DE102020212994A1

DE102020212994A1 - NMR-Gyroskop und Verfahren zum Betreiben des NMR-Gyroskops

Info

Publication number: DE102020212994A1
Application number: DE102020212994.0A
Authority: DE
Inventors: Janine Riedrich-Moeller; Riccardo Cipolletti
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-10-15
Filing date: 2020-10-15
Publication date: 2022-04-21

Abstract

Die Erfindung betrifft ein NMR-Gyroskop (200), umfassend• eine Dampfzellenanordnung (201), wobei ein erstes Medium (2011) und ein zweites Medium (2012) in der Dampfzellenanordnung (201) angeordnet sind,• eine Magnetfelderzeugungseinrichtung (206) zur Bereitstellung eines eine erste Magnetfeldrichtung aufweisenden Vormagnetisierungsfelds (202) und eines eine zweite Magnetfeldrichtung aufweisenden oszillierenden Magnetfeldes (203) am Ort der Dampfzellenanordnung (201),• eine Detektionsanordnung (208), wobei die Detektionsanordnung (208) zur Bereitstellung eines eine erste Einstrahlrichtung aufweisenden Auslese-Lichtstrahls (2000) eingerichtet ist, wobei die erste Magnetfeldrichtung, die zweite Magnetfeldrichtung und die erste Einstrahlrichtung jeweils zueinander mindestens eine orthogonale Komponente aufweisen.Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines NMR-Gyroskops.

Description

Stand der Technik
In „Spin-Exchange Pumped NMR Gyros“ (Walker et al.; Advances in Atomic, Molecular, and Optical Physics, 04 2016) ist ein Kernspinresonanz-Gyroskop beschrieben, welches eine Dampfzelle umfasst, in dem ein Edelgas, dessen Kernspins mittels optischer gepumpter Alkali-Atome zur Präzession anregbar sind. Die Gase werden einem statischen Magnetfeld und einem magnetischen Wechselfeld ausgesetzt, wobei die beiden Magnetfelder senkrecht zueinander verlaufen und das magnetische Wechselfeld parallel zur Einstrahlrichtung des Auslese-Laserstrahls verläuft.
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, 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 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: $ω_{mess} = ω_{larmor} \pm ω_{rot}$
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.
Die Begriffe „Licht“ und „elektromagnetische Strahlung“ werden synonym verwendet.
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 eine Unterdrückung von intrinsisch gegebenem Rauschen des NMR-Gyroskops ermöglicht wird. Dadurch erlangt das NMR-Gyroskop eine verbesserte Sensitivität. Ein Weiterer Vorteil ist, dass eine sehr schnelle Signalverarbeitung, welche eine sehr schnelle Operation bei hoher Bandbreite und robuster, einfacher Elektronik ermöglicht. Letzteres führt vorteilhafterweise dazu, dass das NMR-Gyroskop miniaturisiert werden kann, d. h., dass das Packmaß des NMR-Gyroskops reduziert werden kann.
Dies wird erreicht mit einem NMR-Gyroskop, umfassend

• eine Dampfzellenanordnung, wobei ein erstes Medium in der Dampfzellenanordnung angeordnet ist,
• eine Magnetfelderzeugungseinrichtung zur Bereitstellung eines eine erste Magnetfeldrichtung aufweisenden Vormagnetisierungsfelds und eines eine zweite Magnetfeldrichtung aufweisenden oszillierenden Magnetfeldes am Ort der Dampfzellenanordnung,
- - wobei eine Richtung von Präzessionsbewegungen von Spins des ersten Mediums durch das Vormagnetisierungsfeld festlegbar ist und
- - wobei die Präzessionsbewegungen der Spins des ersten Mediums durch das oszillierende Magnetfeld zu einer synchronisierten Präzessionsbewegung der Spins des ersten Mediums, aufweisend eine erste Frequenz, synchronisierbar sind, und
• eine Detektionsanordnung, wobei die Detektionsanordnung
- - zur Bereitstellung eines eine erste Einstrahlrichtung aufweisenden Auslese-Lichtstrahls,
- - zum Erfassen des Auslese-Lichtstrahls nach Passieren der Dampfzellenanordnung als Messsigna, und
- - zur Bestimmung einer Drehung des NMR-Gyroskops um die erste Magnetfeldrichtung des Vormagnetisierungsfeldes aus dem Messsignal eingerichtet ist.

Das NMR-Gyroskop zeichnet sich dadurch aus,

• dass ein zweites Medium in der Dampfzellenanordnung angeordnet ist,
• dass eine Richtung von Präzessionsbewegungen von Spins des zweiten Mediums durch das Vormagnetisierungsfeld festlegbar ist,
• dass die Präzessionsbewegungen der Spins des zweiten Mediums durch das oszillierende Magnetfeld zu einer synchronisierten Präzessionsbewegung der Spins des zweiten Mediums, aufweisend eine zweite Frequenz, synchronisierbar sind, wobei die erste Frequenz und die zweite Frequenz voneinander abweichen, und
• die erste Magnetfeldrichtung, die zweite Magnetfeldrichtung und die erste Einstrahlrichtung jeweils zueinander mindestens eine orthogonale Komponente aufweisen.

Ein Vorteil dessen, die erste Magnetfeldrichtung, die zweite Magnetfeldrichtung und die erste Einstrahlrichtung derart zu wählen, dass sie jeweils zueinander mindestens eine orthogonale Komponente aufweisen, ist, dass dies zu einer Unterdrückung von intrinsisch gegebenem Rauschen des NMR-Gyroskops führt. Dadurch erlangt das NMR-Gyroskop eine hohe Sensitivität. Des Weiteren ermöglicht die Anordnung eine Signalverarbeitung, bei welcher das Ausgangssignal des NMR-Gyroskops (Messsignal) gefiltert, sowie bezüglich Phase und Amplituden angepasst wird, und direkt wieder auf die Magnetfelderzeugungseinrichtung (z. B. als elektrischer Strom auf die Spulen zur Erzeugung des oszillierenden Magnetfelds) zum Treiben der synchronisierten Präzessionsbewegungen des ersten Mediums und des zweiten Mediums gegeben wird. Dies ermöglicht eine sehr schnelle Operation bei hoher Bandbreite und vereinfacht die benötigte Elektronik erheblich.
Das Verwenden zweier Medien, welche beispielsweise Isotope des gleichen chemischen Elements oder Gasgemische von Edelgasen mit einem Kernspin von (2n+1)/2 (z. B. Krypton (Kr), Helium (He), Neon (Ne)), wobei n eine natürliche Zahl inklusive Null ist, sein können, ist vorteilhaft, da somit ein Unterdrücken von Magnetfeldstörungen ermöglicht wird, wodurch die Sensitivität des NMR-Gyroskops erhöht und ein Drift des NMR-Gyroskops verringert wird. Die Spins, insbesondere Kernspins, des ersten Mediums werden dabei resonant mit einem magnetischen Wechselfeld getrieben, wobei die Frequenz des magnetischen Wechselfelds (oszillierendes Magnetfeld) auf die Larmorfrequenz der Spins, insbesondere Kernspins, des ersten Mediums abgestimmt ist. Analog werden die Spins des zweiten Mediums mit einem magnetischen Wechselfeld (oszillierendes Magnetfeld) getrieben, welches auf die Larmorfrequenz der Spins, insbesondere Kernspins, des zweiten Mediums abgestimmt ist.
In einer Ausfühungesform weisen die gyromagnetischen Verhältnisse des ersten und des zweiten Mediums voneinander abweichende Vorzeichen auf. Dies ist insbesondere von Vorteil bei der Signalkorrekur am Ende.
Liegt keine äußere Drehrate an dem NMR-Gyroskop an, so entspricht die erste Frequenz ω₁ einer ersten Larmorfrequenz ω_larmor ₁ des ersten Mediums und es entspricht die zweite Frequenz ω₂ einer zweiten Larmorfrequenz ω_larmor ₂ des zweiten Mediums.
Liegt eine äußere Drehrate ω_rot an dem NMR-Gyroskop an, so ergeben sich die erste Frequenz ω₁ und die zweite Frequenz ω₂ wie folgt: $ω_{1,2} = ω_{larmor 1, larmor 2} \pm ω_{rot}$
Würden die treibenden magnetischen Wechselfelder entlang der Detektionsachse (= entlang der ersten Einstrahlrichtung) angelegt werden, so würde dies dazu führen, dass das oszillierende Magnetfeld, welches die Spins des ersten Mediums treibt, einen Störterm im Signal des zweiten Mediums verursachen würde und umgekehrt.
Die Larmorfrequenz, mit welcher Spins ohne äußere Drehrate um die erste Magnetfeldrichtung des Vormagnetisierungsfelds B₀ präzedieren, ergibt sich wie folgt: I ω_larmor |=|γ B₀|, wobei γ das gyromagnetische Verhältnis bezeichnet.
Das oszillierende Magnetfeld zum Treiben des ersten Mediums verursacht keine synchronisierte Spin-Präzessionsbewegung des zweiten Mediums, da das oszillierende Magnetfeld das zweite Medium nicht frequenzangepasst, d.h. resonant ist, da sich die Larmorfrequenzen des ersten und des zweiten Mediums unterscheiden. Das oszillierende Magnetfeld zum Treiben des ersten Mediums führt jedoch zu einem Rauschterm im Messsignal. Dieser Rauschterm verringert die Sensitivität des NMR-Gyroskops und stört die Signalverarbeitung. Daher sind die Magnetfelderzeugungseinrichtung und die Detektionsanordnung relativ zueinander derart angeordnet, dass die erste Magnetfeldrichtung, die zweite Magnetfeldrichtung und die erste Einstrahlrichtung jeweils zueinander mindestens eine orthogonale Komponente zueinander aufweisen. Dadurch ist der Einfluss der vom Rauschen behaftete Komponente im Messsignal verringert.
In einer Ausführungsform ist die erste Magnetfeldrichtung orthogonal zu der zweiten Magnetfeldrichtung und der ersten Einstrahlrichtung. Des Weiteren ist die zweite Magnetfeldrichtung orthogonal zur ersten Einstrahlrichtung. Dadurch ist die vom Rauschen behaftete Komponente nicht im Messsignal vertreten.
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. Insbesondere kann die Magnetfelderzeugungseinrichtung dreiachsige oder multiachsen Magnetfeldspulen umfassen. Letztere können insbesondere dafür verwendet werden beispielsweise Störfelder innerhalb der Dampfzellenanordnung zu kompensieren. Die erste Magnetfeldrichtung und die zweite Magnetfeldrichtung können durch die relative Anordnung der Spulen der Magnetfelderzeugungseinrichtung festgelegt werden. Als Vormagnetisierungsfeld kann insbesondere ein statisches Magnetfeld verwendet 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. 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.
Das erste Medium, das zweite Medium und das dritte Medium können insbesondere gasförmig sein oder durch Heizen der Dampfzellenanordnung in einen gasförmigen Zustand überführbar sein. Als erstes Medium und zweites Medium können beispielsweise Edelgase wie Xenon (Xe), Neon (Ne), Krypton (Kr)oder Helium-3 (³He) verwendet werden. Insbesondere können Gasgemische unterschiedlicher Edelgase verwendet werden. Insbesondere weisen das erste Medium und das zweite Medium jeweils einen Kernspin von (2n+1)/2 auf, wobei n eine natürliche Zahl inklusive Null ist. In einer Ausführungsform können das erste Medium und das zweite Medium Isotope des gleichen chemischen Elements, insbesondere Xenon, sein.
Ein Initialisieren des NMR-Gyroskops erfolgt beispielsweise durch optisches Pumpen. Beim optischen Pumpen eines dritten Mediums in der Dampfzellenanordnung (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 dritten Mediums in der Dampfzellenanordnung. Durch eine starke Elektron-Kernspin-Wechselwirkung zwischen dem ersten Medium (zweiten Medium), und dem dritten Medium, führt die Elektronenspin-Polarisation zu einer Polarisation der Kernspins des ersten Mediums (zweiten Mediums). Das Vormagnetisierungsfeld gibt die erste Magnetfeldrichtung vor, um welche die polarisierten Kernspins des ersten Mediums und des zweiten Mediums präzedieren, wobei die Spin-Präzessionsbewegungen des ersten Mediums und des zweiten Mediums sich in ihrer Phase unterscheiden können. Durch Anlegen des oszillierenden Magnetfeldes (magnetisches Wechselfeld), welches mindestens eine Komponente orthogonal zu der Richtung des Vormagnetisierungsfeldes aufweist, werden die Spin-Präzessionsbewegungen der polarisierten Kernspins um die Richtung des Vormagnetisierungsfeldes jeweils für das erste Medium und das zweite Medium synchronisiert, sodass alle polarisierten Kernspins des ersten Mediums in Phase miteinander mit der ersten Larmorfrequenz des ersten Mediums (sofern keine äußere Drehrate an dem NMR-Gyroskop anliegt) um die erste Magnetfeldrichtung des Vormagnetisierungsfeldes präzedieren und alle polarisierten Kernspins des zweiten Mediums in Phase miteinander mit der zweiten Larmorfrequenz des zweiten Mediums (sofern keine äußere Drehrate an dem NMR-Gyroskop anliegt) um die erste Magnetfeldrichtung des Vormagnetisierungsfeldes präzedieren.
Die jeweils synchronisierten Spin-Präzessionsbewegungen des ersten Mediums und des zweiten Mediums können in ein auslesbares elektrisches Signal umgewandelt werden. Hierzu kann die Dampfzellenanordnung mit einem beispielsweise linear polarisierten Auslese-Laserstrahl beleuchtet werden. Beim Durchlaufen der Dampfzellenanordnung wird die Polarisation des Auslese-Laserstrahls periodisch gedreht, was durch die synchronisierte Präzessionsbewegung der Spins des ersten Mediums und der Spins des zweiten 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 die 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.
In einer Ausführungsform umfasst das oszillierende Magnetfeld ein magnetisches Wechselfeld, welches mit der ersten Larmorfrequenz des ersten Mediums oszilliert und ein zweites magnetisches Wechselfeld, welches mit der zweiten Larmorfrequenz des zweiten Mediums oszilliert.
In einer Ausführungsform ist das oszillierende Magnetfeld als Schwebungsfunktion der ersten Larmorfrequenz des ersten Mediums und der zweiten Larmorfrequenz des zweiten Mediums bereitstellbar. Dadurch wird vorteilhafterweise eine vereinfachte Auswerteelektronik (Kostenersparnis, Verringerung des Packmaßes), eine höhere Bandbreite und eine schnellere Signalverarbeitung als bei der Verwendung zweier magnetischer Wechselfelder ermöglicht.
In einer Ausführungsform ist ein drittes Medium in der Dampfzellenanordnung angeordnet und das NMR-Gyroskop umfasst eine Beleuchtungsanordnung, welche dazu eingerichtet ist durch optisches Pumpen Elektronenspins des dritten Mediums zu polarisieren, wobei mittels dieser Elektronenspin-Polarisation durch eine starke Elektron-Kernspin Wechselwirkung zwischen dem dritten Medium und dem ersten Medium die Kernspins des ersten Mediums polarisierbar sind und durch eine starke Elektron-Kernspin Wechselwirkung zwischen dem dritten Medium und dem zweiten Medium die Kernspins des zweiten Mediums polarisierbar sind.
In einer Ausführungsform gibt es ein weiteres oszillierendes Magnetfeld, welches resonant zum dritten Medium ist, d. h. mit der Larmorfrequenz des dritten Mediums oszilliert.
Die Elektronenspins des dritten Mediums wirken vorteilhafterweise wie ein „insitu-Magnetometer“. Die Elektronenspins des dritten Mediums sind sensitiv auf die durch die gleichphasige synchronisierte Kernspinpräzession hervorgerufene periodische Magnetfeldänderung. Somit ist es möglich die gleichphasige Kernspinpräzession auf die Elektronenspins des dritten Mediums zu übertragen. Die synchronisierte Präzessionsbewegung der polarisierten Kernspins des ersten Mediums und die synchronisierte Präzessionsbewegung der polarisierten Kernspins des zweiten Mediums können somit in ein auslesbares elektrisches Signal umgewandelt werden und wie oben beschrieben ausgelesen werden.
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 dritten Mediums abgestimmt, sodass das Licht vom dritten 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.
Als drittes 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.
In einer Ausführungsform kann ein des Weiteren ein Puffergas in der Dampfzellenanordnung angeordnet sein. Als Puffergas kann beispielsweise Stickstoff (N) verwendet werden. Alternativ oder ergänzend kann Argon (Ar) als Puffergas verwendet werden.
Ein Verfahren zum Betreiben eines NMR-Gyroskops, mit den Schritten:

• Erzeugen einer synchronisierten Präzessionsbewegung von Spins eines ersten Mediums und einer synchronisierten Präzessionsbewegung von Spins eines zweiten Mediums, mit den Schritten:
- - Anlegen eines eine erste Magnetfeldrichtung aufweisenden Vormagnetisierungsfeld am Ort des ersten Mediums und am Ort des zweiten Mediums, welches eine Richtung von Präzessionsbewegungen der Spins des ersten Mediums und von Präzessionsbewegungen der Spins des zweiten Mediums vorgibt, und
- - Anlegen eines eine zweite Magnetfeldrichtung aufweisenden oszillierenden Magnetfeld am Ort des ersten Mediums und am Ort des zweiten Mediums, welches die Präzessionsbewegungen der Spins des ersten Mediums um die erste Magnetfeldrichtung zu einer synchronisierten Präzessionsbewegung der Spins des ersten Mediums, aufweisend eine erste Frequenz, synchronisiert, und welches die Präzessionsbewegungen der Spins des zweiten Mediums um die erste Magnetfeldrichtung zu einer synchronisierten Präzessionsbewegung der Spins des zweiten Mediums, aufweisend eine zweite Frequenz, synchronisiert, wobei die erste Frequenz und die zweite Frequenz voneinander abweichen;
• Optisches Auslesen der synchronisierten Spin-Präzessionsbewegung des ersten Mediums und der synchronisierten Spin-Präzessionsbewegung des zweiten Mediums, wobei ein Auslese-Lichtstrahl mit einer ersten Einstrahlrichtung auf die Dampfzellenanordnung trifft, wobei die erste Magnetfeldrichtung, die zweite Magnetfeldrichtung und die erste Einstrahlrichtung jeweils mindestens eine orthogonale Komponente zueinander aufweisen, und wobei der Auslese-Lichtstrahl nach Passieren der Dampfzellenanordnung als Messsignal erfasst wird; und
• Bestimmen einer Drehmessgröße einer Drehung des NMR-Gyroskops um die erste Magnetfeldrichtung des Vormagnetisierungsfeldes aus dem Messsignal

In einer Ausführungsform ist die erste Magnetfeldrichtung orthogonal zu der zweiten Magnetfeldrichtung und der ersten Einstrahlrichtung. Des Weiteren ist die zweite Magnetfeldrichtung orthogonal zur ersten Einstrahlrichtung. Dadurch ist die vom Rauschen behaftete Komponente vorteilhafterweise nicht im Messsignal vertreten.
In einer Ausführungsform ist das oszillierende Magnetfeld eine Schwebungsfunktion einer ersten Larmorfrequenz des ersten Mediums und einer zweiten Larmorfrequenz des zweiten Mediums.
In einer Ausführungsform werden zum Erzeugen der synchronisierten Präzessionsbewegungen Elektronenspins eines dritten Mediums durch optisches Pumpen (306) polarisiert,

• wobei mittels dieser Elektronenspin-Polarisation durch eine starke Elektron-Kernspin Wechselwirkung zwischen dem ersten Medium und dem dritten Medium Kernspins des ersten Mediums polarisiert werden und
• wobei mittels dieser Elektronenspin-Polarisation durch eine starke Elektron-Kernspin Wechselwirkung zwischen dem zweiten Medium und dem dritten Medium Kernspins des zweiten Mediums polarisiert werden.

In einer Ausführungsform, bei der das oszillierende Magnetfeld eine Schwebungsfunktion einer ersten Larmorfrequenz des ersten Mediums und einer zweiten Larmorfrequenz des zweiten Mediums ist, umfasst das Messsignal einen ersten Signalanteil, der wiederum eine Schwebungsfunktion der ersten Larmorfrequenz des ersten Mediums und der zweiten Larmorfrequenz des zweiten Mediums ist, und welcher aus den überlagerten synchronisierten Kernspin-Präzessionsbewegungen des ersten Mediums und des zweiten Mediums resultiert, und einen zweiten Signalanteil. Durch ein Filtern des Messsignals (2003) erfolgt eine Trennung des ersten Signalanteils vom zweiten Signalanteil. Es erfolgt eine Anpassung der Phase und der Amplitude des ersten Signalanteils. Der angepasste erste Signalanteil wird zur Regelung des oszillierenden Magnetfelds verwendet. Insbesondere wird er als Stellgröße an die Magnetfelderzeugungseinrichtung geführt. Beispielsweise kann der angepasste erste Signalanteil einen Fluss eines elektrischen Strom in Spulen der Magnetfelderzeugungseinrichtung, welche zur Erzeugung des oszillierenden Magnetfelds dienen, regeln. Dieses Regelkonzept wird auch als sogenannter Closed-Loop Betreib bezeichnet. Zum Filtern kann beispielweise ein Filter oder ein Lock-In verbaut sein.
Der zweite Signalanteil umfasst Frequenzanteile des dritten Mediums, welche sich aufgrund der polarisierten Elektronenspins des dritten Mediums ergeben.
Anders gesagt werden im Schritt des Filterns Frequenzanteile des dritten Mediums von der Schwebungsfunktion der ersten Larmorfrequenz und der zweiten Larmorfrequenz getrennt. Nach Anpassung von Phase und Amplitude, kann dann das Schwebungssignal wieder genutzt werden, um den Stromfluss in der Spule zur Erzeugung des magnetischen Wechselfeldes zu regeln.
Ein Vorteil in der Verwendung eines magnetischen Wechselfeldes, welches eine Schwebungsfunktion der ersten Larmorfrequenz und der zweiten Larmorfrequenz ist, besteht in der Einfachheit und Schnelligkeit des Regelkonzeptes im Vergleich zu der Verwendung zweier separater magnetischer Wechselfeldern. Die Schnelligkeit ergibt sich aufgrund der Schnelligkeit des benötigten Filters (z. B. ein Butterworth Filter) zum Separieren der Frequenzanteile, d. h. des ersten und des zweiten Signalanteils. Die Larmorfrequenz des dritten Mediums (z. B. Alkaligas) ist um zwei bis drei Größenordnungen höher als die Larmorfrequenzen der Kernspins des ersten und zweiten Mediums (z. B. Edelgasisotope). Der hohe Frequenzunterschied macht es sehr einfach den Frequenzanteil des Alkaligases von denen der Edelgaskernspins zu filtern. Die Anforderungen an einen solchen Filter sind gering. Flankensteilheit des Filters und Frequenzstabilität spielen nahezu keine Rolle. Aufgrund der geringen Anforderungen kann ein einfacher, schneller Filter gewählt werden. Dies erlaubt eine schnelle Signalregelung und ermöglicht damit eine hohe Bandbreite der Regelschleife. Zudem funktioniert die hier vorgeschlagene Signalregelung auch für schnelle Drehratenänderungen, da nur ein sehr hochfrequenter Filter in dieser Schaltung ist. Zudem weist diese Schaltung einen sehr einfachen Aufbau auf.
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 einen beispielhaften Aufbau eines NMR-Gyroskops,
3 zeigt eine Prinzipskizze des NMR-Gyroskop gemäß einem Ausführungsbeispiel, und
4 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines NMR-Gyroskops gemäß einem Ausführungsbeispiel.

Ausführungsbeispiele der Erfindung
1 zeigt das Termschema 100 von Rubidium 87, welches beispielsweise als drittes Mediums 2013 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 2 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 202, 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 einen beispielhaften Aufbau des NMR-Gyroskops 200. Das NMR-Gyroskop 200 umfasst eine Dampfzellenanordnung 201, welche auf einem Heizelement 209 angeordnet ist. Eine Prinzipskizze der Dampfzellenanordnung ist in 3 und der zugehörigen Beschreibung zu finden. In der Dampfzellenanordnung 201 sind in dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ein erstes Medium 2011, insbesondere ein Edelgas, zweites Medium 2012, insbesondere ein Edelgas, und ein drittes Medium 2013, insbesondere ein Alkalimetall, 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 dient, und ein oszillierendes Magnetfeld, welches mindestens eine Komponente orthogonal zu dem Vormagnetisierungsfeld 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 für die Dampfzellenanordnung 201 bereitzustellen. Das Vormagnetisierungsfeld weist eine erste Magnetfeldrichtung auf, welche in diesem Ausführungsbeispiel in z-Richtung zeigt. Dazu orthogonal - in y-Richtung - zeigt eine zweite Magnetfeldrichtung des oszillierenden Magnetfelds. 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 2011, des zweiten Mediums 2012 und des dritten Mediums 2013 in der Dampfzellenanordnung 201, wobei die Beleuchtungsanordnung 205 in 2 dazu eingerichtet ist, durch optisches Pumpen Elektronenspins 3021, 3022 des dritten Mediums 2013 zu polarisieren, wobei mittels dieser Elektronenspin-Polarisation durch eine starke Elektron-Kernspin Wechselwirkung zwischen dem dritten Medium 2013 und dem ersten Medium 2011 die Kernspins des ersten Mediums 2011 polarisierbar sind und durch eine starke Elektron-Kernspin Wechselwirkung zwischen dem dritten Medium 2013 und dem zweiten Medium 2012 die Kernspins des zweiten Mediums 2012 polarisierbar sind. Das Vormagnetisierungsfeld legt eine Richtung einer Präzessionsbewegung der polarisierbaren Kernspins des ersten Mediums 2011 und des zweiten Mediums 2012 fest und mittels des oszillierenden Magnetfelds wird eine Synchronisation der Präzessionsbewegungen der polarisierbaren Kernspins des ersten Mediums 204 zu einer synchronisierten Präzessionsbewegung und eine Synchronisation der Präzessionsbewegungen der polarisierbaren Kernspins des zweiten Mediums 2012 zu einer synchronisierten Präzessionsbewegung 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 dritte Medium 2013 wird.
Das NMR-Gyroskop 200 umfasst eine Detektionsanordnung 208, welche zur Detektion einer Drehung des NMR-Gyroskops 200 um eine erste Magnetfeldrichtung des Vormagnetisierungsfeldes aus einer Änderung der synchronisierten Präzessionsbewegungen der polarisierbaren Kernspins des ersten Mediums 2011 und des zweiten Mediums 2012 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 Auslese-Lichtstrahl 2000 auf die Dampfzellenanordnung 201 trifft und von dieser transmittiert wird. Der Auslese-Lichtstrahl 2000 trifft mit einer ersten Einstrahlrichtung - hier in x-Richtung - auf die Dampfzellenanordnung. Somit sind die erste Magnetfeldrichtung, die zweite Magnetfeldrichtung und die erste Einstrahlrichtung jeweils orthogonal zueinander. Als Beleuchtungsquellen 2052, 2084 können beispielsweise Laser oder Laserdioden, insbesondere Oberflächenemitter (VCSEL) verwendet werden. Des Weiteren umfasst die Detektionsanordnung 208 einen Polarisator 2083 und ein Detektorelement 2082. Der transmittierte Auslese-Lichtstrahl 2002 wird nach Passieren des Polarisators 2083 von dem Detektorelement 2082 erfasst. Somit können unter Ausnutzung des magnetooptischen Faraday-Effekts die synchronisierte Präzessionsbewegung der polarisierten Kernspins des ersten Mediums 2011 und die synchronisierte Präzessionsbewegung der polarisierten Kernspins des zweiten Mediums 2012 in der Dampfzellenanordnung 201 als Messsignal 2003, beispielsweise in Form eines elektrischen Signals, welches ein Maß für die sich periodisch ändernden Strahlungsintensität ist, 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 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 des Vormagnetisierungsfelds und/oder des oszillierenden Magnetfelds, sowie der Temperatur mittels des Heizelements 209, erfolgt. 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.
3 zeigt eine Prinzipskizze der Dampfzellenanordnung 201 aus 2, wobei die Richtungen der Magnetfelder und des Auslese-Lichtstrahls 2000 in Form von Richtungspfeilen dargestellt sind. Es sei angemerkt, dass sich das Vorzeichen des oszillierenden Magnetfelds 203 in y-Richtung periodisch ändert und dies daher als Doppelpfeil dargestellt ist. Das erste Medium 2011, das zweite Medium 2012 und das dritte Medium 2013, welche in der Dampfzellenanordnung angeordnet sind, sind hier als einzelne Atome mit zugehörigem Spin eingezeichnet. Das dritte Medium 2013 weist einen polarisierten Elektronenspin auf, welcher durch eine starke Elektron-Kernspin Wechselwirkung auf die Kernspins des ersten Mediums 2011 und des zweiten Mediums 2012 übertragen wird. Die polarisierten Kernspins des ersten Mediums 2011 führen eine synchronisierte Präzessionsbewegung aus, d. h. sie präzedieren mit der gleichen Frequenz - der ersten Larmorfrequenz des ersten Mediums 2011 - und aufgrund des oszillierenden Magnetfelds 203 auch in Phase zueinander. Die polarisierten Kernspins des zweiten Mediums 2012 führen eine synchronisierte Präzessionsbewegung aus, d. h. sie präzedieren mit der gleichen Frequenz - der zweiten Larmorfrequenz des zweiten Mediums 2012 - und aufgrund des oszillierenden Magnetfelds 203 auch in Phase zueinander. Die erste Magnetfeldrichtung des Vormagnetisierungsfelds 202 - hier in z-Richtung - gibt eine Drehachse vor, um die die polarisierten Kernspins jeweils synchron präzedieren. Wird diese Achse nun rotiert oder anders gesagt, wird das NMR-Gyroskop gedreht oder rotiert, so ändern sich die Frequenzen der synchronisierten Präzessionsbewegungen um die Frequenz der äußeren Drehung. Eine erste Frequenz der synchronisierten Präzessionsbewegung des ersten Mediums 2011 stimmt nun nicht mehr mit der Larmorfrequenz überein, sondern ergibt sich aus der Summe der Larmorfrequenz des ersten Mediums 2011 und der äußeren Rotationsfrequenz. Auch eine zweite Frequenz der synchronisierten Präzessionsbewegung des zweiten Mediums 2012 stimmt nun nicht mehr mit der zugehörigen Larmorfrequenz überein, sondern ergibt sich aus der Summe der Larmorfrequenz des zweiten Mediums 2012 und der äußeren Rotationsfrequenz.
Der Auslese-Lichtstrahl 2000 trifft linear polarisiert 2004 und mit der ersten Einstrahlrichtung, hier der x-Richtung, auf die Dampfzellenanordnung, und wird von dieser transmittiert. Beim Durchlaufen der Dampfzellenanordnung 201 wird die Polarisation des Auslese-Laserstrahls 2000 periodisch gedreht 2005, was durch die synchronisierte Präzessionsbewegung der Spins des ersten Mediums 2011 und durch die synchronisierte Präzessionsbewegung der Spins des zweiten Mediums 2012 hervorgerufen wird.
Resonante Signale verursachen in dem in 3 gezeigten NMR-Gyroskop 200 die jeweils synchronisierte Präzessionsbewegung der Kernspins des ersten Mediums 2011 und des zweiten Mediums 2012 in der x-y-Ebene (siehe gestrichelte Ellipsen der jeweiligen Atome) und sind somit in der x- und y- Komponente der Magnetisierung vertreten. Zur Detektion der synchronisierten Präzessionsbewegungen der Kernspins wird beispielsweise ein Alkaligas (z. B. Rubidium, Cäsium, Kalium, ...) als drittes Medium 2013 in der Dampfzellenanordnung 201 verwendet, welches als in-situ Magnetometer dient. Das Signal des Alkaligases und damit die Larmor-Präzession der Kernspins kann mittels des Auslese-Lichtstrahls 2000, wie oben beschrieben, ausgelesen werden. Die Achse entlang derer der Auslese-Lichtstrahls 2000 eingestrahlt wird bezeichnen wir als Detektionsachse oder als erste Einstrahlrichtung. Die Detektionsachse verläuft hier entlang der x-Richtung. Die Detektion ist in diesem Ausführungsbeispiel folglich nur sensitiv zur x-Richtung. Das Feld, welches das erste Medium 2011 resonant treibt, verursacht eine Störung des zweiten Mediums 2012 und umgekehrt. Diese Störung ist aber nur in der Richtung vorhanden, in welcher das oszillierende Magnetfeld 203 angelegt wird. Würde das oszillierende Magnetfeld 203 entlang der Detektionsachse, d. h. hier in x-Richtung, angelegt, würde dies folglich eine Störung des Messsignals 2003 verursachen. Wird das oszillierende Magnetfeld 203, wie in 3 gezeigt, hingegen senkrecht zum Vormagnetisierungsfeld 202 und senkrecht zum Detektionsstrahl (Auslese-Lichtstrahl 2000) eingestrahlt, so ist die Störung in der Komponente, die nicht detektiert wird. Das Messsignal 2003 ist somit in diesem Sinne störungsfrei.
Das oszillierende Magnetfeld 203 kann hierbei beispielsweise zwei magnetische Wechselfelder umfassen, wobei das erste magnetische Wechselfeld mit der ersten Larmorfrequenz oszilliert und wobei das zweite magnetische Wechselfeld mit der zweiten Larmorfrequenz oszilliert. Alternativ dazu ermöglicht die vorgenannte Störungsfreiheit, das Treiben der synchronisierten Kernspin-Präzessionsbewegungen mit einem magnetischen Wechselfeld bei der Summenfrequenz, welches eine Schwebungsfunktion der ersten Larmorfrequenz und der zweiten Larmorfrequenz ist. Das Messsignal 2003 kann dann gefiltert werden, um die Frequenzanteile des Alkaligases von denen der Schwebungsfunktion der Kernspin-Signale der beiden Edelgasisotope zu trennen. Nach Anpassung von Phase und Amplitude, kann dann das Schwebungssignal wieder genutzt werden, um den Stromfluss in der Spule zur Erzeugung des magnetischen Wechselfeldes 203 zu regeln. Dieses Regelkonzept wird auch als sogenannter Closed loop Betrieb bezeichnet.
Dadurch, dass das magnetische Wechselfeld 203 in 3 zum Treiben der synchronisierten Kernspin-Präzessionsbewegungen der Edelgasisotope entlang der y-Achse eingestrahlt und damit senkrecht zum Detektionslaser entlang der x-Achse und senkrecht zum Pumplaser und statischen Magnetfeld entlang der z-Achse aufgeprägt wird, verursacht diese Anordnung weniger Rauschen im Messsignal 2003.
4 zeigt ein Flussdiagramm, welches ein Verfahren 300 zum Betreiben des NMR-Gyroskops 200, wie es beispielsweise in 2 und 3 gezeigt ist, gemäß einem Ausführungsbeispiel beschreibt. Es erfolgt ein Erzeugen 301 der synchronisierten Präzessionsbewegung der Kernspins des ersten Mediums 2011 und der synchronisierten Präzessionsbewegung der Kernspins des zweiten Mediums 2012, wobei zum Erzeugen 301 der synchronisierten Präzessionsbewegungen die Elektronenspins des dritten Mediums 2013 durch optisches Pumpen 306 polarisiert werden. Durch diese Elektronenspin-Polarisation werden durch eine starke Elektron-Kernspin Wechselwirkung zwischen dem ersten Medium 2011 und dem dritten Medium 2013 die Kernspins des ersten Mediums 2011 polarisiert und durch eine starke Elektron-Kernspin Wechselwirkung zwischen dem zweiten Medium 2012 und dem dritten Medium 2013 Kernspins des zweiten Mediums 2012 polarisiert. Der Schritt des Erzeugens 301 der synchronisierten Präzessionsbewegungen umfasst des Weiteren die Schritte:

• Anlegen 302 des die erste Magnetfeldrichtung aufweisenden Vormagnetisierungsfeld 202 am Ort der Dampfzellenanordnung 201, welches eine Richtung von Präzessionsbewegungen der Kernspins des ersten Mediums 2011 und von Präzessionsbewegungen der Kernspins des zweiten Mediums 2012 vorgibt, und
• Anlegen 303 des die zweite Magnetfeldrichtung aufweisenden oszillierenden Magnetfeld 203 am Ort der Dampfzellenanordnung 201, welches die Präzessionsbewegungen der Kernspins des ersten Mediums 2011 um die erste Magnetfeldrichtung zu einer synchronisierten Präzessionsbewegung der Kernspins des ersten Mediums 2011, aufweisend die erste Frequenz, synchronisiert, und welches die Präzessionsbewegungen der Kernspins des zweiten Mediums 2012 um die erste Magnetfeldrichtung zu einer synchronisierten Präzessionsbewegung der Kernspins des zweiten Mediums 2012, aufweisend die zweite Frequenz, synchronisiert, wobei die erste Frequenz und die zweite Frequenz voneinander abweichen.

Es erfolgt des Weiteren ein Optisches Auslesen 304 der synchronisierten Kernspin-Präzessionsbewegung des ersten Mediums 2011 und der synchronisierten Kernspin-Präzessionsbewegung des zweiten Mediums 2012, wobei der Auslese-Lichtstrahl 2000 mit der ersten Einstrahlrichtung auf die Dampfzellenanordnung 201 trifft. Die erste Magnetfeldrichtung, die zweite Magnetfeldrichtung und die erste Einstrahlrichtung weisen hierbei jeweils mindestens eine orthogonale Komponente zueinander auf, insbesondere sind die erste Magnetfeldrichtung, die zweite Magnetfeldrichtung und die erste Einstrahlrichtung jeweils orthogonal zueinander. Nach Passieren der Dampfzellenanordnung wird der von der Dampfzellenanordnung transmittierte Auslese-Lichtstrahl 2002 als Messsignal 2003 von der Detektionsanordnung 208 erfasst.
Das oszillierende Magnetfeld 203 ist in diesem Ausführungsbeispiel eine Schwebungsfunktion der ersten Larmorfrequenz des ersten Mediums 2011 und der zweiten Larmorfrequenz des zweiten Mediums 2012. Das Messsignal 2003 umfasst hierbei einen ersten Signalanteil 3071, welcher aus den überlagerten synchronisierten Kernspin-Präzessionsbewegungen des ersten Mediums 2011 und des zweiten Mediums 2012 resultiert, und einen zweiten Signalanteil (3072). Der zweite Signalanteil umfasst Frequenzanteile des dritten Mediums 2013. Die Larmorfrequenz des dritten Mediums 2013 ist um zwei bis drei Größenordnungen höher als die Larmorfrequenz der Kernspins des ersten und zweiten Mediums. Der hohe Frequenzunterschied macht es sehr einfach den Frequenzanteil des dritten Mediums 2013 von der Frequenz der Schwebungsfunktion zu filtern. Nach dem Filtern 307 des Messsignals 2003 zur Trennung des ersten Signalanteils 3071 und des zweiten Signalanteils 3072, erfolgt eine Anpassung 308 der Phase und der Amplitude des ersten Signalanteils 3071. Der angepasste erste Signalanteil 3070 wird zur Regelung des oszillierenden Magnetfelds 203 verwendet. Insbesondere wird er als Stellgröße an die Magnetfelderzeugungseinrichtung 206 geführt. Beispielsweise kann der angepasste erste Signalanteil einen Fluss eines elektrischen Stroms in Spulen der Magnetfelderzeugungseinrichtung 206, welche zur Erzeugung des oszillierenden Magnetfelds 203 dienen, regeln. Dieses Regelkonzept wird auch als sogenannter Closed-Loop Betreib bezeichnet. Alternativ kann auch eine Lock-In Detektion verwendet werden, um aus dem Messsignal 2003 die erste Larmorfrequenz und die zweite Larmorfrequenz zu bestimmen und das Treiben unter Verwendung des oszillierenden Magnetfelds 203 mit bestimmter Phase und Amplitude bei der Schwebung dieser Frequenzen zu ermöglichen.
Es erfolgt ein Bestimmen 305 einer Drehmessgröße 2086 der Drehung des NMR-Gyroskops 200 um die erste Magnetfeldrichtung des Vormagnetisierungsfeldes 202 aus dem Messsignal 2003. Die Drehmessgröße 2086 ist beispielsweise eine Drehrate, eine Rotationsfrequenz, etc. In diesem Schritt 305 werden die erste Larmorfrequenz und die zweite Larmorfrequenz in ihrer Frequenz separiert. Hierfür können verschiedene Filter verwendet, beispielweise ein Hochpassfilter, welcher in etwa in der Mitte der beiden Isotopfrequenzen liegt, um das höherfrequente Signal zu extrahieren, welches dann in eine Phasenregelschleife (PLL) oder Lock-In zur Detektion weiter geleitet wird. Sowie ein Tiefpassfilter an ähnlicher Frequenzstelle, welcher nur das niederfrequentere Signal passieren lässt, welches dann ebenfalls in eine Phasenregelschleife (PLL) oder Lock-in geführt wird. Beide Signale können dann nach Kalibrierung verrechnet werden, um einen Korrekturterm und ein korrigiertes Signal zu erhalten (Differenz -> Signal, Summe -> Korrektur). Dieser Signalverarbeitungsschritt ist zeitunkritisch, kann also langsam erfolgen, da der Closed loop Betrieb von dieser Signalverarbeitung unabhängig ist.

Claims

NMR-Gyroskop (200), umfassend • eine Dampfzellenanordnung (201), wobei ein erstes Medium (2011) in der Dampfzellenanordnung (201) angeordnet ist, • eine Magnetfelderzeugungseinrichtung (206) zur Bereitstellung eines eine erste Magnetfeldrichtung aufweisenden Vormagnetisierungsfelds (202) und eines eine zweite Magnetfeldrichtung aufweisenden oszillierenden Magnetfeldes (203) am Ort der Dampfzellenanordnung (201), - wobei eine Richtung von Präzessionsbewegungen von Spins des ersten Mediums (204) durch das Vormagnetisierungsfeld (202) festlegbar ist und - wobei die Präzessionsbewegungen der Spins des ersten Mediums (2011) durch das oszillierende Magnetfeld (203) zu einer synchronisierten Präzessionsbewegung der Spins des ersten Mediums (2011), aufweisend eine erste Frequenz, synchronisierbar sind, und • eine Detektionsanordnung (208), wobei die Detektionsanordnung - zur Bereitstellung eines eine erste Einstrahlrichtung aufweisenden Auslese-Lichtstrahls (2000), - zum Erfassen des Auslese-Lichtstrahls (2000) nach Passieren der Dampfzellenanordnung (201) als Messsignal (2003), und - zur Bestimmung einer Drehung des NMR-Gyroskops (200) um die erste Magnetfeldrichtung des Vormagnetisierungsfeldes (202) aus dem Messsignal (2003) eingerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass • ein zweites Medium (2012) in der Dampfzellenanordnung (201) angeordnet ist, • eine Richtung von Präzessionsbewegungen von Spins des zweiten Mediums (2012) durch das Vormagnetisierungsfeld (202) festlegbar ist, • die Präzessionsbewegungen der Spins des zweiten Mediums (2012) durch das oszillierende Magnetfeld (203) zu einer synchronisierten Präzessionsbewegung der Spins des zweiten Mediums (2012), aufweisend eine zweite Frequenz, synchronisierbar sind, wobei die erste Frequenz und die zweite Frequenz voneinander abweichen, und • die erste Magnetfeldrichtung, die zweite Magnetfeldrichtung und die erste Einstrahlrichtung jeweils zueinander mindestens eine orthogonale Komponente aufweisen.
NMR-Gyroskop (200) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das oszillierende Magnetfeld (203) als Schwebungsfunktion einer ersten Larmorfrequenz des ersten Mediums (2011) und einer zweiten Larmorfrequenz des zweiten Mediums (2012) bereitstellbar ist.
NMR-Gyroskop nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein drittes Medium (2013) in der Dampfzellenanordnung (201) angeordnet ist und dass das NMR-Gyroskop (200) eine Beleuchtungsanordnung (205) umfasst, welche dazu eingerichtet ist durch optisches Pumpen Elektronenspins des dritten Mediums (2013) zu polarisieren, wobei mittels dieser Elektronenspin-Polarisation durch eine starke Elektron-Kernspin Wechselwirkung zwischen dem dritten Medium (2013) und dem ersten Medium (2011) und durch eine starke Elektron-Kernspin Wechselwirkung zwischen dem dritten Medium (2013) und dem zweiten Medium (2012) die Kernspins des ersten Mediums (2011) und die Kernspins des zweiten Mediums (2012) polarisierbar sind.
NMR-Gyroskop (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Medium (2011) und das zweite Medium (2012) Isotope des gleichen chemischen Elements, insbesondere Xenon, sind.
NMR-Gyroskop (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Medium (2011) und das zweite Medium (2012) jeweils einen Kernspin von (2n+1)/2 aufweisen, wobei n eine natürliche Zahl inklusive Null ist.
Verfahren (300) zum Betreiben eines NMR-Gyroskops (200), mit den Schritten: • Erzeugen (301) einer synchronisierten Präzessionsbewegung von Spins eines ersten Mediums (2011) und einer synchronisierten Präzessionsbewegung von Spins eines zweiten Mediums (2012), mit den Schritten: - Anlegen (302) eines eine erste Magnetfeldrichtung aufweisenden Vormagnetisierungsfeld (202) am Ort der Dampfzellenanordnung (201), welches eine Richtung von Präzessionsbewegungen der Spins des ersten Mediums (2011) und von Präzessionsbewegungen der Spins des zweiten Mediums (2012) vorgibt, und - Anlegen (303) eines eine zweite Magnetfeldrichtung aufweisenden oszillierenden Magnetfeld (203) am Ort der Dampfzellenanordnung (201), welches die Präzessionsbewegungen der Spins des ersten Mediums (2011) um die erste Magnetfeldrichtung zu einer synchronisierten Präzessionsbewegung der Spins des ersten Mediums (2011), aufweisend eine erste Frequenz, synchronisiert, und welches die Präzessionsbewegungen der Spins des zweiten Mediums (2012) um die erste Magnetfeldrichtung zu einer synchronisierten Präzessionsbewegung der Spins des zweiten Mediums (2012), aufweisend eine zweite Frequenz, synchronisiert, wobei die erste Frequenz und die zweite Frequenz voneinander abweichen; • Optisches Auslesen (304) der synchronisierten Spin-Präzessionsbewegung des ersten Mediums (2011) und der synchronisierten Spin-Präzessionsbewegung des zweiten Mediums (2012), wobei ein Auslese-Lichtstrahl (2000) mit einer ersten Einstrahlrichtung auf die Dampfzellenanordnung (201) trifft, wobei die erste Magnetfeldrichtung, die zweite Magnetfeldrichtung und die erste Einstrahlrichtung jeweils mindestens eine orthogonale Komponente zueinander aufweisen, und wobei der Auslese-Lichtstrahl (2000) nach Passieren der Dampfzellenanordnung (201) als Messsignal (2003) erfasst wird; • Bestimmen (305) einer Drehmessgröße (2086) einer Drehung des NMR-Gyroskops (200) um die erste Magnetfeldrichtung des Vormagnetisierungsfeldes (202) aus dem Messsignal (2003).
Verfahren (300) zum Betreiben eines NMR-Gyroskops (200) nach Anspruch 6, wobei das oszillierende Magnetfeld (203) eine Schwebungsfunktion einer ersten Larmorfrequenz des ersten Mediums (2011) und einer zweiten Larmorfrequenz des zweiten Mediums (2012) ist.
Verfahren (300) zum Betreiben eines NMR-Gyroskops (200) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei zum Erzeugen (301) der synchronisierten Präzessionsbewegungen Elektronenspins eines dritten Mediums (2013) durch optisches Pumpen (306) polarisiert werden, • wobei mittels dieser Elektronenspin-Polarisation durch eine starke Elektron-Kernspin Wechselwirkung zwischen dem ersten Medium (2011) und dem dritten Medium (2013) Kernspins des ersten Mediums (2011) polarisiert werden und • wobei mittels dieser Elektronenspin-Polarisation durch eine starke Elektron-Kernspin Wechselwirkung zwischen dem zweiten Medium (2012) und dem dritten Medium (2013) Kernspins des zweiten Mediums (2012) polarisiert werden.
Verfahren (300) zum Betreiben eines NMR-Gyroskops (200) nach Anspruch 8, • wobei das oszillierende Magnetfeld (203) eine Schwebungsfunktion einer ersten Larmorfrequenz des ersten Mediums (2011) und einer zweiten Larmorfrequenz des zweiten Mediums (2012) ist, • wobei das Messsignal (2003) einen ersten Signalanteil (3071), welcher aus den überlagerten synchronisierten Kernspin-Präzessionsbewegungen des ersten Mediums (2011) und des zweiten Mediums (2012) resultiert, und einen zweiten Signalanteil (3072) umfasst, • wobei ein Filtern (307) des Messsignals (2003) zur Trennung des ersten Signalanteils (3071) und des zweiten Signalanteils (3072) erfolgt, • wobei eine Anpassung (308) der Phase und der Amplitude des ersten Signalanteils (3071) erfolgt und • wobei eine Regelung des oszillierenden Magnetfelds (203) durch den angepassten ersten Signalanteil (3070) erfolgt.