etc., sowie Störmagnetfelder oder Temperaturgradienten haben großen Einfluss auf die Driftgenauigkeit über die Zeit und die Sensitivität des Gyroskops.
Die Erfindung betrifft ein NMR-Gyroskop und ein Verfahren zum Betreiben des NMR-Gyroskops.
Ein Vorteil der Erfindung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche ist, dass die Auswirkungen äußerer Störeinflüsse auf das Messergebnis des NMR-Gyroskops auf einfache Weise ohne aufwendige und kostenintensive Modifikationen reduziert werden, um die Sensitivität und Zuverlässigkeit des NMR-Gyroskops zu erhöhen und Signaldrifts zu reduzieren. Insbesondere ermöglicht die Erfindung eine Realisierung eines miniaturisierten NMR-Gyroskops mit hoher Sensitivität und verringertem Drift, insbesondere ermöglicht die Erfindung ein Auslöschen von Störsignalen, die durch Änderung äußerer Parameter bedingt sind, wie beispielsweise eine Magnetfeldumgebung und/oder eine Umgebungstemperatur des NMR-Gyroskops, sowie innerer Störsignale.
Dies wird erreicht mit einem NMR-Gyroskop, umfassend

• eine Dampfzellenanordnung, umfassend ein erstes Medium und ein zweites Medium, wobei das erste Medium und das zweite Medium in der Dampfzellenanordnung angeordnet sind,
• eine Beleuchtungsanordnung zum Beleuchten des ersten Mediums und des zweiten Mediums in der Dampfzellenanordnung, wobei die Beleuchtungsanordnung dazu eingerichtet ist, durch optisches Pumpen Elektronenspins des zweiten Mediums zu polarisieren, wobei mittels dieser Elektronenspin-Polarisation durch eine starke Elektron-Kernspin Wechselwirkung zwischen dem zweiten Medium und dem ersten Medium die Kernspins des ersten Mediums polarisierbar sind,
• eine Magnetfelderzeugungseinrichtung zur Bereitstellung eines Vormagnetisierungsfelds und eines oszillierenden Magnetfeldes am Ort der Dampfzellenanordnung, wobei das Vormagnetisierungsfeld zur Festlegung einer Richtung einer Präzessionsbewegung der polarisierbaren Kernspins des ersten Mediums und das oszillierende Magnetfeld zur Synchronisation der Präzessionsbewegungen der polarisierbaren Kernspins des ersten Mediums eingerichtet sind und
• eine Detektionsanordnung, welche zur Detektion einer Drehung des NMR-Gyroskops um eine Richtung des Vormagnetisierungsfeldes aus einer Änderung der Präzessionsbewegung der polarisierbaren Kernspins eingerichtet ist.

Die Dampfzellenanordnung weist einen ersten Pumpbereich und einen zweiten Pumpbereich auf, wobei im ersten Pumpbereich eine Präzessionsbewegung der sich im ersten Pumpbereich befindlichen polarisierbaren Kernspins mit einem ersten Umlaufsinn generierbar ist und wobei im zweiten Pumpbereich eine Präzessionsbewegung der sich im zweiten Pumpbereich befindlichen polarisierbaren Kernspins mit einem zweiten Umlaufsinn generierbar ist. Hierbei sind der erste Umlaufsinn und der zweite Umlaufsinn gegenläufig zueinander.
D. h. die Präzessionsbewegung im ersten Pumpbereich und die Präzessionsbewegung im zweiten Pumpbereich sind gegenläufig zueinander: Präzedieren die Kernspins im ersten Pumpbereich beispielsweise im Uhrzeigersinn, so präzedieren die Kernspins im zweitem Pumpbereich gleichzeitig gegen den Uhrzeigersinn.
In einer Ausführungsform kann das Vormagnetisierungsfeld ein statisches Magnetfeld und ein weiteres - insbesondere hochfrequentes - magnetisches Wechselfeld umfassen, welches entlang des erstgenannten statischen Magnetfeldes zur parametrischen Modulation ausgerichtet ist.
Ein Vorteil, welcher sich insbesondere aus der Verwendung zweier Pumpbereiche mit einander entgegengesetzt präzedierenden Kernspins ergibt, besteht in einem intrinsischen Auslöschen interner Rauschsignale, insbesondere elektronischer Rauschsignale durch Laser, Magnetfelder, etc., Ladungsverschiebungen in der Abschirmung, etc., und einer dadurch höheren Sensitivität und geringerem Drift des NMR-Gyroskops. Somit können Störeinflüssen, wie Rauschen (common noise), welche auf beide Pumpbereiche wirken, einander bei der Messung auslöschen und folglich eine höhere Genauigkeit der mit dem NMR-Gyroskop ermittelten Drehrate einer Rotation des NMR-Gyroskops erzielt werden.
Die Dampfzellenanordnung kann eine Dampfzelle, zwei Dampfzellen oder mehr als zwei Dampfzellen umfassen. Eine Dampfzelle ist beispielsweise als Hohlraumkörper aus Glas ausgebildet, wobei das Innere hermetisch gegenüber der Umgebung der Dampfzelle verschließbar ist, sodass insbesondere Gase aus dem Inneren der Dampfzelle im Betrieb nicht entweichen können und Drücke innerhalb der Dampfzelle erzeugbar sind, welche vom Umgebungsdruck des NMR-Gyroskops abweichen. Zur Einstellung eines Drucks und/oder zur Erzeugung eines Gases in der Dampfzelle kann beispielsweise ein Heizelement an der Dampfzelle oder in der Umgebung der Dampfzelle angeordnet sein. Als Heizelement können beispielsweise elektrisch leitende Drähte verwendet werden, wobei über den durch die Drähte fließenden elektrischen Strom eine Temperatur der sich in der Dampfzelle befindlichen Medien einstellbar ist.
Insbesondere kann die mindestens eine Dampfzelle aus Glas ausgebildet sein und beispielsweise rund, zylindrisch oder würfelförmig sein.
Die Beleuchtungsanordnung umfasst eine Beleuchtungsquelle, wie beispielsweise einen Laser oder eine Laserdiode, insbesondere einen Oberflächenemitter (VCSEL) zum Beleuchten umfassen. Eine Einstrahlrichtung des zum Beleuchten verwendeten Lichts weist mindestens eine Komponente parallel oder antiparallel zur Magnetfeldrichtung des Vormagnetisierungsfelds auf, insbesondere ist die Einstrahlrichtung parallel oder antiparallel zur Magnetfeldrichtung des Vormagnetisierungsfelds (M_z-Modus). Alternativ kann die Einstrahlrichtung eine Komponente orthogonal zur Magnetfeldrichtung des Vormagnetisierungsfelds aufweisen, insbesondere kann die Einstrahlrichtung orthogonal zur Magnetfeldrichtung des Vormagnetisierungsfelds sein (M_x-Modus).
Die Wellenlänge des von der Beleuchtungsquelle emittierbaren Lichts ist auf das Energieschema des zweiten Mediums abgestimmt, sodass das Licht vom zweiten Medium absorbierbar ist und eine Polarisation der Elektronenspins erzeugbar ist (optisches Pumpen). Zum Beleuchten wird vorzugsweise zirkular polarisiertes Licht verwendet. Die Beleuchtungsanordnung kann optische Elemente zur Strahlführung und/oder Strahlformung (beispielsweise Spiegel, Linsen, etc.) und zur Einstellung der Polarisation des Lichts (beispielsweise Polarisatoren) umfassen.
Bei zirkular polarisiertem Licht unterscheidet man zwischen σ⁺-Polarisation („Sigma-Plus“) und σ^--Polarisation („Sigma-Minus“), die bei atomaren Übergängen zwischen Energieniveaus eine Änderung der magnetischen Quantenzahl m von +1 bzw. -1 bewirkt. Linear polarisiertes Licht (Δm = 0 beim atomaren Übergang) wird als π -polarisiertes Licht bezeichnet. Hierbei gilt: Ein rechts zirkular polarisierter Lichtstrahl entgegen dem statischen Vormagnetisierungsfeld, d. h. antiparallel zum Vormagnetisierungsfeld, ist gleich einem linkszirkular polarisierten Lichtstrahl entlang dem Vormagnetisierungsfeld, d. h. parallel zum Vormagnetisierungsfeld.
Das erste Medium und das zweite Medium können insbesondere gasförmig sein oder durch heizen der Dampfzelle in einen gasförmigen Zustand überführbar sein. Als erstes Medium kann beispielsweise ein Edelgas wie Xenon (Xe), Neon (Ne), Krypton (Kr)oder Helium-3 (³He) verwendet werden. Als zweites Medium kann beispielsweise ein Alkalimetall wie Rubidium (Rb), insbesondere Rubidium 87 (⁸⁷Rb) oder Rubidium 85 (⁸⁵Rb), Cäsium (Cs), Kalium (K), etc. oder Quecksilber (Hg) verwendet werden.
Ein Initialisieren des NMR-Gyroskops erfolgt durch optisches Pumpen. Beim optischen Pumpen des zweiten Mediums (z. B. Alkalimetall-Atome) in schwachen Magnetfeldern wird rechts (σ⁺) - oder linkszirkular (σ^-) polarisiertes Licht parallel oder antiparallel zum Vormagnetisierungsfeld B₀ eingestrahlt, um selektiv Übergänge mit einem Unterschied in der magnetischen Quantenzahl der Zeemann-Level von plus eins oder minus eins anzuregen. Eine repräsentative Darstellung des optischen Pumpens von Rubidium 87 findet sich in 1 und der zugehörigen Beschreibung. Durch optisches Pumpen erfolgt ein Polarisieren der Elektronenspins des zweiten Mediums in der Dampfzellenanordnung. Durch eine starke Elektron-Kernspin-Wechselwirkung zwischen dem ersten Medium, beispielsweise Xenon, und dem zweiten Medium, beispielsweise Rubidium, führt die Elektronenspin-Polarisation zu einer Polarisation der Kernspins des ersten Mediums. Das Vormagnetisierungsfeld gibt eine Richtung vor, um welche die polarisierten Kernspins des ersten Mediums präzedieren. Durch Anlegen des oszillierenden Magnetfeldes (magnetisches Wechselfeld), welches mindestens eine Komponente orthogonal zu der Richtung des Vormagnetisierungsfeldes aufweist, wird die Präzessionsbewegung der polarisierten Kernspins um die Richtung des Vormagnetisierungsfeldes synchronisiert, sodass alle polarisierten Kernspins in Phase miteinander mit der Larmorfrequenz (sofern keine äußere Drehrate an dem NMR-Gyroskop anliegt) um die Richtung des Vormagnetisierungsfeldes präzedieren. Die Frequenz des oszillierenden Magnetfeldes stimmt vorzugsweise mit der Larmorfrequenz der polarisierten Kernspins überein. Die Magnetfelderzeugungseinrichtung, welche zur Bereitstellung des Vormagnetisierungsfelds und des oszillierenden Magnetfeldes am Ort der Dampfzellenanordnung eingerichtet ist, kann beispielsweise Spulen, insbesondere zwei orthogonal zueinander angeordnete Helmholtzspulen, umfassen.
Die Elektronenspins des zweiten Mediums wirken wie ein „insitu-Magnetometer“. Die Elektronenspins des zweiten Mediums sind sensitiv auf die durch die gleichphasige Kernspinpräzession hervorgerufene periodische Magnetfeldänderung. Somit ist es möglich die gleichphasige Kernspinpräzession auf die Elektronenspins des zweiten Mediums zu übertragen. Die Präzessionsbewegung der polarisierten Kernspins kann somit in ein auslesbares elektrisches Signal umgewandelt werden. Hierzu kann die Dampfzellenanordnung beispielsweise mit einem linear polarisierten Auslese-Laserstrahl beleuchtet werden. Beim Durchlaufen der Dampfzellenanordnung wird die Polarisation des Auslese-Laserstrahls periodisch gedreht, was durch die Präzessionsbewegung der polarisierten Kernspins des ersten Mediums hervorgerufen wird (Faraday Effekt). Der Faraday Effekt beschreibt die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten elektromagnetischen Welle in einem Medium, wenn darin ein Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle herrscht. Die periodische Drehung der Polarisation des Auslese-Laserstrahls kann beispielsweise durch eine Detektionsanordnung in ein elektrisches Signal umgewandelt werden. Die Detektionsanordnung kann mindestens einen Polarisator und mindestens ein Detektorelement umfassen, wobei der Polarisator im Strahlengang zwischen der Dampfzellenanordnung und dem Detektorelement angeordnet ist. Als Detektorelement kann ein Strahlungssensor beispielsweise basierend auf Silizium (Si), Germanium (Ge), Germanium auf Silizium, Indium-Gallium-Arsenid (InGaAs), etc. verwendet werden. Als Strahlungssensoren eignen sich beispielsweise auch Fotodioden oder Bolometer. Strahlungssensoren können in Abhängigkeit einer Eigenschaft der auf den Strahlungssensor auftreffenden elektromagnetischen Strahlung ein elektrisches Detektionssignal ausgeben, welches ein Maß für die Strahlungseigenschaft ist. Strahlungssensoren können beispielsweise eine Strahlungsintensität oder eine Energieflussdichte des von der Dampfzellenanordnung transmittierten Auslese-Lichtstrahls messen. Aufgrund des Polarisators kann das Detektorelement die Polarisationsdrehung des Auslese-Laserstrahls beispielsweise als eine sich periodisch ändernde Strahlungsintensität erfassen.
Die Spin-Präzession zweier Zustände, welche magnetische Quantenzahlen Δm_f vom selben Betrag aber umgekehrten Vorzeichen haben, Larmor-präzedieren in genau entgegengesetzter Richtung. Sind sie demselben Vormagnetisierungsfeld B₀ ausgesetzt, rotieren sie ebenfalls mit derselben Larmorfrequenz |ω_larmor| = |γ B₀|, wobei γ das gyromagnetische Verhältnis bezeichnet. Werden sie zudem durch dasselbe resonante magnetische Wechselfeld initialisiert, so präzedieren sie in Phase.
Liegt keine Drehrate an dem NMR-Gyroskop an, d. h. wird das System (das NMR-Gyroskop) nicht von außen rotiert, verschwindet folglich das Detektionssignal, welches von der Detektionsanordnung erfasst wird, da sich das durch die in Phase präzedierenden Kernspins im ersten Pumpbereich und das durch die in Phase präzedierenden Kernspins im zweiten Pumpbereich, welche gegenläufig zu den Kernspins im ersten Pumpbereich präzedieren, hervorgerufene sich periodisch ändernde Magnetfeld aufheben. Weiter verschwinden auch alle Störterme ω_s, sofern diese die zwei Pumpbereiche in gleichem Maß beeinflussen. Dadurch ist eine hochgenaue Kalibrierung möglich, welche den Drift (Signal, wenn keine Drehrate anliegt) wesentlich verringert. Dies ist auch bei der Signalverarbeitung von Vorteil. Des Weiteren ist somit vorteilhafterweise auch eine Korrektur von Fertigungsabweichungen durch Kalibrierung möglich.
Liegt nun eine äußere Drehrate ω_rot an, so ist diese aber gleich für beide Zellen und löscht sich nicht aus, sondern addiert sich. Man erhält so ein von auf beide Pumpbereiche gleichwirkende Störtermen „befreites“ Signal. $ω_{mess} = (- | ω_{larmor} + ω_{S} | + ω_{rot}) + (| ω_{larmor} + ω_{s} | + ω_{rot}) = 2 ω_{rot}$
Hier stehen die Ausdrücke in runden Klammern für den ersten und den zweiten Pumpbereich. Wichtig ist, dass das Signal ohne eine äußere Drehrate / Rotation verschwindet. Dies bietet die vorher genannten Vorteile.
Weitere Vorteile sind eine Kostenreduktion bei der Fertigung eines solchen NMR-Gyroskops und eine Reduktion des Packmaßes. Insbesondere können Magnetfeldschwankungen im Bereich der Dampfzellenanordnung besser ausgeglichen werden, daraus resultieren geringere Anforderungen an die Magnetfelderzeugungseinrichtung und interne Stromquellen, sowie geringere Anforderungen an die Abschirmung gegenüber äußeren Feldern. Selbiges gilt für die Anforderungen an Laserquellen und Temperaturstabilisierung.
In einer Ausführungsform umfasst die Detektionseinrichtung einen Polarisator und ein Detektionselement, insbesondere einen Strahlungssensor, zur Erfassung eines von der Dampfzellenanordnung transmittierten Lichts nach Durchgang durch den Polarisator, wobei aus den Messdaten des Strahlungssensors wie zuvor beschrieben eine Rotationsfrequenz der Drehung des NMR-Gyroskops um eine Richtung des Vormagnetisierungsfeldes bestimmbar ist.
In einer Ausführungsform umfasst die Dampfzellenanordnung eine Dampfzelle, wobei ein Puffergas in der Dampfzelle angeordnet ist, welches durch räumliche Einschränkung der Elektron-Kernspin Wechselwirkung in der Dampfzelle den ersten Pumpbereich und den zweiten Pumpbereich realisiert. Ein Vorteil ist, dass nur eine Dampfzelle benötigt wird, wodurch eine Verringerung der Baugröße und folglich eine Miniaturisierung des NMR-Gyroskops ohne Einbußen bei der Sensitivität und Zuverlässigkeit ermöglicht wird. Des Weiteren können die Herstellungskosten gesenkt und die Herstellung des NMR-Gyroskops vereinfacht werden.
Als Puffergas kann beispielsweise Stickstoff (N) verwendet werden. Alternativ oder ergänzend kann Argon (Ar) als Puffergas verwendet werden. Insbesondere kann Stickstoff als Puffergas und als zweites Medium Rubidium und als erstes Medium Xenon verwendet werden. Weitere Kombinationen sind beispielsweise Rb-Kr, Rb-Ne, K-Xe, Rb-K-He, K-He, K-Ne, Rb-K-Ne oder Rb-K-He-Ne.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Dampfzellenanordnung eine erste Dampfzelle und eine zweite Dampfzelle, wobei die erste Dampfzelle den ersten Pumpbereich umfasst und die zweite Dampfzelle den zweiten Pumpbereich umfasst. Dampfzellen können vorteilhafterweise in einem MEMS Prozess in sehr kleinem Packmaß hergestellt werden. Die Herstellung in hohen Stückzahlen und der dadurch geringem Preis ist somit möglich. Dadurch ist das Verwenden von zwei Dampfzellen im Hinblick auf Miniaturisierung und Kostenreduktion vorteilhaft gegenüber einer Verwendung komplexer Spulen und/oder Abschirmungen. Dadurch, dass zwei gleiche Elemente (zwei Dampfzellen) vorliegen, können diese im selben Prozess gefertigt werden und in einem Prozessschritt eingesetzt werden. Ein weiterer wichtiger Vorteil dieser Ausführungsform ist die Kompensation von Pumplaserschwankungen, wenn beide Pumpbereiche denselben Laser als Beleuchtungsquelle nutzen.
Wenn beide Dampfzellen durch einen Laserstrahl ausgelesen werden, erfolgt die Korrektur in dieser Ausführungsform vorteilhafterweise sehr schnell.
Ein geringer Abstand der Dampfzellen, insbesondere kleiner als ein Zentimeter, durch die kleine Bauweise ermöglicht des weiteren vorteilhafterweise eine sehr gute Feldkorrektur.
Da externe Störeinflüsse, sofern diese gleich für beide Zellen sind, bei der Detektion einander auslöschen (siehe oben) ist es von Vorteil die erste Dampfzelle und die zweite Dampfzelle nah beieinander zu platzieren, insbesondere sollte der Abstand der Dampfzellen weniger als einen Zentimeter (<1cm) betragen. Dies sorgt dafür, dass äußere Störeinflüsse über den Bereich der Dampfzellen möglichst homogen sind und somit denselben Effekt haben, bzw., dass der homogene und somit intrinsisch korrigierte Anteil möglichst groß ist.
Die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen des NMR-Gyroskops ermöglichen vorteilhafterweise, dass die Kernspins im ersten Pumpbereich und im zweiten Pumpbereich gegenläufig zueinander präzedieren, wodurch sich äußere Störungseinflüsse, welche auf beide Pumpbereiche gleich wirken, bei der Detektion auslöschen. Dadurch wird die Sensitivität und Zuverlässigkeit des NMR-Gyroskops verbessert. In den folgenden Ausführungsformen wird ausgenutzt, dass ein Umkehren der Magnetfeldrichtung, eine Alternative zur Umkehrung der Präzessionsrichtung der Kernspins durch optisches Pumpen ist.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Beleuchtungsanordnung dazu eingerichtet, im ersten Pumpbereich zum Beleuchten des ersten Mediums und des zweiten Mediums zirkular polarisiertes Licht mit mindestens einer Komponente parallel zu der Richtung des Vormagnetisierungsfeldes und im zweiten Pumpbereich zum Beleuchten des ersten Mediums und des zweiten Mediums zirkular polarisiertes Licht mit mindestens einer Komponente parallel zu der Richtung des Vormagnetisierungsfeldes bereitzustellen, wobei das Licht im ersten Pumpbereich und im zweiten Pumpbereich mit einander entgegengesetztem Umlaufsinn zirkular polarisiert ist. Des Weiteren ist die Magnetfelderzeugungseinrichtung dazu eingerichtet, das Vormagnetisierungsfeld im ersten Pumpbereich parallel zum Vormagnetisierungsfeld im zweiten Pumpbereich bereitzustellen.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Beleuchtungsanordnung dazu eingerichtet, im ersten Pumpbereich zum Beleuchten des ersten Mediums und des zweiten Mediums zirkular polarisiertes Licht mit mindestens einer Komponente parallel zu der Richtung des Vormagnetisierungsfeldes und im zweiten Pumpbereich zum Beleuchten des ersten Mediums und des zweiten Mediums zirkular polarisiertes Licht mit mindestens einer Komponente parallel zu der Richtung des Vormagnetisierungsfeldes bereitzustellen, wobei das Licht im ersten Pumpbereich und im zweiten Pumpbereich mit gleichem Umlaufsinn zirkular polarisiert ist. Des Weiteren ist die Magnetfelderzeugungseinrichtung dazu eingerichtet, das Vormagnetisierungsfeld im ersten Pumpbereich antiparallel zum Vormagnetisierungsfeld im zweiten Pumpbereich bereitzustellen.
Gemäß einer Ausführungsform die Beleuchtungsanordnung dazu eingerichtet ist, im ersten Pumpbereich zum Beleuchten des ersten Mediums und des zweiten Mediums zirkular polarisiertes Licht mit mindestens einer Komponente parallel zu der Richtung des Vormagnetisierungsfeldes und im zweiten Pumpbereich zum Beleuchten des ersten Mediums und des zweiten Mediums zirkular polarisiertes Licht mit mindestens einer Komponente antiparallel zu der Richtung des Vormagnetisierungsfeldes bereitzustellen, wobei das Licht im ersten Pumpbereich und im zweiten Pumpbereich mit gleichem Umlaufsinn zirkular polarisiert ist. Des Weiteren ist die Magnetfelderzeugungseinrichtung dazu eingerichtet ist, das Vormagnetisierungsfeld im ersten Pumpbereich parallel zum Vormagnetisierungsfeld im zweiten Pumpbereich bereitzustellen.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Beleuchtungsanordnung dazu eingerichtet ist, im ersten Pumpbereich zum Beleuchten des ersten Mediums und des zweiten Mediums zirkular polarisiertes Licht mit mindestens einer Komponente senkrecht zu der Richtung des Vormagnetisierungsfeldes und im zweiten Pumpbereich zum Beleuchten des ersten Mediums und des zweiten Mediums zirkular polarisiertes Licht mit mindestens einer Komponente senkrecht zu der Richtung des Vormagnetisierungsfeldes bereitzustellen, wobei das Licht im ersten Pumpbereich und im zweiten Pumpbereich mit gleichem Umlaufsinn zirkular polarisiert ist. Die Magnetfelderzeugungseinrichtung ist dazu eingerichtet, das Vormagnetisierungsfeld im ersten Pumpbereich antiparallel zum Vormagnetisierungsfeld im zweiten Pumpbereich bereitzustellen. Die Beleuchtungsanordnung ist als Teil der Detektionsanordnung zur Detektion einer Drehung des NMR-Gyroskops durch optisches Auslesen der Präzessionsbewegung der polarisierbaren Kernspins einsetzbar. Ein weiterer Vorteil hierbei ist, dass das NMR-Gyroskop einen einfacheren Aufbau aufweist.
Die Beleuchtungsanordnung und die Detektionsanordnung können jeweils eine Beleuchtungsquelle, wie beispielsweise einen Laser oder eine Laserdiode, insbesondere einen Oberflächenemitter (VCSEL) zum Beleuchten umfassen. Alternativ kann die Beleuchtungsquelle der Beleuchtungsanordnung auch als Beleuchtungsquelle der Detektionsanordnung verwendet werden. Beispielsweise können hierbei weitere optische Elemente, wie Spiegel, Polarisatoren, etc. im Strahlengang angeordnet sein. Eine gemeinsame Beleuchtungsquelle zu verwenden, birgt den Vorteil einer gemeinsamen Rauschstatistik.
Ein Verfahren zum Betreiben des NMR-Gyroskops, mit den Schritten:

• Erzeugen einer synchronisierten Präzessionsbewegung der polarisierten Kernspins im ersten Pumpbereich und im zweiten Pumpbereich,
• Optisches Auslesen der Präzessionsbewegungen der polarisierten Kernspins im ersten Pumpbereich und im zweiten Pumpbereich

Gemäß einer Ausführungsform erfolgt beim optischen Auslesen ein Durchstrahlen der Dampfzellenanordnung mit linear polarisiertem Licht und ein Detektieren des von der Dampfzellenanordnung transmittierten Lichts.
Gemäß einer Ausführungsform wird beim optischen Auslesen die Summe der Präzessionsbewegungen der polarisierten Kernspins im ersten Pumpbereich und im zweiten Pumpbereich erfasst. Insbesondere wird die Summe der Präzessionsbewegungen der polarisierten Kernspins erfasst, wobei im Fall, dass an dem NMR-Gyroskop keine äußere Drehrate anliegt, das Detektionssignal verschwindet, da sich das durch die in Phase präzedierenden Kernspins im ersten Pumpbereich und das durch die in Phase präzedierenden Kernspins im zweiten Pumpbereich, welche gegenläufig zu den Kernspins im ersten Pumpbereich präzedieren, hervorgerufene sich periodisch ändernde Magnetfeld aufheben. Weiter verschwinden auch alle Störterme ω_s, sofern diese die zwei Pumpbereiche in gleichem Maß beeinflussen.
Gemäß einer Ausführungsform wird beim optischen Auslesen die Summe der Präzessionsbewegungen der polarisierten Kernspins im ersten Pumpbereich und im zweiten Pumpbereich und die Präzessionsbewegung im ersten Pumpbereich separat erfasst. Ein Vorteil ist, dass sowohl das rauschbehaftete Signal als auch das intrinsisch korrigiertes Signal ausgelesen werden. Dadurch wird mehr Information über das System erhalten. Es ermöglicht fortgeschrittene Kalibrierungsmethoden des NMR-Gyroskops, beispielsweise, wenn das System auf verschiedene Einflüsse individuell kalibriert werden soll, ist es gut ein Signal zu haben, welches alle Rauschterme enthält und somit zwischen diesen unterschieden werden kann. Dadurch kann eine höhere Präzision und Driftstabilität des NMR-Gyroskops realisiert werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass nicht nur gleichförmig für beide Dampfzellen vorliegende Störungen (gleich große Signale mit unterschiedlichem Vorzeichen, die sich gegenseitig auslöschen), sondern auch Störungen, welche einen Gradienten zwischen den beiden Pumpbereichen aufweisen, korrigiert werden können. Dies rührt daher, dass das Signal des ersten Pumpbereichs und die Summe der Signale beider Pumpbereiche bekannt sind und somit auch das Signal des zweiten Pumpbereichs implizit bekannt ist. Die Kenntnis von beiden Signalen, d. h. sowohl das Signal des ersten Pumpbereichs, als auch das Signal des zweiten Pumpbereichs, erlaubt die Korrektur von Gradienten zwischen den Pumpbereichen, da Einflüsse, welche nicht gleich für beide Pumpbereiche sind, wie es aber die Drehrate ist, identifizierbar sind. Somit erhält man vorteilhafterweise in diesem Fall ein System, das sowohl gegenüber Gradienten als auch gleichförmigen Störungen korrigiert ist.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen in den Figuren bezeichnen gleiche oder gleichwirkende Elemente.
Es zeigen

1 eine Skizze des Energieschemas eines zweiten Mediums, hier Rubidium 87,
2 zeigt eine Skizze zur Illustration der Präzessionsbewegungen der polarisierten Elektronenspins im ersten Pumpbereich und im zweiten Pumpbereich,
3 zeigt einen beispielhaften Aufbau eines NMR-Gyroskops,
4 zeigt einen Querschnitt eines Ausschnitts des NMR-Gyroskops gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
5 zeigt einen Querschnitt eines Ausschnitts des NMR-Gyroskops gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
6 zeigt einen Querschnitt eines Ausschnitts des NMR-Gyroskops gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel,
7 zeigt einen Querschnitt eines Ausschnitts des NMR-Gyroskops gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel,
8 zeigt einen Querschnitt eines Ausschnitts des NMR-Gyroskops gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel,
9 zeigt einen Querschnitt eines Ausschnitts des NMR-Gyroskops gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel und
10 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben des NMR-Gyroskops.

Ausführungsbeispiele der Erfindung
1 zeigt das Termschema 100 von Rubidium 87, welches beispielsweise als zweites Mediums in einem NMR-Gyroskop 200 eingesetzt werden kann, anhand dessen im Folgenden das optische Pumpen erklärt wird. Ein beispielhafter Aufbau des NMR-Gyroskops 200 ist in 3 dargestellt. Das Energieschema 100 von Rubidium 87 zeigt eine Feinstrukturaufspaltung, welche sich aufgrund der Spin-Bahn-Kopplung zwischen Elektronenspin (S=±1/2) und Bahndrehimpuls ergibt. Der erste angeregte Zustand weist eine Feinstrukturaufspaltung in einen ersten Unterzustand 117 (5²P_1/2) und in einen zweiten Unterzustand 118 (5²P_3/2) auf. Für eine Anregung des Rubidium 87 Atoms aus seinem Grundzustand 116 (5²S_1/2) in den ersten Unterzustand 117 (5²P_1/2) ist eine Einstrahlung von Licht 120 der Wellenlänge 794,98 Nanometer (nm) erforderlich. Für eine Anregung des Rubidium 87 Atoms aus seinem Grundzustand 116 (5²S_1/2) in den zweiten Unterzustand 118 ist eine Einstrahlung von Licht 119 der Wellenlänge 780,24 nm erforderlich. Des Weiteren gibt es eine Hyperfeinstrukturaufspaltung, welche sich aufgrund des Kerndrehimpulses ergibt. Die Hyperfeinstrukturaufspaltung wird durch die Kopplung des Gesamtdrehimpulses der Elektronenhülle mit dem Drehimpuls des Kerns hervorgerufen. Der Grundzustand 116 weist eine Hyperfeinstrukturaufspaltung in einen F=1-Zustand (110) und einen F=2-Zustand (111) auf, wobei der Abstand 115 der beiden Energieniveaus 110, 111 6,8 GHz (Gigahertz) beträgt. Der erste Unterzustand 117 spaltet in ein erstes Energieniveau 112 mit F=1 und ein zweites Energieniveau 113 mit F=2 auf, wobei ein Abstand 114 der beiden Energieniveaus 112, 113 0,8 GHz beträgt.
Befindet sich das Rubidium 87 Atom in einem äußeren Magnetfeld, beispielsweise einem Vormagnetisierungsfeld 300, so spalten die Energieniveaus 110, 111, 112, 113 der Hyperfeinstruktur weiter auf (Zeemannaufspaltung), wobei jedes Energieniveau 110, 111, 112, 113 eine Anzahl von 2F+1 Unterniveaus aufweist. So weist beispielsweise das F=1 Energieniveau 110 des Grundzustands 116 drei Zeemann-Niveaus auf, wobei das unterste Zeemann-Niveau 109 mit der magnetischen Quantenzahl m_f = -1, das mittlere Zeemann-Niveau mit der magnetischen Quantenzahl m_f = 0 und das obere Zeemann-Niveau 108 mit der magnetischen Quantenzahl m_f = +1 bezeichnet sind. Das F=2 Energieniveau 111 des Grundzustands 116 weist fünf Zeemann-Niveaus auf, wobei das unterste Zeemann-Niveau 107 mit der magnetischen Quantenzahl m_f = -2 und das oberste Zeemann-Niveau 105 mit m_f = +2 bezeichnet ist. Der Abstand 106 zweier benachbarter Zeemann-Niveaus beträgt ℏω_Larmor, wobei ω_Larmor der Frequenz des durch das anliegende Magnetfeld verursachten Larmor-Präzession der Elektronenspins im Magnetfeld (im Fall des NMR-Gyroskops: im Vormagnetisierungsfeld 300) entspricht.
Analog dazu weist das F=1 des ersten angeregten Zustands 112 drei Zeemann-Niveaus auf, wobei das unterste Zeemann-Niveau 104 mit der magnetischen Quantenzahl m_f = -1, das mittlere Zeemann-Niveau mit der magnetischen Quantenzahl m_f = 0 und das obere Zeemann-Niveau 103 mit der magnetischen Quantenzahl m_f = +1 bezeichnet sind. Das F=2 Energieniveau 113 des ersten angeregten Zustands 112 weist fünf Zeemann-Niveaus auf, wobei das unterste Zeemann-Niveau 102 mit der Quantenzahl m_f = -2 und das oberste Zeemann-Niveau 101 mit m_f = +2 bezeichnet sind.
Bei optischen Übergängen gilt die Auswahlregel Δ m_f =±1, 0, wobei Δ m_f die Differenz der magnetischen Quantenzahlen des Anfangs- und des Endzustands beschreibt. Die Übergänge mit Δ m_f =±1 können durch Einstrahlen von zirkular polarisiertem σ^±- polarisiertem Licht angeregt werden. Dadurch wird das Rubidium polarisiert. Ein Atom, das sich im Zeemann-Niveau 105 des Grundzustands 116 mit m_f =2 (m_f =-2) befindet, kann kein σ⁺-Photon (σ^--Photon) absorbieren, weil es im ersten angeregten Zustand 117 kein Zeemann-Niveau mit m_f = 3 (m_f = -3) gibt, der aus Drehimpulserhaltungsgründen für die Absorption nötig wäre. Das bedeutet, dass sich alle Atome nach einer gewissen Pumpzeit im obersten (untersten) Zeemann-Niveau 105 des Grundzustands 116 mit m_f =2 (m_f = -2) befinden. Das entspricht einer Ausrichtung des Gesamtspins in Richtung des äußeren Magnetfelds (im Fall des NMR-Gyroskops: des Vormagnetisierungsfeldes). Anders gesagt kann durch Einstrahlen von σ⁺-Licht 120 mit einer Wellenlänge von 794,98 nm ein Großteil von Rubidium in einem Ensemble in die Zeemann-Niveaus des F=2 Zustands 113 gepumpt werden, da, durch einen starken Pumplaser, die Population schnell aus allen Zuständen gepumpt werden kann, ausgenommen davon ist der m_f =2 Zustand, da kein Zustand mit Δ m_f =1 in Reichweite ist. Selbiges für m_f = -2 für σ^--polarisiertes Licht und Δ m_f = -1.
2 zeigt eine Skizze zur Illustration der Präzessionsbewegungen der polarisierten Elektronenspins 3021, 3022 im ersten Pumpbereich 2011 und im zweiten Pumpbereich 2012. Die folgenden Ausführungen bezüglich der Präzessionsbewegung gelten analog für die polarisierten Kernspins, wobei die Präzessionsbewegung der Kernspins nur indirekt durch optisches Pumpen hervorgerufen wird. Denn die Präzessionsbewegung der Kernspins wird durch eine starke Elektron-Kernspin Wechselwirkung von den optisch gepumpten Elektronenspins eines zweiten Mediums 203, wie in diesem Beispiel Rubidium 87, auf die Kernspins eines ersten Mediums 204 des NMR-Gyroskops übertragen. In 2 sind eine Magnetfeldrichtung eines Vormagnetisierungsfeldes 300 und eine Magnetfeldrichtung eines oszillierenden Magnetfelds 301 (wobei die Oszillation durch einen Doppelpfeil angedeutet ist) eingezeichnet, welche in diesem Ausführungsbeispiel orthogonal zueinander sind. Ein erster Pfeil 3021 repräsentiert einen polarisierten Elektronenspin, beispielsweise von Rubidium, mit der magnetischen Quantenzahl m_f = 2, ein zweiter Pfeil 3022 repräsentiert einen polarisierten Elektronenspin, beispielsweise von Rubidium, mit der magnetischen Quantenzahl m_f = -2. Eine Präzessionsbewegung 304 des Elektronenspins 3021 um das Vormagnetisierungsfeld 200 mit der magnetischen Quantenzahl m_f = 2 ist entgegengesetzt zu einer Präzessionsbewegung 303 des Elektronenspins 3022 mit der magnetischen Quantenzahl m_f = -2. Die polarisierten Elektronenspins 3021, 3022 mit magnetischer Quantenzahl umgekehrten Vorzeichens können durch optisches Pumpen mit umgekehrt zirkular polarisiertem Licht, d. h. σ⁺- polarisiertes Licht für m_f = 2 und σ^--polarisiertes Licht für m_f = -2 generiert werden. Das oszillierende Magnetfeld 301 synchronisiert die Präzessionsbewegungen, sodass sie in Phase zueinander sind, aber einen entgegengesetzten Umlaufsinn haben, wie dies in der Skizze durch die beiden Kreise 303, 304 mit umgekehrter Pfeilrichtung angedeutet ist. Liest man nun mit einem Laser, unter Verwendung des magnetooptischen Faradayeffekts, die Präzessionsbewegungen optisch aus, verschwindet durch die gegenläufigen, synchronisierten Präzessionsbewegungen die Richtung, die normal zur Bildebene ist.
3 zeigt einen beispielhaften Aufbau des NMR-Gyroskops 200. Das NMR-Gyroskop 200 umfasst eine Dampfzellenanordnung 201, welches auf einem Heizelement 209 angeordnet ist. Prinzipskizzen der Dampfzellenanordnung gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele sind in den 2 bis 9 und der zugehörigen Beschreibung zu finden. In der Dampfzellenanordnung 201 sind ein zweites Medium 203, insbesondere ein Alkalimetall und ein erstes Medium 204, insbesondere ein Edelgas, angeordnet, wobei mittels des Heizelements 209 ein Verdampfen des Alkalimetalls ermöglicht wird. Die Dampfzellenanordnung 201 ist von einer Magnetfelderzeugungseinrichtung 206 umgeben, welche ein statisches Magnetfeld, welches als Vormagnetisierungsfeld 300 dient, und ein oszillierendes Magnetfeld 301, welches mindestens eine Komponente orthogonal zu dem Vormagnetisierungsfeld 300 aufweist, am Ort der Dampfzellenanordnung 201 bereitstellt. In diesem Ausführungsbeispiel umfasst die Magnetfelderzeugungseinrichtung 206 ein zweiachsiges Helmholtz Spulenpaar. Alternativ kann die Magnetfelderzeugungseinrichtung 206 dreiachsige oder multiachsen Magnetfeldspulen umfassen, beispielsweise um Störfelder innerhalb der Dampfzellenanordnung 201 zu kompensieren oder unterschiedliche Vormagnetisierungsfelder 3001, 3002 (siehe z. B. 5, 6 und 8) für die Dampfzellenanordnung 201 bereitzustellen. Eine magnetische Abschirmung 207 ist in diesem Ausführungsbeispiel um die Dampfzellenanordnung 201 herum angeordnet, um die Dampfzellenanordnung 201 von umgebenden Magnetfeldern, wie beispielsweise dem Erdmagnetfeld, abzuschirmen.
Des Weiteren umfasst das NMR-Gyroskop 200 eine Beleuchtungsanordnung 205 zum Beleuchten des ersten Mediums 204 und des zweiten Mediums 203 in der Dampfzellenanordnung 201, wobei die Beleuchtungsanordnung 205 dazu eingerichtet ist, durch optisches Pumpen Elektronenspins 3021, 3022 des zweiten Mediums 203 zu polarisieren, wobei mittels dieser Elektronenspin-Polarisation durch eine starke Elektron-Kernspin Wechselwirkung zwischen dem zweiten Medium 203 und dem ersten Medium 204 die Kernspins des ersten Mediums 204 polarisierbar sind. Das Vormagnetisierungsfeld 300 legt eine Richtung einer Präzessionsbewegung der polarisierbaren Kernspins des ersten Mediums 204 fest und mittels des oszillierenden Magnetfelds 301 wird eine Synchronisation der Präzessionsbewegungen der polarisierbaren Kernspins des ersten Mediums 204 ermöglicht. Die Beleuchtungsanordnung 205 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel eine Beleuchtungsquelle 2052 zum optischen Pumpen und einen Zirkularpolarisator 2051, wobei die von der Beleuchtungsquelle emittierte elektromagnetische Strahlung beim Durchgang durch den Zirkularpolarisator 2051 zu einem zirkular polarisierten Lichtstrahl als Pumpstrahl 2001 für das in der Dampfzellenanordnung 201 angeordnete zweite Medium wird. Als Beleuchtungsquellen 2052, 2084 können beispielsweise Laser oder Laserdioden, insbesondere Oberflächenemitter (VCSEL) verwendet werden.
Das NMR-Gyroskop 200 umfasst eine Detektionsanordnung 208, welche zur Detektion einer Drehung des NMR-Gyroskops 200 um eine Richtung des Vormagnetisierungsfeldes 300 aus einer Änderung der Präzessionsbewegung der polarisierbaren Kernspins eingerichtet ist. Die Detektionsanordnung 208 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel einen Linearpolarisator 2081 und eine Auslese-Beleuchtungsquelle 2084, wobei im Strahlengang zwischen der Auslese-Beleuchtungsquelle 2084 und der Dampfzellenanordnung 201 der Linearpolarisator 2081 angeordnet ist, sodass von der Auslese-Beleuchtungsquelle 2084 emittierte elektromagnetische Strahlung nach Passieren des Linearpolarisators 2081 als linear polarisierter Lichtstrahl 2000 auf die Dampfzellenanordnung 201 trifft und von dieser transmittiert 2002 wird. Des Weiteren umfasst die Detektionsanordnung 208 einen Polarisator 2083 und ein Detektorelement 2082, sodass unter Ausnutzung des magnetooptischen Faraday-Effekts die Präzessionsbewegungen der polarisierten Kernspins des ersten Mediums 204 in der Dampfzellenanordnung 201 als Messsignal 2003, beispielsweise in Form eines elektrischen Signals, welches ein Maß für die sich periodisch ändernden Strahlungsintensität ist, erfassbar ist. Das Messsignal 2003 wird an eine Signalverarbeitungseinrichtung 2085 übermittelt, welche aus dem Messsignal 2003 ein Detektionssignal 2086 (beispielsweise eine Drehrate) des NMR-Gyroskops 200 bestimmt. Des Weiteren kann die Signalverarbeitungseinrichtung 2085 zur Steuerung der Felder des NMR-Gyroskops eingerichtet sein. Beispielsweise kann mittels der Signalverarbeitungseinrichtung 2085 eine Kalibration des NMR-Gyroskops vorgenommen werden, indem in Abhängigkeit des Messsignals 2003 eine Anpassung der Felder, insbesondere der Magnetfelder 300, 301 oder der Temperatur mittels des Heizelements 209, erfolgt, sodass beispielsweise im Fall, dass das NMR-Gyroskop nicht rotiert wird, das Messsignal 2003 verschwindet (siehe oben). Des Weiteren kann die Signalverarbeitungseinrichtung 2085 für eine elektronische Kalibrierung oder Korrektur des Messsignals 2003 eingerichtet sein. Die Signalverarbeitungseinrichtung 2085 kann hierbei als Teil des NMR-Gyroskops 200 ausgebildet sein oder außerhalb des NMR-Gyroskops angeordnet sein, wobei das NMR-Gyroskop 200 in diesem Fall Kommunikationsschnittstellen aufweist, welche insbesondere eine Übermittlung der Messsignale 2003 des NMR-Gyroskops 200 an die Signalverarbeitungseinrichtung 2085 ermöglicht.
Die in den 4 bis 9 dargestellten Ausführungsbeispiele illustrieren die Initialisierung der beiden Pumpbereiche 2011, 2012, sodass Teilsignale sich ungleich für die Art eines äußeren Rotationseinflusses des NMR-Gyroskops 200 ändern.
4 zeigt einen Querschnitt eines Ausschnitts des NMR-Gyroskops 200. Die Dampfzellenanordnung 201 umfasst hierbei eine erste Dampfzelle 2011a und eine zweite Dampfzelle 2012a, wobei in beiden Dampfzellen jeweils das erste Medium 204 und das zweite Medium 203 angeordnet sind. Alternativ (wie beispielsweise in 9 dargestellt) kann die Dampfzellenanordnung 201 eine Dampfzelle umfassen, wobei neben dem ersten Medium 204 und dem zweiten Medium 203 ein Puffergas in der Dampfzelle angeordnet ist, welches durch räumliche Einschränkung der Elektron-Kernspin Wechselwirkung in der Dampfzelle den ersten Pumpbereich 2011 und den zweiten Pumpbereich 2012 realisiert. In dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel dient die erste Dampfzelle als erster Pumpbereich 2011 und die zweite Dampfzelle dient als zweiter Pumpbereich 2012. Das Vormagnetisierungsfeld 300 im ersten Pumpbereich 2011 ist parallel zum Vormagnetisierungsfeld 300 im zweiten Pumpbereich 2012. Insbesondere können sich der erste Pumpbereich 2011 und der zweite Pumpbereich 2012 auch im gleichen, im Bereich der Dampfzellenanordnung 201 vorzugsweise homogenen Vormagnetisierungsfeld 300 befinden. Die Beleuchtungsanordnung 205 ist in diesem Ausführungsbeispiel dazu eingerichtet, im ersten Pumpbereich 2011 zum Beleuchten des ersten Mediums 204 und des zweiten Mediums 203 zirkular polarisiertes Licht 2001 a parallel zu der Richtung des Vormagnetisierungsfeldes 300 und im zweiten Pumpbereich 2012 zum Beleuchten des ersten Mediums 204 und des zweiten Mediums 203 zirkular polarisiertes Licht 2001b parallel zu der Richtung des Vormagnetisierungsfeldes 300 bereitzustellen, wobei das Licht 2001a, 2001b im ersten Pumpbereich 2011 und im zweiten Pumpbereich 2012 mit einander entgegengesetztem Umlaufsinn zirkular polarisiert ist. Beispielsweise ist das Licht 2001a zum optischen Pumpen des ersten Pumpbereichs 2011 σ⁺-polarisiert und das Licht 2001b zum optischen Pumpen des zweiten Pumpbereichs 2012 σ^-- polarisiert. Dadurch sind die beiden Dampfzellen 2011a, 2012a in Zustände mit magnetischer Quantenzahl umgekehrten Vorzeichens initialisiert, d. h. dadurch führen die Elektronenspins des zweiten Mediums 203 (z.B. von direkt gepumptem Alkali Dampf: z.B. Rb, Cs, K, Hg) und Spin-Austausch gepumpte Kernspins des ersten Mediums 204 (z.B. Edelgase wie Xe, Ne, Kr, He) Präzessionsbewegungen in einander entgegengesetzter Richtung aus. Hierzu können eine oder zwei Beleuchtungsquellen 2052 mit entsprechenden Zirkularpolarisatoren 2051 im Strahlengang zwischen Beleuchtungsquelle 2052 und Dampfzellenanordnung 201 verwendet werden. Das Initialisieren der Atome in den Zellen in unterschiedliche Zustände erfolgt hier durch Verwendung von umgekehrt zirkular polarisiertem Licht 2001a, 2001b. Das Vormagnetisierungsfeld 300 ist vorzugsweise über beide Dampfzellen 2011a, 2012a hinweg dasselbe. Die lokale Magnetisierung der Dampfzelle 2011a, 2012a kann eine Ungleichheit der Magnetfelder der beiden Dampfzellen 2011a, 2012a zur Folge haben. Vorzugsweise wird diese korrigiert, um in den beiden Dampfzellen 2011a, 2012a genau dieselbe Frequenz der Präzessionsbewegung zu erhalten. Die Korrektur kann beispielsweise durch

• Verwendung einer Co-Magnetometer-Konfiguration, bei welcher die Zellmagnetisierung verschwindet,
• Kalibrierung der Effektstärke, da dieser Effekt sich zeitlich nicht ändert, in der Signalverarbeitung,
• Kompensation durch den Aufbau (Verwenden eines größeren Bereichs, welcher das schwächere Feld sieht, um die Effekte auf dieselbe Größe zu bekommen),
• Anpassung des Vormagnetisierungsfeldes 300 beispielsweise durch eine magnetische Abschirmung mit diamagnetischen Platten bzw. eine Verstärkung bei der jeweils anderen Dampfzelle 2011a, 2012a mit paramagnetischen

Platten 2070, wie dies in 4 gezeigt ist, oder durch eine Korrekturspule, etc. erfolgen. Die Detektion der Signale (Präzessionsfrequenz) der Dampfzellen 2011a, 2012a über den Detektionslaser 2084 erfolgt üblicherweise über eine magnetooptische Drehung der Laserpolarisation (Faradayeffekt), welche proportional zur Magnetisierung der Kernspins des ersten Mediums 204 (welche bei den vorherrschenden Frequenzen oszilliert) in Laserrichtung ist. Die durch das statische angelegte Vormagnetisierungsfeld 300 resultierende Larmor-Präzession, sowie die Präzessionsänderung durch einen beliebigen, für beide Dampfzellen 2011a, 2012a gleichförmigen Störeinfluss, hat also in der ersten Dampfzelle 2011a eine Drehung der Polarisation um einen gewissen Winkel zur Folge. In der zweiten Dampfzelle 2012a erfolgt dann eine Drehung der Polarisation in entgegengesetzter Richtung. Das Messsignal 2003, welches sich aus dem gleichförmigen Störeinfluss ergibt, hebt sich somit auf und verschwindet. Liegt eine Drehrate an, ist diese für beide Dampfzellen 2011a, 2012b gleich und gemessen wird eine Drehung proportional zum Doppelten der Drehrate.
5 zeigt einen Querschnitt eines Ausschnitts des NMR-Gyroskops 200, wobei der Aufbau gleich dem in 4 gezeigten Aufbau ist. Ein Unterschied zu dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel, bei dem durch unterschiedlich gepumpte Zustände Signale in verschiedener Präzessionsrichtung erzeugt werden, ist, dass in 5 die Magnetfeldrichtung des Vormagnetisierungsfeldes 300 am Ort des ersten Pumpbereichs 2011 und die Magnetfeldrichtung des Vormagnetisierungsfeldes 3002 am Ort des zweiten Pumpbereichs 2012 antiparallel zueinander sind und das Licht 2001a zum optischen Pumpen des ersten Pumpbereichs 2011 σ⁺-polarisiert und das Licht 2001b zum optischen Pumpen des zweiten Pumpbereichs 2012 ebenfalls σ+- polarisiert, wobei die Einstrahlrichtungen jeweils parallel zum zugehörigen Vormagnetisierungsfeld 3001, 3002 der Pumpbereiche 2011, 2012 und somit antiparallel zueinander sind. Die Pumpbereiche 2011, 2012 sind in 5 als zwei separate Dampfzellen realisiert. Alternativ ist die Realisierung der beiden Pumpbereiche 2011, 2012 auch in einer Dampfzelle möglich (siehe 9), wobei ein Puffergas in der Dampfzelle angeordnet ist, welches durch räumliche Einschränkung der Elektron-Kernspin Wechselwirkung in der Dampfzelle den ersten Pumpbereich 2011 und den zweiten Pumpbereich 2012 realisiert. Die beiden Vormagnetisierungsfelder 3001, 3002 in 5 sind beispielsweise durch unterschiedliche Spulenpaare, welche Teil der Magnetfelderzeugungseinrichtung 206 sind, erzeugbar, wobei jeder Dampfzelle 2011a, 2012a ein eigenes Spulenpaar zur Erzeugung des jeweiligen Vormagnetisierungsfeldes 3001, 3002 zugeordnet ist. Rauschen, das von der Magnetfelderzeugung herrührt, kann ebenfalls ausgelöscht werden, wenn eine gemeinsame Stromquelle verwendet wird. Dies gilt für die meisten internen Störquellen und für externe Störgrößen, wie z.B. Temperaturänderung, die gleichförmig über beide Pumpbereiche 2011, 2012 sind. Die Korrektur von äußeren Störfeldern erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel über äußere Abschirmungen, wie beispielsweise die magnetische Abschirmung 207 (siehe beispielsweise 3), da diese hier sonst nicht mehr von einer Rotation zu unterscheiden sind. Das Initialisieren der Kernspins in gegenläufige Präzessionsbewegungen erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel folglich durch Anlegen antiparalleler Vormagnetisierungsfelder 3001, 3002. Störungen im statischen Magnetfeld 3001, 3002 können, sofern unabhängig für die Zellen 2011a, 2012a, durch Verwendung von Magnetfeldaufbauten, wie z.B. Hallbach Arrays, welche ein stabiles Magnetfeld erzeugen können, reduziert werden.
6 zeigt einen Querschnitt eines Ausschnitts des NMR-Gyroskops 200, wobei der Aufbau mit dem aus dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel bis auf die Beleuchtungsanordnung 205 übereinstimmt. Ein Unterschied zu dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel besteht insbesondere darin, dass in dem in 6 dargestellten Ausführungsbeispiel nur eine Beleuchtungsquelle 2052, 2084 verwendet wird, um das optische Pumpen und das Auslesen zu ermöglichen. Insbesondere wird hierbei als Beleuchtungsquelle 2052, 2084 mit nachgeschaltetem Zirkularpolarisator ein Laser für Pump- und Ausleseprozess verwendet, wobei beispielsweise σ+- polarisiertes Licht erzeugt wird. Dies ist möglich durch Anpassung der Detektionsmethode (siehe oben M_z-Modus vs M_x-Modus). Dieses Ausführungsbeispiel zeichnet sich durch einen sehr kompakten und einfachen Aufbau aus.
7 zeigt einen Querschnitt eines Ausschnitts des NMR-Gyroskops 200, wobei der Aufbau mit dem aus dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel übereinstimmt, wobei zusätzlich im Strahlengang zwischen der ersten Dampfzelle 2011a und der zweiten Dampfzelle 2012a ein Strahlteiler 210 angeordnet ist, welcher den Auslese-Lichtstrahl 2000 (linear polarisiertes Licht) in zwei Teilstrahlen aufteilt, wobei ein erster Teilstrahl nach Passieren der zweiten Dampfzelle 2012a und des ersten Polarisators 2083a auf das erste Detektorelement 2082a auftrifft und wobei ein zweiter Teilstrahl nach Passieren eines zweiten Polarisators 2083b auf ein zweites Detektorelement 2082b auftrifft. Das erste Detektorelement 2082a erfasst somit die Summe der Signale der beiden Dampfzellen 2011a, 2012a, bei denen sich Störterme aufgrund der gegenläufigen Präzessionsbewegungen der Kernspins auslöschen (siehe oben). Das zweite Detektorelement 2082b erfasst jedoch nur das Signal der ersten Dampfzelle 2011a, in dem noch sämtliche Störterme enthalten sind. Diese Kenntnisse ermöglichen fortgeschrittene Kalibrierungsmethoden: Beispielsweise, wenn das System auf verschiedene Einflüsse individuell kalibriert werden soll, ist es gut ein Signal zu haben, welches alle Rauschterme enthält und somit zwischen diesen unterschieden werden kann. Dadurch kann eine höhere Präzision und Driftstabilität realisiert werden. Ein großer Vorteil dieses Ausführungsbeispiels ist, dass nicht nur gleichförmig für beide Zellen vorliegende Störungen (gleich große Signale mit unterschiedlichem Vorzeichen die sich auslöschen), sondern auch Gradienten korrigiert werden können. Durch Subtraktion des erfassten Signals des zweiten Detektorelements 2082b von dem Messsignal 2003 des ersten Detektorelements 2082a erhält man das Signal der zweiten Dampfzelle 2012a. Damit sind sowohl die rauschbehafteten Signale der beiden Dampfzellen 2011a, 2012a sowie das intrinsisch korrigierte Messsignal 2003, welches sich aus der Summe der beiden Signale ergibt, bekannt. Die Kenntnis all dieser Signale erlaubt die Korrektur von Gradienten zwischen den Zellen, da Einflüsse, welche nicht gleich für beide Zellen sind, wie es die Drehrate ist, identifizierbar sind. Somit ergibt sich in diesem Ausführungsbeispiel ein NMR-Gyroskop 200, das gegenüber Gradienten und gleichförmigen Störungen korrigierbar ist.
8 zeigt einen Querschnitt eines Ausschnitts des NMR-Gyroskops 200, wobei der Aufbau mit dem aus dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel übereinstimmt und zusätzlich am zweiten Pumpbereich 2012 die optionalen paramagnetische Platten 2070 angeordnet sind und im Strahlengang zwischen der ersten Dampfzelle 2011a und der zweiten Dampfzelle 2012a ein Strahlteiler 210 angeordnet ist, welcher den Auslese-Lichtstrahl 2000 (linear polarisiertes Licht) in zwei Teilstrahlen aufteilt, wobei ein erster Teilstrahl nach Passieren der zweiten Dampfzelle 2012a und des ersten Polarisators 2083a auf das erste Detektorelement 2082a auftrifft und wobei ein zweiter Teilstrahl nach Passieren eines zweiten Polarisators 2083b auf ein zweites Detektorelement 2082b auftrifft. Das erste Detektorelement 2082a erfasst somit die Summe der Signale der beiden Dampfzellen 2011a, 2012a, bei denen sich Störterme aufgrund der gegenläufigen Präzessionsbewegungen der Kernspins auslöschen (siehe oben). Das zweite Detektorelement 2082b erfasst jedoch nur das Signal der ersten Dampfzelle 2011a, in dem noch sämtliche Störterme enthalten sind. In diesem Ausführungsbeispiel wird statt optischen Pumpens in unterschiedliche Zustände durch umgekehrt zirkular polarisiertes Licht die Magnetfeldrichtungen der Vormagnetisierungsfelder 3001, 3002 für die beiden Pumpbereiche 2011, 2012 umgekehrt, d. h. antiparallel zueinander, gewählt, wie dies durch die in entgegengesetzte Richtung zeigenden Pfeile in 5 und 8 angedeutet ist. Rauschen dieser Felder kann weiter korrigiert werden, wenn diese dieselbe Stromquelle nutzen. Da in diesem Ausführungsbeispiel sowohl die Summe der Signale als auch die einzelnen Signale bekannt sind, ist hier aber ebenfalls eine umfangreiche Korrektur von äußeren Störgrößen möglich. Beispielsweise, wenn das System auf verschiedene Einflüsse individuell kalibriert werden soll, ist es gut ein Signal zu haben, welches alle Rauschterme enthält und somit zwischen diesen unterschieden werden kann. Dadurch kann eine höhere Präzision und Driftstabilität realisiert werden. Ein großer Vorteil dieses Ausführungsbeispiels ist, dass nicht nur gleichförmig für beide Zellen vorliegende Störungen (gleich große Signale mit unterschiedlichem Vorzeichen die sich auslöschen), sondern auch Gradienten korrigiert werden können. Durch Subtraktion des erfassten Signals des zweiten Detektorelements 2082b von dem Messsignal 2003 des ersten Detektorelements 2082a erhält man das Signal der zweiten Dampfzelle 2012a. Damit sind sowohl die raschbehafteten Signale der beiden Dampfzellen 2011a, 2012a sowie das intrinsisch korrigierte Messsignal 2003, welches sich aus der Summe der beiden Signale ergibt, bekannt. Die Kenntnis von beiden Signalen erlaubt die Korrektur von Gradienten zwischen den Zellen, da Einflüsse, welche nicht gleich für beide Zellen sind, wie es die Drehrate ist, identifizierbar sind. Somit ergibt sich in diesem Ausführungsbeispiel ein NMR-Gyroskop 200, das gegenüber Gradienten und gleichförmigen Störungen korrigierbar ist.
9 zeigt einen Querschnitt eines Ausschnitts des NMR-Gyroskops 200, wobei die Dampfzellenanordnung 201 in diesem Ausführungsbeispiel eine Dampfzelle 2013 umfasst, welche den ersten Pumpbereich 2011 und den zweiten Pumpbereich 2012 umfasst. Es ist hierbei ein Puffergas in der Dampfzelle 2013 angeordnet, welches durch räumliche Einschränkung der Elektron-Kernspin Wechselwirkung in der Dampfzelle 2013 den ersten Pumpbereich 2011 und den zweiten Pumpbereich 2012 realisiert. Die Pumpbereiche 2011, 2012 sind in der 8 durch gestrichelte Kreise angedeutet. Des Weiteren wird hierbei nur eine Beleuchtungsquelle 2052 zum optischen Pumpen benötigt, da der Lichtstrahl nach Passieren des ersten Pumpbereichs 2011 durch optische Elemente (in 9 nicht dargestellt), wie beispielsweise Spiegel, insbesondere Mikrospiegel, umgelenkt wird und antiparallel zu der Einstrahlrichtung im ersten Pumpbereich 2011 durch den zweiten Pumpbereich 2012 verläuft. Hierbei wird ausgenutzt, dass gilt, dass ein rechts zirkular polarisierter Laser entgegen dem statischen Vormagnetisierungsfeld 300 gleich einem linkszirkular polarisierten Laser entlang dem Vormagnetisierungsfeld 300 ist (in der Regel wird eine Superposition von beiden zur AC Stark Kompensation verwendet). Die in den 4 bis 8 gezeigten Ausführungsbeispiele können statt mit zwei Beleuchtungsquellen 2052 zum optischen Pumpen alle auch mit nur einer Beleuchtungsquelle analog zu der Verwendung in 9 realisiert werden. Alternativ oder ergänzend können die in den 4 bis 8 gezeigten Ausführungsbeispiele mit zwei Dampfzellen 2011a, 2012a analog zu 9 mit einer Dampfzelle 2013, in welcher ein Puffergas angeordnet ist, sodass beide Pumpbereiche 2011, 2012 in einer Dampfzelle 2013 erzeugbar sind, realisiert werden. Denn es gilt: Werden Dampfzellen 2013 mit Puffergas verwendet, so sind die Spinaustauschwechselwirkungen räumlich (abhängig vom verwendeten Gas und dessen Druck eingeschränkt. Als Puffergas kann beispielsweise Stickstoff (N₂), Argon (Ar) oder ein Gemisch aus Stickstoff (N₂) und Argon (Ar) mit Drücken zwischen einigen 10Torr und einigen 100Torr verwendet, insbesondere 45 Torr bis 450 Torr. Es ist also möglich anstatt von zwei Dampfzellen 2011a, 2012a, nur eine Dampfzelle 2013 mit unterschiedlich gepumpten Bereichen 2011, 2012 zu verwenden.
10 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrensablaufs 400 zum Betreiben des NMR-Gyroskops 200. Das Verfahren 400 umfasst den Schritt: Erzeugen 401 einer synchronisierten Präzessionsbewegung der polarisierten Kernspins im ersten Pumpbereich 2011 und im zweiten Pumpbereich 2012. Die Polarisation der Kernspins erfolgt insbesondere durch optisches Pumpen der Elektronenspins 3021, 3022 des zweiten Mediums 203, wobei die so erzielte Polarisation der Elektronenspins 3021, 3022 durch starke Elektron-Kernspin Wechselwirkung zwischen dem zweiten Medium 203 und dem ersten Medium 204 auf die Kernspins des ersten Mediums 204 übertragen wird. Die Synchronisation der Präzessionsbewegung der Kernspins erfolgt durch Einstrahlen des oszillierenden Magnetfeldes 301, welches mindestens eine Komponente orthogonal zur Magnetfeldrichtung des Vormagnetisierungsfeldes 300, 3001, 3002 aufweist. Des Weiteren umfasst das Verfahren 400 den Schritt: Optisches Auslesen 402 der Präzessionsbewegungen der polarisierten Kernspins im ersten Pumpbereich 2011 und im zweiten Pumpbereich 2012. Beim optische Auslesen kann insbesondere ein Durchstrahlen der Dampfzellenanordnung 201 mit linear polarisiertem Licht 2000 und ein Detektieren des von der Dampfzellenanordnung 201 transmittierten Licht 2002 erfolgen. Die Einstrahlrichtung des Auslese-Lichtstrahls 2000 weist mindestens eine Komponente orthogonal zur Magnetfeldrichtung des Vormagnetisierungsfeldes 300, 3001, 3002 auf. Beim optischen Auslesen kann die Summe der Präzessionsbewegungen der polarisierten Kernspins im ersten Pumpbereich 2011 und im zweiten Pumpbereich 2012 erfasst werden. Das Messsignal 2003 wird an eine Signalverarbeitungseinrichtung 2085 übermittelt, welche aus dem Messsignal 2003 ein Detektionssignal 2086 (beispielsweise eine Drehrate) des NMR-Gyroskops 200 bestimmen kann (siehe oben). Liest eine Auslese-Beleuchtungsquelle 2084 die zwei Pumpbereiche 2011, 2012 aus, welche durch Spin-Präzessions-Signale, welche in Phase (Zu beachten ist hier die Richtung des Auslesens, da das Signal sich in einer Richtung immer zum Doppelten addiert, wohingegen es in der dazu senkrechten Richtung verschwindet, siehe 2) mit selber Präzessionsursache aber umgekehrter Präzessionsrichtung, charakterisiert sind, erhält man ein optimiertes Signal, welches weniger Störeinflüsse besitzt. Alternativ oder ergänzend können beim optischen Auslesen die Summe der Präzessionsbewegungen der polarisierten Kernspins im ersten Pumpbereich 2011 und im zweiten Pumpbereich 2012 und die Präzessionsbewegung im ersten Pumpbereich 2011 separat erfasst werden (beispielsweise mittels dem NMR-Gyroskop aus den Ausführungsbeispielen in 8 und 9).
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

„MEMS Components for NMR Atomic Sensors‟ (R. M. Noor and A. M. Shkel; Journal of Microelectromechanical Systems, 27(6):1148-1159, Dec. 2018) [0001]
Noor and A. M. Shkel; Journal of Microelectromechanical Systems, 27(6):1148-1159, Dec. 2018) [0005]

Claims

NMR-Gyroskop (200), umfassend • eine Dampfzellenanordnung (201), umfassend ein erstes Medium (204) und ein zweites Medium (203), wobei das erste Medium (204) und das zweite Medium (203) in der Dampfzellenanordnung (201) angeordnet sind, • eine Beleuchtungsanordnung (205) zum Beleuchten des ersten Mediums (204) und des zweiten Mediums (203) in der Dampfzellenanordnung (201), wobei die Beleuchtungsanordnung (205) dazu eingerichtet ist, durch optisches Pumpen Elektronenspins (3021, 3022) des zweiten Mediums (203) zu polarisieren, wobei mittels dieser Elektronenspin-Polarisation durch eine starke Elektron-Kernspin Wechselwirkung zwischen dem zweiten Medium (203) und dem ersten Medium (204) die Kernspins des ersten Mediums (204) polarisierbar sind, • eine Magnetfelderzeugungseinrichtung (206) zur Bereitstellung eines Vormagnetisierungsfelds (300) und eines oszillierenden Magnetfeldes (301) am Ort der Dampfzellenanordnung (201), wobei das Vormagnetisierungsfeld (300) zur Festlegung einer Richtung einer Präzessionsbewegung der polarisierbaren Kernspins des ersten Mediums (204) und das oszillierende Magnetfeld (301) zur Synchronisation der Präzessionsbewegungen der polarisierbaren Kernspins des ersten Mediums (204) eingerichtet sind und • eine Detektionsanordnung (208), welche zur Detektion einer Drehung des NMR-Gyroskops (200) um eine Richtung des Vormagnetisierungsfeldes (300) aus einer Änderung der Präzessionsbewegung der polarisierbaren Kernspins eingerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Dampfzellenanordnung (201) einen ersten Pumpbereich (2011) und einen zweiten Pumpbereich (2012) aufweist, • wobei im ersten Pumpbereich (2011) eine Präzessionsbewegung der sich im ersten Pumpbereich (2011) befindlichen polarisierbaren Kernspins mit einem ersten Umlaufsinn generierbar ist, • wobei im zweiten Pumpbereich (2012) eine Präzessionsbewegung der sich im zweiten Pumpbereich (2012) befindlichen polarisierbaren Kernspins mit einem zweiten Umlaufsinn generierbar ist und • wobei der erste Umlaufsinn und der zweite Umlaufsinn gegenläufig zueinander sind.
NMR-Gyroskop (200) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionsanordnung (208) einen Polarisator (2083) und einen Strahlungssensor (2082) zur Erfassung eines von der Dampfzellenanordnung (201) transmittierten Lichts (2002) nach Durchgang durch den Polarisator (2083) umfasst, wobei aus den Messdaten (2003) des Strahlungssensors (2082) eine Rotationsfrequenz der Drehung des NMR-Gyroskops (200) um eine Richtung des Vormagnetisierungsfeldes (300) bestimmbar ist.
NMR-Gyroskop (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dampfzellenanordnung (201) eine Dampfzelle (2013) umfasst, wobei ein Puffergas in der Dampfzelle (2013) angeordnet ist, welches durch räumliche Einschränkung der Elektron-Kernspin Wechselwirkung in der Dampfzelle den ersten Pumpbereich (2011) und den zweiten Pumpbereich (2012) realisiert.
NMR-Gyroskop (200) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dampfzellenanordnung (201) eine erste Dampfzelle (2011a) und eine zweite Dampfzelle (2012a) umfasst, wobei die erste (2011a) Dampfzelle den ersten Pumpbereich (2011) umfasst und die zweite Dampfzelle (2012a) den zweiten Pumpbereich (2012) umfasst.
NMR-Gyroskop (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, • dass die Beleuchtungsanordnung (205) dazu eingerichtet ist, im ersten Pumpbereich (2011) zum Beleuchten des ersten Mediums (204) und des zweiten Mediums (203) zirkular polarisiertes Licht (2001a) parallel zu der Richtung des Vormagnetisierungsfeldes (300) und im zweiten Pumpbereich (2012) zum Beleuchten des ersten Mediums (204) und des zweiten Mediums (203) zirkular polarisiertes Licht (2001b) parallel zu der Richtung des Vormagnetisierungsfeldes (300) bereitzustellen, wobei das Licht im ersten Pumpbereich (2011) und im zweiten Pumpbereich (2012) mit einander entgegengesetztem Umlaufsinn zirkular polarisiert ist und • dass die Magnetfelderzeugungseinrichtung (206) dazu eingerichtet ist, das Vormagnetisierungsfeld im ersten Pumpbereich (2011) parallel zum Vormagnetisierungsfeld im zweiten Pumpbereich (2012) bereitzustellen.
NMR-Gyroskop (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, • dass die Beleuchtungsanordnung (205) dazu eingerichtet ist, im ersten Pumpbereich (2011) zum Beleuchten des ersten Mediums (204) und des zweiten Mediums (203) zirkular polarisiertes Licht parallel zu der Richtung des Vormagnetisierungsfeldes und im zweiten Pumpbereich (2012) zum Beleuchten des ersten Mediums (204) und des zweiten Mediums (203) zirkular polarisiertes Licht parallel zu der Richtung des Vormagnetisierungsfeldes bereitzustellen, wobei das Licht im ersten Pumpbereich (2011) und im zweiten Pumpbereich (2012) mit gleichem Umlaufsinn zirkular polarisiert ist und • dass die Magnetfelderzeugungseinrichtung (206) dazu eingerichtet ist, das Vormagnetisierungsfeld im ersten Pumpbereich (2011) antiparallel zum Vormagnetisierungsfeld im zweiten Pumpbereich (2012) bereitzustellen.
NMR-Gyroskop (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, • dass die Beleuchtungsanordnung (205) dazu eingerichtet ist, im ersten Pumpbereich (2011) zum Beleuchten des ersten Mediums (204) und des zweiten Mediums (203) zirkular polarisiertes Licht parallel zu der Richtung des Vormagnetisierungsfeldes und im zweiten Pumpbereich (2012) zum Beleuchten des ersten Mediums (204) und des zweiten Mediums (203) zirkular polarisiertes Licht antiparallel zu der Richtung des Vormagnetisierungsfeldes bereitzustellen, wobei das Licht im ersten Pumpbereich (2011) und im zweiten Pumpbereich (2012) mit gleichem Umlaufsinn zirkular polarisiert ist und • dass die Magnetfelderzeugungseinrichtung (206) dazu eingerichtet ist, das Vormagnetisierungsfeld im ersten Pumpbereich (2011) parallel zum Vormagnetisierungsfeld im zweiten Pumpbereich (2012) bereitzustellen.
NMR-Gyroskop (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, • dass die Beleuchtungsanordnung (205) dazu eingerichtet ist, im ersten Pumpbereich (2011) zum Beleuchten des ersten Mediums (204) und des zweiten Mediums (203) zirkular polarisiertes Licht senkrecht zu der Richtung des Vormagnetisierungsfeldes und im zweiten Pumpbereich (2012) zum Beleuchten des ersten Mediums (204) und des zweiten Mediums (203) zirkular polarisiertes Licht senkrecht zu der Richtung des Vormagnetisierungsfeldes bereitzustellen, wobei das Licht im ersten Pumpbereich (2011) und im zweiten Pumpbereich (2012) mit gleichem Umlaufsinn zirkular polarisiert ist, • dass die Magnetfelderzeugungseinrichtung (206) dazu eingerichtet ist, das Vormagnetisierungsfeld im ersten Pumpbereich (2011) antiparallel zum Vormagnetisierungsfeld im zweiten Pumpbereich (2012) bereitzustellen, und • dass die Beleuchtungsanordnung (205) als Teil der Detektionsanordnung (208) zur Detektion einer Drehung des NMR-Gyroskops (200) durch optisches Auslesen der Präzessionsbewegung der polarisierbaren Kernspins einsetzbar ist.
Verfahren (400) zum Betreiben des NMR-Gyroskops (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit den Schritten: • Erzeugen (401) einer synchronisierten Präzessionsbewegung der polarisierten Kernspins im ersten Pumpbereich (2011) und im zweiten Pumpbereich (2012), • Optisches Auslesen (402) der Präzessionsbewegungen der polarisierten Kernspins im ersten Pumpbereich (2011) und im zweiten Pumpbereich (2012).
Verfahren (400) nach Anspruch 9, wobei beim optischen Auslesen ein Durchstrahlen der Dampfzellenanordnung (201) mit linear polarisiertem Licht (2000) und ein Detektieren des von der Dampfzellenanordnung (201) transmittierten Licht (2002) erfolgt.
Verfahren (400) nach einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei beim optischen Auslesen die Summe der Präzessionsbewegungen der polarisierten Kernspins im ersten Pumpbereich (2011) und im zweiten Pumpbereich (2012) erfasst wird.
Verfahren (400) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei beim optischen Auslesen die Summe der Präzessionsbewegungen der polarisierten Kernspins im ersten Pumpbereich (2011) und im zweiten Pumpbereich (2012) und die Präzessionsbewegung im ersten Pumpbereich (2011) separat erfasst werden.