DE102020208340A1

DE102020208340A1 - NMR-Gyroskop und Verfahren zum Betreiben des NMR-Gyroskops

Info

Publication number: DE102020208340A1
Application number: DE102020208340.1A
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, welches eine Dampfzellenanordnung umfasst, die eine erste Dampfzelle (2011) und eine zweite Dampfzelle (2012) umfasst, wobei in der ersten Dampfzelle das erste Medium (2040) und das zweite Medium (203) angeordnet sind und wobei in der zweiten Dampfzelle das dritte Medium (2041) und das zweite Medium (203) angeordnet sind. In der ersten Dampfzelle (2011) ist eine Präzessionsbewegung der sich in der ersten Dampfzelle (2011) befindlichen polarisierbaren Kernspins des ersten Mediums (2040) mit einem ersten Umlaufsinn generierbar, in der zweiten Dampfzelle (2012) ist eine Präzessionsbewegung der sich in der zweiten Dampfzelle (2012) befindlichen polarisierbaren Kernspins des dritten Mediums (2041) mit einem zweiten Umlaufsinn generierbar, wobei der erste Umlaufsinn und der zweite Umlaufsinn gegenläufig zueinander sind.Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben des NMR-Gyroskops.

Description

Stand der Technik
In WO 2012/099819 A1 ist ein NMR-Gyroskop mit einer Kreiselzelle, die eine Alkalimetalldampf, ein erstes gyromagnetisches Isotop und ein zweites gyromagnetisches Isotop einschließt und mit einer Magnetfeldfehlersteuerungseinrichtung beschrieben, wobei die Magnetfeldfehlersteuerungseinrichtung einen mit einer Stärke des Magnetfelds assoziierten Fehler misst, und ein Fehlersignal erzeugt, das zum Magnetfelderzeuger rückgemeldet wird, um das Magnetfeld auf einer erwünschten Stärke zu halten.
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, Spin ((2n+1)/2) Kerne, wobei n eine natürliche Zahl ist) 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 Dampfzellen 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: $ω_{mess} = ω_{larmor} \pm ω_{rot}$
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, ein zweites Medium und ein drittes Medium, wobei das erste Medium, das zweite Medium und das dritte Medium in der Dampfzellenanordnung angeordnet sind, wobei ein gyromagnetisches Verhältnis des ersten Mediums und ein gyromagnetisches Verhältnis des dritten Mediums voneinander abweichen,
• eine Beleuchtungsanordnung zum Beleuchten des ersten Mediums, des zweiten Mediums und des dritten 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 und durch eine starke Elektron-Kernspin Wechselwirkung zwischen dem zweiten Medium und dem dritten Medium die Kernspins des ersten Mediums und des dritten 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 des dritten Mediums und das oszillierende Magnetfeld zur Synchronisation der Präzessionsbewegung der polarisierbaren Kernspins des ersten Mediums und zur Synchronisation der Präzessionsbewegung der polarisierbaren Kernspins des dritten Mediums eingerichtet sind und
• eine Detektionsanordnung, welche zur Detektion einer Drehung des NMR-Gyroskops um eine Richtung des Vormagnetisierungsfeldes aus einer Änderung der Präzessionsbewegungen der polarisierbaren Kernspins eingerichtet ist.

Die Dampfzellenanordnung umfasst eine erste Dampfzelle und eine zweite Dampfzelle,

• wobei in der ersten Dampfzelle das erste Medium und das zweite Medium angeordnet sind und
• wobei in der zweiten Dampfzelle das dritte Medium und das zweite Medium angeordnet sind.

Insbesondere ist eine Präzessionsbewegung der sich in der ersten Dampfzelle befindlichen polarisierbaren Kernspins des ersten Mediums mit einem ersten Umlaufsinn generierbar und in der zweiten Dampfzelle eine Präzessionsbewegung der in der zweiten Dampfzelle befindlichen polarisierbaren Kernspins des dritten Mediums mit einem zweiten Umlaufsinn generierbar. Hierbei sind der erste Umlaufsinn und der zweite Umlaufsinn gegenläufig zueinander. D. h. die Präzessionsbewegung der polarisierbaren Kernspins in der ersten Dampfzelle und die Präzessionsbewegung der polarisierbaren Kernspins in der zweiten Dampfzelle sind gegenläufig zueinander: Präzedieren die Kernspins in der ersten Dampfzelle beispielsweise im Uhrzeigersinn, so präzedieren die Kernspins in der zweiten Dampfzelle gleichzeitig gegen den Uhrzeigersinn.
Möglichkeiten zur Erzeugung der gegenläufigen Präzessionsbewegungen der Kernspins des ersten Mediums und des dritten Mediums in den Dampfzellen sind beispielsweise:

• Das Vormagnetisierungsfeld am Ort der ersten Dampfzelle und das Vormagnetisierungsfeld am Ort der zweiten Dampfzelle sind antiparallel zueinander oder weisen zumindest eine Komponente auf, die antiparallel zu einer Komponente der jeweils anderen Dampfzelle ist;
• Optisches Pumpen mit zirkular polarisierten Lichtstrahlen, welche in ihrer Polarisation voneinander abweichen (beispielsweise optisches Pumpen der ersten Dampfzelle mit σ⁺-polarisiertem Licht und der zweiten Dampfzelle mit σ^--polarisiertem Licht); oder
• Wahl des ersten Mediums und des dritten Mediums derart, dass das gyromagnetische Verhältnis des ersten Mediums und das gyromagnetische Verhältnis des dritten Mediums unterschiedliche, d.h. einander entgegengesetzte Vorzeichen aufweisen.

Jede dieser Möglichkeiten für sich genommen ist dazu geeignet gegenläufige Präzessionsbewegungen der Kernspins in den Dampfzellen zu generieren. Werden zwei der Möglichkeiten gleichzeitig angewendet, ergibt sich jedoch wieder eine Präzessionsbewegung in die gleiche Richtung, da durch das zweifache Umdrehen der Präzessionsbewegung sich wieder die ursprüngliche Richtung der Präzessionsbewegung einstellt. Werden alle drei Möglichkeiten angewendet, so ergeben sich zueinander gegenläufige Präzessionsbewegungen der Kernspins in den Dampfzellen.
In einer Ausführungsform kann als 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 Dampfzellen 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 Dampfzellen 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.
Ein weiterer Vorteil ist eine starke Korrektur von äußeren Störmagnetfeldern und somit eine Verringerung der Anforderungen an die Abschirmung des NMR-Gyroskops.
Die Dampfzellenanordnung kann 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 spinbasierten 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. Eine weitere Ausführungsform zum Heizen der Dampfzelle umfasst einen Laser, d. h. einen Heizlaser, dessen Laserlicht auf einen Bereich der Dampfzelle gerichtet ist. Das Laserlicht wird vom Material der Dampfzelle, insbesondere dem Silizium, absorbiert und erwärmt somit die Dampfzelle. Insbesondere kann die mindestens eine Dampfzelle aus Glas ausgebildet sein und beispielsweise rund, zylindrisch oder würfelförmig sein.
Ebenfalls von Vorteil ist, dass durch die Trennung auf zwei Dampfzellen, keine ggf. störende Wechselwirkung zwischen dem ersten Medium und dem dritten Medium auftreten kann.
Dampfzellen können vorteilhafterweise in einem MEMS Prozess in sehr kleinem Packmaß hergestellt werden. Die Herstellung in hohen Stückzahlen und folglich eine kostengünstige Herstellung sind 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 Dampfzellen denselben Laser als Beleuchtungsquelle nutzen.
Da externe Störeinflüsse, sofern diese gleich für beide Zellen sind, bei der Detektion einander auslöschen (siehe unten) 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 (<1 cm) 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. Ein geringer Abstand der Dampfzellen, insbesondere kleiner als ein Zentimeter, durch die kleine Bauweise ermöglicht des Weiteren vorteilhafterweise eine sehr gute Feldkorrektur.
Bei der Verwendung von Dampfzellen, welche mit Edelgasen mit unterschiedlichen gyromagnetischen Verhältnis befüllt sind, insbesondere eignen sich hierbei jene mit einem entgegengesetzten Vorzeichen, ergeben sich die vorgenannten Vorteile. Insbesondere ist keine rechnerische Korrektur von Störeinflüssen erforderlich, da die Auftrennung auf zwei Dampfzellen die Korrektur intrinsisch gegeben ist, sie muss also nicht elektronisch erfolgen. Das vereinfacht die Elektronik und macht die Korrektur präziser. Diese intrinsische Korrektur kann durch das optische Pumpen mit nur einem Laser als Beleuchtungsquelle weiter verbessert werden. Darüber hinaus erlaubt eine geeignete Wahl von Edelgas-Isotopen als erstes und drittes Medium das Umgehen von störenden Quadrupol-Effekten.
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 (Δ m = 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, das zweite Medium und das dritte 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. Als drittes Medium kann beispielsweise ein Edelgas wie Xenon (Xe), Neon (Ne), Krypton (Kr) oder Helium-3 (³He) verwendet werden, wobei das erste Medium und das dritte Medium derart gewählt sind, dass ihre gyromagnetischen Verhältnisse voneinander abweichen. Vorteilhafte Kombinationen von Materialbeispielen für das erste, zweite, dritte Medium unter Angabe des jeweiligen gyromagnetischen Verhältnisses und unter Angabe einer beispielhaften Möglichkeit zur Präparation der Dampfzellen für die jeweilige Kombination (letzte Spalte der Tabelle) sind u. a.

Erste s Mediu m (Gyro mag. Ratio n in MHz/ T)	Zweit es Medi um (Gyr oma g. Ratio n in MHz/ T)	Drittes Medium (Gyromag. Ration in MHz/T)
Xe12 9 (-11.86 )	Rb87 (699 8)	Xe131 (3.516)	Zelliniti alisierun g gleich
Xe12 9 (-11.86 )	Rb85	Xe131 (3.516)	Zelliniti alisierun 9 gleich
He3, Ne21, Kr83, Xe12 9	Rb87 (699 8)	Xe131	Zelliniti alisierun 9 gleich
He3, Ne21, Kr8, Xe12 9	Rb87 (699 8)	He3, Ne21,Kr83 ,Xe129	Magne tfeldrichtun 9 inverti ert (Oder unters
			chiedliches optisc hes Pump en)
Hg19 9 (7.71 2)	-	Hg201 (-2.847)	Zelliniti alisierung gleich
Hg19 9 (7.71 2)	Rb87 (699 8) oder He3, Ne21 , Kr83, Xe12 9 und Rb87 (699 8)	Hg201 (-2.847)	Interes sante Kombi nation bei welche r das zweite Mediu m das Edelga s ist

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 129, und dem zweiten Medium, beispielsweise Rubidium, führt die Elektronenspin-Polarisation zu einer Polarisation der Kernspins des ersten Mediums. Das Vormagnetisierungsfeld am Ort der ersten Dampfzelle 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.
Analog dazu führt eine starke Elektron-Kernspin-Wechselwirkung zwischen dem dritten Medium, beispielsweise Xenon (Xe131), und dem zweiten Medium, beispielsweise Rubidium, die Elektronenspin-Polarisation zu einer Polarisation der Kernspins des dritten Mediums. Das Vormagnetisierungsfeld am Ort der zweiten Dampfzelle gibt eine Richtung vor, um welche die polarisierten Kernspins des dritten 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 und des dritten 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-Laserstrahls messen. Aufgrund des Polarisators kann das Detektorelement die Polarisationsdrehung des Auslese-Laserstrahls beispielsweise als eine sich periodisch ändernde Strahlungsintensität erfassen. Insbesondere ist die Detektionsanordnung dazu eingerichtet, einen Auslese-Laserstrahl bereitzustellen, der sowohl die erste Dampfzelle als auch die zweite Dampfzelle durchstrahlt. Dadurch erfolgt vorteilhafterweise intrinsisch eine Korrektur der Störungen, die auf beide Dampfzellen in gleicher Weise wirken (siehe Gleichung (1)), d. h. bei der Erfassung des Auslese-Laserstrahls müssen die Störterme nicht mathematisch bzw. elektronisch eliminiert werden, da diese bereits im Signal durch das Passieren beider Dampfzellen, welche zueinander entgegengesetzt rotierende Kernspins aufweisen, ausgelöscht wurden und somit in dem erfassten Signal (Detektionssignal) nicht mehr enthalten sind. Wenn beide Dampfzellen durch einen Laserstrahl ausgelesen werden, erfolgt die Korrektur vorteilhafterweise sehr schnell. Zusammenfassend lässt sich folglich sagen: Liest ein Laser zwei Bereiche (Dampfzellen) 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) mit selber Präzessionsursache aber umgekehrter Präzessionsrichtung, charakterisiert sind, erhält man ein optimiertes Signal, welches weniger Störeinflüsse aufweist.
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. Das Vorzeichen dieser Rotation mit der Larmorfrequenz hat das Vorzeichen des Magnetfeldes, sowie das Vorzeichen des gyromagnetischen Verhältnisses. Hat man nun beispielsweise zwei Dampfzellen, welche entgegengesetzte Signale gleicher Stärke erzeugen, löscht sich das Endsignal aus. Dies kann bei demselben statischem Magnetfeld durch die Verwendung zweier Isotope mit unterschiedlichem gyromagnetischen Verhältnis gelingen.
Liegt nun eine äußere Drehrate ω_rot an dem NMR-Gyroskop an, so ist diese gleich für beide Zellen und löscht sich nicht aus, sondern addiert sich. Man erhält so ein von auf beide Dampfzellen gleichwirkende Störtermen „befreites“ Signal. $ω_{mess} = (- | ω_{larmor,1} + ω_{s} | ω_{rot}) + (| ω_{larmor,2} + ω_{s} | ω_{rot}) = - ω_{larmor,1} + ω_{larmor,2} + 2 ω_{rot}$
wobei die Störterme ω_s, Störungen beschreiben, welche die beiden Dampfzellen in gleichem Maß beeinflussen und (ω_larmor,1 die Larmorfrequenz der Kernspins des ersten Mediums in der ersten Dampfzelle und ω_larmor,2 die Larmorfrequenz der Kernspins des dritten Mediums bezeichnet. Hier stehen die Ausdrücke in runden Klammern für die erste Dampfzelle und die zweite Dampfzelle.
Liegt keine Drehrate an dem NMR-Gyroskop an, d. h. wird das System (das NMR-Gyroskop) nicht von außen rotiert, ergibt sich folglich als Detektionssignal, welches von der Detektionsanordnung erfasst wird, - ω_larmor,1 + ω_larmor,2. Des Weiteren verschwinden alle Störterme ω_s, sofern diese die zwei Dampfzellen in gleichem Maß beeinflussen.
Im Folgenden werden zwei mögliche Arbeitsbereiche des NMR-Gyroskops anhand eines Beispiels mit zwei Dampfzellen näher beschrieben:

1. -ω_larmor,1 + ω_larmor,2 ≠ 0: Dies bedeutet, dass die beiden Dampfzellen unterschiedliche Signale erzeugen, welche durch eine feste Beziehung, nämlich deren gyromagnetische Verhältnisse, bekannt sind. Es ist also möglich mathematisch eine Korrektur von Störfeldern vorzunehmen. Insbesondere ist das Verwenden des ersten Mediums mit einem ersten gyromagnetischen Verhältnis und des dritten Mediums mit einem zweiten gyromagnetischen Verhältnis möglich, wobei das erste gyromagnetische Verhältnis und das zweite gyromagnetische Verhältnis voneinander abweichen. Insbesondere können beispielsweise Isotope ohne Quadrupolmoment wie z.B. Xenon (Xe129) Quecksilber (Hg199) oder Helium (He3) verwendet werden, wodurch vorteilhafterweise ein Quadrupolsplitting vermieden werden kann.
2. -ω_larmor,1 + ω_larmor,2 = 0: Diese Variante erfordert den Ausgleich der Frequenzen zueinander, d. h. die Parameter werden so angepasst, dass die Larmorfrequenzen der Kernspins in der ersten Dampfzelle und der zweiten Dampfzelle übereinstimmen. Weichen die gyromagnetischen Verhältnisse des ersten Mediums und des dritten Mediums voneinander ab (wenn beispielsweise Isotope ohne Quadrupolmoment wie z.B. Quecksilber (Hg199) oder Helium (He3) verwendet werden, wodurch vorteilhafterweise ein Quadrupolsplitting vermieden werden kann), so können die Werte der Larmorfrequenzen durch die Wahl unterschiedlicher Vormagnetisierungsfelder (B_0,1 für die erste Dampfzelle und B_0,2 die zweite Dampfzelle) so angepasst werden, dass sie betragsmäßig übereinstimmen, jedoch unterschiedliche Vorzeichen aufweisen. Alternativ oder ergänzend kann die Anpassung auch durch Anpassung der Pumpleistung erfolgen. Wichtig ist, dass dann das Detektionssignal für den Fall, dass keine äußere Drehrate / Rotation auf das NMR-Gyroskop wirkt, verschwindet. Dies bietet insbesondere die vorher genannten Vorteile bezüglich der Rauschunterdrückung. 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.

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 Beleuchtungsanordnung eine Beleuchtungsquelle, wobei die Beleuchtungsquelle zum optischen Pumpen in der ersten Dampfzelle und zum optischen Pumpen in der zweiten Dampfzelle eingerichtet ist. Ein wichtiger Vorteil ist die Kompensation von Pumplaserschwankungen, wenn beide Dampfzellen denselben Laser als Beleuchtungsquelle nutzen. Eine gemeinsame Beleuchtungsquelle für die erste und zweite Dampfzelle zu verwenden, birgt den Vorteil einer gemeinsamen Rauschstatistik. Des Weiteren kann somit vorteilhafterweise eine Miniaturisierung des NMR-Gyroskops erreicht werden.
Gemäß einer Ausführungsform umfassen das erste Medium und/ oder das dritte Medium Isotope mit Kernspin 1/2 . Insbesondere werden die Stoffe für das erste Medium und/ oder das dritte Medium derart gewählt, dass diese kein elektrisches Quadrupolmoment aufweisen. Beispiele solcher Isotope ohne Quadrupolmoment sind Xenon (¹²⁹Xe) Quecksilber (¹⁹⁹Hg) und Helium (³He). Alternativ oder ergänzend kann beispielsweise ein Gemisch aus ein, zwei oder mehreren Isotopen wie Xenon (¹²⁹Xe), Quecksilber (¹⁹⁹Hg), Helium (³He) als erstes und/oder drittes Medium verwendet werden. Die vorgenannten Stoffe besitzen in Betrag und Vorzeichen unterschiedliche gyromagnetischen Verhältnisse weisen aber kein Quadrupolmoment auf, da die Isotope Spin 1/2 haben. Ein Vorteil ist, dass somit keine störenden Quadrupol-Effekte auftreten und somit die Zuverlässigkeit des NMR-Gyroskops verbessert wird.
Zudem ist es eventuell möglich (je nach Relaxationszeit und damit gegebener Resonanzbreite) - beispielsweise bei der Verwendung von Xenon (¹²⁹Xe) als erstes Medium und Quecksilber (¹⁹⁹Hg) als drittes Medium - die Präzessionsbewegungen der Kernspins mit demselben treibenden Feld anzuregen (auf 2. und 3. Harmonische). ¹²⁹Xe hat ein gyromagnetisches Verhätnis von -11.86 MHz/T, treibt man es auf der 2. Harmonischen sind dies 23.72 Hz bei einem uT Hintergrundfeld. ¹⁹⁹Hg hat ein gyromagnetisches Verhältnis von 7.712 MHz/T dies macht eine Frequenz von 23.136 Hz auf der dritten Harmonischen bei gleichen Bedingungen. Eine treibende Frequenz zwischen diesen beiden Frequenzen kann also höhere Harmonische beider Isotope resonant (wenn die Breite der Resonanz ausreicht, was anzunehmen ist) anregen. Beachtet man das Vorzeichen, fällt wieder der Kompensationseffekt ins Auge. Dadurch, dass die Feldkorrektur durch verschiedene gyromagnetische Verhältnisse gegeben ist, ist diese vorteilhafterweise ebenfalls eine Korrektur für extern anliegende statische Störfelder.
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.
Die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen des NMR-Gyroskops ermöglichen vorteilhafterweise, dass die Kernspins in der ersten Dampfzelle und in der zweiten Dampfzelle gegenläufig zueinander präzedieren, wodurch sich äußere Störungseinflüsse, welche auf beide Dampfzellen 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 und zur Wahl von Materialien als erstes und drittes Medium, welche gyromagnetische Verhältnisse mit voneinander abweichendem Vorzeichen aufweisen.
Gemäß einer Ausführungsform weisen das gyromagnetische Verhältnis des ersten Mediums und das gyromagnetische Verhältnis des dritten Mediums das gleiche Vorzeichen auf. Die Beleuchtungsanordnung ist dazu eingerichtet, zum Beleuchten des ersten Mediums und des zweiten Mediums in der ersten Dampfzelle zirkular polarisiertes Licht parallel zu der Richtung des Vormagnetisierungsfeldes und zum Beleuchten des dritten Mediums und des zweiten Mediums in der zweiten Dampfzelle zirkular polarisiertes Licht parallel zu der Richtung des Vormagnetisierungsfeldes bereitzustellen, wobei das Licht in der ersten Dampfzelle und in der zweiten Dampfzelle mit einander entgegengesetztem Umlaufsinn zirkular polarisiert ist. Die Magnetfelderzeugungseinrichtung ist des Weiteren dazu eingerichtet, das Vormagnetisierungsfeld in der ersten Dampfzelle parallel zum Vormagnetisierungsfeld in der zweiten Dampfzelle bereitzustellen.
In einer Ausführungsform weisen das gyromagnetische Verhältnis des ersten Mediums und das gyromagnetische Verhältnis des dritten Mediums das gleiche Vorzeichen auf. Die Beleuchtungsanordnung ist hierbei dazu eingerichtet, zum Beleuchten des ersten Mediums und des zweiten Mediums in der ersten Dampfzelle zirkular polarisiertes Licht parallel zu der Richtung des Vormagnetisierungsfeldes und zum Beleuchten des dritten Mediums und des zweiten Mediums in der zweiten Dampfzelle zirkular polarisiertes Licht parallel zu der Richtung des Vormagnetisierungsfeldes bereitzustellen, wobei das Licht in der ersten Dampfzelle und in der zweiten Dampfzelle mit gleichem Umlaufsinn zirkular polarisiert ist. Die Magnetfelderzeugungseinrichtung ist dazu eingerichtet, das Vormagnetisierungsfeld in der ersten Dampfzelle antiparallel zum Vormagnetisierungsfeld in der zweiten Dampfzelle bereitzustellen.
In einer Ausführungsform weisen das gyromagnetische Verhältnis des ersten Mediums und das gyromagnetische Verhältnis des dritten Mediums das gleiche Vorzeichen auf. Die Beleuchtungsanordnung ist dazu eingerichtet, zum Beleuchten des ersten Mediums und des zweiten Mediums in der ersten Dampfzelle zirkular polarisiertes Licht parallel zu der Richtung des Vormagnetisierungsfeldes und zum Beleuchten des dritten Mediums und des zweiten Mediums in der zweiten Dampfzelle zirkular polarisiertes Licht antiparallel zu der Richtung des Vormagnetisierungsfeldes bereitzustellen, wobei das Licht in der ersten Dampfzelle und in der zweiten Dampfzelle mit gleichem Umlaufsinn zirkular polarisiert ist. Des Weiteren ist die Magnetfelderzeugungseinrichtung dazu eingerichtet, das Vormagnetisierungsfeld in der ersten Dampfzelle parallel zum Vormagnetisierungsfeld in der zweiten Dampfzelle bereitzustellen.
In einer Ausführungsform weisen das gyromagnetische Verhältnis des ersten Mediums und das gyromagnetische Verhältnis des dritten Mediums das gleiche Vorzeichen auf. Die Beleuchtungsanordnung ist hierbei dazu eingerichtet, zum Beleuchten des ersten Mediums und des zweiten Mediums in der ersten Dampfzelle zirkular polarisiertes Licht senkrecht zu der Richtung des Vormagnetisierungsfeldes und zum Beleuchten des dritten Mediums und des zweiten Mediums in der zweiten Dampfzelle zirkular polarisiertes Licht senkrecht zu der Richtung des Vormagnetisierungsfeldes bereitzustellen, wobei das Licht in der ersten Dampfzelle und in der zweiten Dampfzelle mit gleichem Umlaufsinn zirkular polarisiert ist. Die Magnetfelderzeugungseinrichtung ist dazu eingerichtet, das Vormagnetisierungsfeld in der ersten Dampfzelle antiparallel zum Vormagnetisierungsfeld in der zweiten Dampfzelle 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.
Ein Verfahren zum Betreiben des NMR-Gyroskops, mit den Schritten:

• Erzeugen einer synchronisierten Präzessionsbewegung der polarisierten Kernspins in der ersten Dampfzelle und in der zweiten Dampfzelle,
• Optisches Auslesen der Präzessionsbewegungen der polarisierten Kernspins in der ersten Dampfzelle und in der zweiten Dampfzelle

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 in der ersten Dampfzelle und der zweiten Dampfzelle erfasst. Insbesondere wird die Summe der Präzessionsbewegungen der polarisierten Kernspins erfasst.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Vormagnetisierungsfeld ein erstes Vormagnetisierungsfeld am Ort der ersten Dampfzelle und ein zweites Vormagnetisierungsfeld am Ort der zweiten Dampfzelle, wobei das erste Vormagnetisierungsfeld und das zweite Vormagnetisierungsfeld derart gewählt sind, dass eine Larmorfrequenz des ersten Mediums betragsmäßig gleich einer Larmorfrequenz des dritten Mediums ist und die Präzessionsbewegung der polarisierten Kernspins des ersten Mediums gegenläufig zu der Präzessionsbewegung der polarisierten Kernspins des dritten Mediums ist. Damit verschwindet das Detektionssignal für den Fall, dass keine äußere Drehrate auf das NMR-Gyroskop wirkt, da sich das durch die in Phase präzedierenden Kernspins in der ersten Dampfzelle und das durch die in Phase präzedierenden Kernspins in der zweiten Dampfzelle, welche gegenläufig zu den Kernspins in der ersten Dampfzelle präzedieren, hervorgerufene sich periodisch ändernde Magnetfeld gegenseitig aufheben. Liegt keine Drehrate an dem spinbasierten Gyroskop an, d. h. wird das System (das spinbasierte Gyroskop) nicht von außen rotiert, verschwindet folglich das Detektionssignal, welches von der Detektionsanordnung erfasst wird. 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.
In einer Ausführungsform werden beim optischen Auslesen die Summe der Präzessionsbewegungen der polarisierten Kernspins in der ersten Dampfzelle und der polarisierten Kernspins in der zweiten Dampfzelle sowie die Präzessionsbewegung der polarisierten Kernspins in der ersten Dampfzelle 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. Über diese Einflüssen kann z.B. die Beschränkung auf einen bestimmten Frequenzbereich, bekannt sein, dies ermöglicht weitere Korrekturen. 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 Dampfzellen aufweisen, korrigiert werden können. Dies rührt daher, dass das Signal der ersten Dampfzelle und die Summe der Signale beider Dampfzellen bekannt sind und somit auch das Signal der zweiten Dampfzelle implizit bekannt ist. Die Kenntnis von beiden Signalen, d. h. sowohl das Signal der ersten Dampfzelle, als auch das Signal der zweiten Dampfzelle erlaubt die Korrektur von Gradienten zwischen den Dampfzellen, da Einflüsse, welche nicht gleich für beide Dampfzelle 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 in der ersten Dampfzelle und in der zweiten Dampfzelle,
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 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 203 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 in der ersten Dampfzelle 2011 in der zweiten Dampfzelle 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, in der ersten Dampfzelle 2011 auf die Kernspins eines ersten Mediums 2040 bzw. in der zweiten Dampfzelle 2012 auf die Kernspins eines dritten Mediums 2041 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, welche auf einem Heizelement 209 angeordnet ist. Prinzipskizzen der Dampfzellenanordnung gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele sind in den 2 bis 8 und der zugehörigen Beschreibung zu finden. In der Dampfzellenanordnung 201 sind ein zweites Medium 203, insbesondere ein Alkalimetall, ein erstes Medium 2040, insbesondere ein Edelgas, und ein drittes Medium 2041, insbesondere ein Edelgas, dessen gyromagnetisches Verhältnis von dem gyromagnetischen Verhältnis des ersten Mediums 2040 abweicht, 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 2040, des zweiten Mediums 203 und des dritten Mediums 2041 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 2040 die Kernspins des ersten Mediums 2040 polarisierbar sind und durch eine starke Elektron-Kernspin Wechselwirkung zwischen dem zweiten Medium 203 und dem dritten Medium 2041 die Kernspins des dritten Mediums 2041 polarisierbar sind. Das Vormagnetisierungsfeld 300 legt eine Richtung einer Präzessionsbewegung der polarisierbaren Kernspins des ersten Mediums 2040 und des dritten Mediums 2041 fest und mittels des oszillierenden Magnetfelds 301 wird eine Synchronisation der Präzessionsbewegungen der polarisierbaren Kernspins des ersten Mediums 2040 und eine Synchronisation der Präzessionsbewegungen der polarisierbaren Kernspins des dritten Mediums 2041 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 203 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 2040 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 8 dargestellten Ausführungsbeispiele illustrieren die Initialisierung der beiden Dampfzellen 2011, 2012, sodass Teilsignale sich ungleich für die Art eines äußeren Rotationseinflusses des NMR-Gyroskops 200 ändern. In den nachfolgenden Ausführungsbeispielen gilt, dass das gyromagnetische Verhältnis des ersten Mediums 2040 und das gyromagnetische Verhältnis des dritten Mediums 2041 betragsmäßig und/oder im Vorzeichen voneinander abweichen. Insbesondere können beispielsweise Isotope ohne Quadrupolmoment wie z.B. Xenon (Xe129), Quecksilber (Hg199) oder Helium (He3) als erstes Medium und drittes Medium verwendet werden, wodurch vorteilhafterweise ein Quadrupolsplitting vermieden werden kann.
4 zeigt einen Querschnitt eines Ausschnitts des NMR-Gyroskops 200. Die Dampfzellenanordnung 201 umfasst hierbei eine erste Dampfzelle 2011 und eine zweite Dampfzelle 2012, wobei in der ersten Dampfzelle 2011 das zweite Medium 203 und das erste Medium 2040 und in der zweiten Dampfzelle 2012 das zweite Medium 203 und das dritte Medium 2041 angeordnet sind. Das gyromagnetische Verhältnis des ersten Mediums 2040 und das gyromagnetische Verhältnis des dritten Mediums 2041 weisen voneinander abweichende Vorzeichen auf. Beispielsweise kann als erstes Medium Quecksilber (¹⁹⁹Hg), als zweites Medium Rubidium (⁸⁷Rb) und als drittes Medium Helium (³He) verwendet werden. Siehe hierzu auch obige Tabelle. Das Vormagnetisierungsfeld 300 am Ort der ersten Dampfzelle 2011 ist parallel zum Vormagnetisierungsfeld 300 am Ort der zweiten Dampfzelle 2012. Die Beleuchtungsanordnung 205 ist in diesem Ausführungsbeispiel dazu eingerichtet, in der ersten Dampfzelle 2011 zum Beleuchten des ersten Mediums 2040 und des zweiten Mediums 203 zirkular polarisiertes Licht 2001a parallel zu der Richtung des Vormagnetisierungsfeldes 300 und in der zweiten Dampfzelle 2012 zum Beleuchten des dritten Mediums 2041 und des zweiten Mediums 203 zirkular polarisiertes Licht 2001b parallel zu der Richtung des Vormagnetisierungsfeldes 300 bereitzustellen. Hierzu wird eine gemeinsame Beleuchtungsquelle 2052 mit entsprechendem Zirkularpolarisator 2051 im Strahlengang zwischen Beleuchtungsquelle 2052 und Dampfzellenanordnung 201 verwendet. Beispielsweise kann dann das Licht 2001a zum optischen Pumpen in der ersten Dampfzelle 2011 und das Licht 2001b zum optischen Pumpen in der zweiten Dampfzelle 2012 σ⁺-polarisiert sein. Alternativ kann das Licht zum Beleuchten beider Dampfzellen 2011, 2012 σ^-polarisiert sein. Aufgrund des unterschiedlichen Vorzeichens der gyromagnetischen Verhältnisse weisen die Präzessionsbewegungen der Kernspins in der ersten Dampfzelle 2011 und in der zweiten Dampfzelle 2012 einander entgegengesetzte Richtungen auf. Die Larmorfrequenz (ω_larmor,1 der Kernspins in der ersten Dampfzelle 2011 und die Larmorfrequenz ω_larmor,2 der Kernspins in der zweiten Dampfzelle 2012 hängen vom jeweiligen gyromagnetischen Verhältnis und vom jeweiligen Vormagnetisierungsfeld 300 ab. Es gilt: |ω_larmor;1,2|=|γ_1,2 B_0;1,2|
Insbesondere können sich die erste Dampfzelle 2011 und die zweite Dampfzelle 2012 in dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel auch im gleichen, im Bereich der Dampfzellenanordnung 201 vorzugsweise homogenen Vormagnetisierungsfeld 300 befinden. Sofern sich die gyromagnetischen Verhältnisse betragsmäßig unterscheiden ergibt sich aus dem Messsignal für den Fall, dass keine äußere Drehrate auf das NMR-Gyroskop 200 wirkt (siehe Gleichung (1)): ω_mess = -ω_larmor,1 + ω_larmor,2 ≠ 0: Dies bedeutet, dass die beiden Dampfzellen 2011, 2012 unterschiedliche Signale erzeugen, welche durch eine feste Beziehung, nämlich deren gyromagnetische Verhältnisse, bekannt sind. Es ist also auch möglich hier mathematisch eine Korrektur von Störfeldern vorzunehmen. Insbesondere können beispielsweise Isotope ohne Quadrupolmoment als erstes Medium 2040 und drittes Medium 2041 verwendet werden, wie z.B. Quecksilber (Hg199) oder Helium (He3), wodurch vorteilhafterweise ein Quadrupolsplitting vermieden werden kann.
Alternativ kann das Vormagnetisierungsfeld 300 in dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel ein erstes Vormagnetisierungsfeld 3001 am Ort der ersten Dampfzelle 2011 und ein zweites Vormagnetisierungsfeld 3002 am Ort der zweiten Dampfzelle 2012 umfassen. Durch Anpassung der Vormagnetisierungsfelder 3001, 3002 kann somit ein Ausgleich der Larmorfrequenzen zueinander vorgenommen werden, d. h. die Vormagnetisierungsfelder 3001, 3002 werden so angepasst, dass die Larmorfrequenzen der Kernspins in der ersten Dampfzelle 2011 und der zweiten Dampfzelle 2012 betragsmäßig übereinstimmen, jedoch aufgrund der gyromagnetischen Verhältnisse, welche voneinander abweichende Vorzeichen aufweisen, unterschiedliche Vorzeichen aufweisen. Insbesondere gilt dann aus dem Messsignal für den Fall, dass keine äußere Drehrate anliegt: $ω_{mess} = - ω_{larmor,1} + ω_{larmor,2} = 0.$
Alternativ kann das gyromagnetische Verhältnis des ersten Mediums 2040 und des dritten Mediums 2041 in 4 das gleiche Vorzeichen aufweisen. Das Vormagnetisierungsfeld 300 in 4 zeigt in beiden Dampfzellen 2011, 2012 in die gleiche Richtung. Ein Generieren einander entgegengesetzter Präzessionsbewegungen der Kernspins der beiden Dampfzellen 2011, 2012 kann hierbei dann beispielsweise durch die Verwendung unterschiedlich polarisierter Lichtstrahlen zum Beleuchten der beiden Dampfzellen erfolgen. Hierzu können eine Beleuchtungsquelle mit Umlenkelementen und unterschiedlichen Zirkularpolarisatoren 2051 oder zwei verschiedene Beleuchtungsquellen verwendet werden. Beispielsweise kann dann das Licht 2001a zum optischen Pumpen in der ersten Dampfzelle 2011 σ⁺-polarisiert und das Licht 2001b zum optischen Pumpen in der zweiten Dampfzelle 2012 σ^-polarisiert sein. Dadurch sind die beiden Dampfzellen 2011, 2012 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 gepumpten Kernspins des ersten Mediums 2040 (z.B. Edelgase wie Xe, Ne, Kr, He) Präzessionsbewegungen aus, welche gegenüber der Präzessionsbewegungen der Spin-Austausch gepumpten Kernspins des dritten Mediums 2041 in entgegengesetzter Richtung verlaufen. Das Initialisieren der Atome in den Dampfzellen 2011, 2012 in unterschiedliche Zustände erfolgt hier dann durch Verwendung von umgekehrt zirkular polarisiertem Licht 2001a, 2001b. Das Vormagnetisierungsfeld 300 ist vorzugsweise über beide Dampfzellen 2011, 2012 hinweg dasselbe. Die lokale Magnetisierung der Dampfzelle 2011, 2012 kann eine Ungleichheit der Magnetfelder der beiden Dampfzellen 2011, 2012 zur Folge haben. Vorzugsweise wird diese korrigiert, um in den beiden Dampfzellen 2011, 2012 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 2011, 2012 mit paramagnetischen Platten 2070, wie dies in 4 gezeigt ist, oder durch eine Korrekturspule, etc.

Die Detektion der Signale (Präzessionsfrequenz) der Dampfzellen 2011, 2012 über den Detektionslaser 2084, erfolgt in dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel, wie dies auch in 3 gezeigt ist, über eine magnetooptische Drehung der Laserpolarisation (Faradayeffekt). Die durch das statische angelegte Vormagnetisierungsfeld 300 resultierende Larmorpräzession, sowie die Präzessionsänderung durch einen beliebigen, für beide Dampfzellen 2011, 2012 gleichförmigen Störeinfluss, hat also in der ersten Dampfzelle 2011 eine Drehung der Polarisation um einen gewissen Winkel zur Folge. In der zweiten Dampfzelle 2012 erfolgt dann eine Drehung der Polarisation in entgegengesetzter Richtung.
Für den Fall -ω_larmor,1 + ω_larmor,2 ≠ 0 heben sich zwar die Störeinflüsse durch dieses Messverfahren gegenseitig auf, jedoch ergibt sich als Messsignal 2003 ein Wert ungleich Null, nämlich -ω_larmor,1 + ω_larmor,2.
Für den Fall -ω_larmor,1 + ω_larmor,2 = 0 heben sich die Störeinflüsse auf und folglich hebt sich das Messsignal 2003, welches sich aus dem gleichförmigen Störeinfluss ergibt, auf und verschwindet. Liegt eine Drehrate an, ist diese für beide Dampfzellen 2011, 2012 gleich und gemessen wird in diesem Fall eine Drehung proportional zum Doppelten der Drehrate (siehe Gleichung (1)).
5 zeigt einen Querschnitt eines Ausschnitts des NMR-Gyroskops 200, wobei der Aufbau gleich dem in 4 gezeigten Aufbau ist. Das gyromagnetische Verhältnis des ersten Mediums 2040 und das gyromagnetische Verhältnis des dritten Mediums 2041 weisen einander entgegengesetzte Vorzeichen auf. In 5 sind die Magnetfeldrichtung des Vormagnetisierungsfeldes 300 am Ort der ersten Dampfzelle 2011 und die Magnetfeldrichtung des Vormagnetisierungsfeldes 3002 am Ort der zweiten Dampfzelle 2012 antiparallel zueinander und das Licht 2001a zum optischen Pumpen der ersten Dampfzelle 2011 σ⁺-polarisiert und das Licht 2001b zum optischen Pumpen der zweiten Dampfzelle 2012 σ^--polarisiert, wobei die Einstrahlrichtungen jeweils parallel zum zugehörigen Vormagnetisierungsfeld 3001, 3002 der Dampfzellen 2011, 2012 und somit antiparallel zueinander sind. Aufgrund dessen, dass die gyromagnetischen Verhältnisse des ersten und dritten Mediums unterschiedliche Vorzeichen aufweisen ergeben sich einander entgegengesetzte Präzessionsbewegungen der Kernspins in der ersten Dampfzelle 2011 und der zweiten Dampfzelle 2012. Die beiden Vormagnetisierungsfelder 3001, 3002 in 5 sind beispielsweise durch unterschiedliche Spulenpaare, welche Teil der Magnetfelderzeugungseinrichtung 206 sind, erzeugbar, wobei jeder Dampfzelle 2011, 2012 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 Dampfzellen 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. Die gyromagnetischen Verhältnisse des ersten Mediums 2040 und des dritten Mediums 2041 weichen in diesem Ausführungsbeispiel betragsmäßig voneinander ab, weisen jedoch das gleiche Vorzeichen auf. Das selbe Vorzeichen haben beispielsweise (Wert<0) He3, Ne21,Kr83,Xe129,Hg201 Einen Wert>0 haben beispielsweise Xe131, Hg199.Alle Permutationen sind möglich. Störungen im statischen Magnetfeld 3001, 3002 können, sofern unabhängig für die Zellen 2011, 2012, durch Verwendung von Magnetfeldaufbauten, wie z.B. Hallbach Arrays, welche ein stabiles Magnetfeld erzeugen können, reduziert werden. Alternativ können die gyromagnetischen Verhältnisse des ersten Mediums 2040 und des dritten Mediums 2041 in dem in 5 dargstellten Ausführungsbeispiel betragsmäßig voneinander abweichen, jedoch das gleiche Vorzeichen aufweisen. In diesem Fall sind das Licht 2001a zum optischen Pumpen der ersten Dampfzelle 2011 und das Licht 2001b zum optischen Pumpen der zweiten Dampfzelle 2012 gleichartig polarisiert, beispielsweise sind das Licht 2001a und das Licht 2001b zum optischen Pumpen der Dampfzellen 2011, 2012 beide σ+-polarisiert. Dadurch wird dann die einander entgegengesetzte Präzessionsbewegung der Kernspins in der ersten und zweiten Dampfzelle realisiert.
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. Die gyromagnetischen Verhältnisse des ersten Mediums 2040 und des dritten Mediums 2041 weichen in diesem Ausführungsbeispiel betragsmäßig voneinander ab, weisen jedoch analog zu der alternativen Ausführungsform des in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel das gleiche Vorzeichen auf. 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 2011 und der zweiten Dampfzelle 2012 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 2012 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 2011, 2012, 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 2011, 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 2012. Damit sind sowohl die rauschbehafteten Signale der beiden Dampfzellen 2011, 2012 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 an der zweiten Dampfzelle 2012 die optionalen paramagnetische Platten 2070 angeordnet sind und im Strahlengang zwischen der ersten Dampfzelle 2011 und der zweiten Dampfzelle 2012 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 2012 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 2011, 2012, 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 2011, in dem noch sämtliche Störterme enthalten sind. Rauschen der Vormagnetisierungsfelder 3001, 3002 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 2012. Damit sind sowohl die raschbehafteten Signale der beiden Dampfzellen 2011, 2012 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.
Die in den 5 bis 8 gezeigten Ausführungsbeispiele können statt mit zwei Beleuchtungsquellen 2052 zum optischen Pumpen alle auch mit nur einer Beleuchtungsquelle betrieben werden. Der Lichtstrahl kann nach der ersten Dampfzelle 2011 durch optische Elemente, wie beispielsweise Spiegel, insbesondere Mikrospiegel, umgelenkt werden und antiparallel zu der Einstrahlrichtung in der ersten Dampfzelle 2011 durch die zweite Dampfzelle 2012 verlaufen. 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 StarkKompensation verwendet).
9 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 in der ersten Dampfzelle 2011 und in der zweiten Dampfzelle 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 2040 auf die Kernspins des ersten Mediums 2040 übertragen wird und wobei die so erzielte Polarisation der Elektronenspins 3021, 3022 durch starke Elektron-Kernspin Wechselwirkung zwischen dem zweiten Medium 203 und dem dritten Medium 2041 auf die Kernspins des dritten Mediums 2041 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 in der ersten Dampfzelle 2011 und in der zweiten Dampfzelle 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 in der ersten Dampfzelle 2011 und in der zweiten Dampfzelle 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 Dampfzellen 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 in der ersten Dampfzelle 2011 und in der zweiten Dampfzelle 2012 und die Präzessionsbewegung in der ersten Dampfzelle 2011 separat erfasst werden (beispielsweise mittels dem NMR-Gyroskop 200 aus den Ausführungsbeispielen in 7 und 8).
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2012/099819 A1 [0001]

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 [0004]

Claims

NMR-Gyroskop (200), umfassend • eine Dampfzellenanordnung (201), umfassend ein erstes Medium (2040), ein zweites Medium (203) und ein drittes Medium (2041), wobei das erste Medium (2040), das zweite Medium (203) und das dritte Medium (2041) in der Dampfzellenanordnung (201) angeordnet sind, wobei ein gyromagnetisches Verhältnis des ersten Mediums (2040) und ein gyromagnetisches Verhältnis des dritten Mediums (2041) voneinander abweichen, • eine Beleuchtungsanordnung (205) zum Beleuchten des ersten Mediums (2040), des zweiten Mediums (203) und des dritten Mediums (2041) 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 (2040) und durch eine starke Elektron-Kernspin Wechselwirkung zwischen dem zweiten Medium (203) und dem dritten Medium (2041) die Kernspins des ersten Mediums (2040) und des dritten Mediums (2041) 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 (2040) und des dritten Mediums (2041) und das oszillierende Magnetfeld (301) zur Synchronisation der Präzessionsbewegung der polarisierbaren Kernspins des ersten Mediums (204) und zur Synchronisation der Präzessionsbewegung der polarisierbaren Kernspins des dritten Mediums (2041) 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 Präzessionsbewegungen der polarisierbaren Kernspins eingerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, • dass die Dampfzellenanordnung eine erste Dampfzelle (2011) und eine zweite Dampfzelle (2012) umfasst, wobei in der ersten Dampfzelle das erste Medium (2040) und das zweite Medium (203) angeordnet sind und wobei in der zweiten Dampfzelle das dritte Medium (2041) und das zweite Medium (203) angeordnet sind; und • dass in der ersten Dampfzelle (2011) eine Präzessionsbewegung der sich in der ersten Dampfzelle (2011) befindlichen polarisierbaren Kernspins des ersten Mediums (2040) mit einem ersten Umlaufsinn generierbar ist, • dass in der zweiten Dampfzelle (2012) eine Präzessionsbewegung der sich in der zweiten Dampfzelle (2012) befindlichen polarisierbaren Kernspins des dritten Mediums (2041) mit einem zweiten Umlaufsinn generierbar ist und • dass der erste Umlaufsinn und der zweite Umlaufsinn gegenläufig zueinander sind.
NMR-Gyroskop (200) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungsanordnung eine Beleuchtungsquelle umfasst, wobei die Beleuchtungsquelle zum optischen Pumpen in der ersten Dampfzelle (2011) und zum optischen Pumpen in der zweiten Dampfzelle (2012) eingerichtet ist.
NMR-Gyroskop (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionsanordnung (208) eine Beleuchtungsquelle zum Bestrahlen der ersten Dampfzelle (2011) und der zweiten Dampfzelle (2012) umfasst.
NMR-Gyroskop (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Medium (2040) und/ oder das dritte Medium (2041) Isotope mit Kernspin 1/2 sind.
NMR-Gyroskop (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 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 das gyromagnetische Verhältnis des ersten Mediums (2040) und das gyromagnetische Verhältnis des dritten Mediums (2041) entgegengesetzte Vorzeichen aufweisen.
NMR-Gyroskop (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, • dass gyromagnetische Verhältnis des ersten Mediums (2040) und das gyromagnetische Verhältnis des dritten Mediums (2041) das gleiche Vorzeichen aufweisen, • dass die Beleuchtungsanordnung (205) dazu eingerichtet ist, zum Beleuchten des ersten Mediums (2040) und des zweiten Mediums (203) in der ersten Dampfzelle (2011) zirkular polarisiertes Licht (2001a) parallel zu der Richtung des Vormagnetisierungsfeldes (300) und zum Beleuchten des dritten Mediums (2041) und des zweiten Mediums (203) in der zweiten Dampfzelle (2012) zirkular polarisiertes Licht (2001b) parallel zu der Richtung des Vormagnetisierungsfeldes (300) bereitzustellen, wobei das Licht in der ersten Dampfzelle (2011) und in der zweiten Dampfzelle (2012) mit einander entgegengesetztem Umlaufsinn zirkulär polarisiert ist und • dass die Magnetfelderzeugungseinrichtung (206) dazu eingerichtet ist, das Vormagnetisierungsfeld in der ersten Dampfzelle (2011) parallel zum Vormagnetisierungsfeld in der zweiten Dampfzelle (2012) bereitzustellen.
NMR-Gyroskop (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, • dass gyromagnetische Verhältnis des ersten Mediums (2040) und das gyromagnetische Verhältnis des dritten Mediums (2041) das gleiche Vorzeichen aufweisen, • dass die Beleuchtungsanordnung (205) dazu eingerichtet ist, zum Beleuchten des ersten Mediums (2040) und des zweiten Mediums (203) in der ersten Dampfzelle (2011) zirkular polarisiertes Licht (2001a) parallel zu der Richtung des Vormagnetisierungsfeldes (300) und zum Beleuchten des dritten Mediums (2041) und des zweiten Mediums (203) in der zweiten Dampfzelle (2012) zirkular polarisiertes Licht (2001b) parallel zu der Richtung des Vormagnetisierungsfeldes (300) bereitzustellen, wobei das Licht in der ersten Dampfzelle (2011) und in der zweiten Dampfzelle (2012) mit gleichem Umlaufsinn zirkulär polarisiert ist und • dass die Magnetfelderzeugungseinrichtung (206) dazu eingerichtet ist, das Vormagnetisierungsfeld in der ersten Dampfzelle (2011) antiparallel zum Vormagnetisierungsfeld in der zweiten Dampfzelle (2012) bereitzustellen.
NMR-Gyroskop (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, • dass gyromagnetische Verhältnis des ersten Mediums (2040) und das gyromagnetische Verhältnis des dritten Mediums (2041) das gleiche Vorzeichen aufweisen, • dass die Beleuchtungsanordnung (205) dazu eingerichtet ist, zum Beleuchten des ersten Mediums (2040) und des zweiten Mediums (203) in der ersten Dampfzelle (2011) zirkular polarisiertes Licht (2001a) parallel zu der Richtung des Vormagnetisierungsfeldes (300) und zum Beleuchten des dritten Mediums (2041) und des zweiten Mediums (203) in der zweiten Dampfzelle (2012) zirkular polarisiertes Licht (2001b) antiparallel zu der Richtung des Vormagnetisierungsfeldes (300) bereitzustellen, wobei das Licht in der ersten Dampfzelle (2011) und in der zweiten Dampfzelle (2012) mit gleichem Umlaufsinn zirkulär polarisiert ist und • dass die Magnetfelderzeugungseinrichtung (206) dazu eingerichtet ist, das Vormagnetisierungsfeld in der ersten Dampfzelle (2011) parallel zum Vormagnetisierungsfeld in der zweiten Dampfzelle (2012) bereitzustellen.
NMR-Gyroskop (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, • dass gyromagnetische Verhältnis des ersten Mediums (2040) und das gyromagnetische Verhältnis des dritten Mediums (2041) das gleiche Vorzeichen aufweisen, • dass die Beleuchtungsanordnung (205) dazu eingerichtet ist, zum Beleuchten des ersten Mediums (2040) und des zweiten Mediums (203) in der ersten Dampfzelle (2011) zirkular polarisiertes Licht (2001a) senkrecht zu der Richtung des Vormagnetisierungsfeldes (300) und zum Beleuchten des dritten Mediums (2041) und des zweiten Mediums (203) in der zweiten Dampfzelle (2012) zirkular polarisiertes Licht (2001b) senkrecht zu der Richtung des Vormagnetisierungsfeldes (300) bereitzustellen, wobei das Licht in der ersten Dampfzelle (2011) und in der zweiten Dampfzelle (2012) mit gleichem Umlaufsinn zirkulär polarisiert ist und • dass die Magnetfelderzeugungseinrichtung (206) dazu eingerichtet ist, das Vormagnetisierungsfeld in der ersten Dampfzelle (2011) antiparallel zum Vormagnetisierungsfeld in der zweiten Dampfzelle (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 in der ersten Dampfzelle (2011) und in der zweiten Dampfzelle (2012), • Optisches Auslesen (402) der Präzessionsbewegungen der polarisierten Kernspins in der ersten Dampfzelle (2011) und in der zweiten Dampfzelle (2012).
Verfahren (400) nach Anspruch 11, 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 11 oder 12, wobei beim optischen Auslesen die Summe der Präzessionsbewegungen der polarisierten Kernspins in der ersten Dampfzelle (2011) der polarisierten Kernspins in der zweiten Dampfzelle (2012) erfasst wird.
Verfahren (400) nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei das Vormagnetisierungsfeld (300) ein erstes Vormagnetisierungsfeld (3001) am Ort der ersten Dampfzelle (2011) und ein zweites Vormagnetisierungsfeld (3002) am Ort der zweiten Dampfzelle (2012) umfasst und wobei das erste Vormagnetisierungsfeld (3001) und das zweite Vormagnetisierungsfeld (3002) derart gewählt sind, dass eine Larmorfrequenz des ersten Mediums (2040) betragsmäßig gleich einer Larmorfrequenz des dritten Mediums (2041) ist und die Präzessionsbewegung der polarisierten Kernspins des ersten Mediums (2040) gegenläufig zu der Präzessionsbewegung der polarisierten Kernspins des dritten Mediums (2041) ist.
Verfahren (400) nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei beim optischen Auslesen die Summe der Präzessionsbewegungen der polarisierten Kernspins in der ersten Dampfzelle (2011) und der polarisierten Kernspins in der zweiten Dampfzelle (2012) sowie die Präzessionsbewegung der polarisierten Kernspins in der ersten Dampfzelle (2011) separat erfasst werden.