DE2758855A1

DE2758855A1 - Detection of nuclear magnetic resonance - uses gas cell in which magnetic fields are propagated and light is employed to analyse absorption

Info

Publication number: DE2758855A1
Application number: DE19772758855
Authority: DE
Inventors: Bruce C Grover; Edward Kanegsberg; John G Mark; Roger L Meyer
Original assignee: Litton Systems Inc
Current assignee: Northrop Grumman Guidance and Electronics Co Inc
Priority date: 1977-12-30
Filing date: 1977-12-30
Publication date: 1979-07-12

Abstract

Apparatus for detecting nuclear magnetic resonance in gases comprises a cell containing the gas in which a stationary and alternating magnetic fields are propogated. The cell is pumped with light from a source (38) through a light guide (36). Pumping light transmitted by the gas in cell (28) not blocked by nuclear resonance induced by the fields is carried over light guide (24) to an optical analysis device (14) to (22).

Description

Vorrichtung zum Bestimmen der magnetischen KernresonanzDevice for determining nuclear magnetic resonance

Die Erfindung bezieht sich auf die Erzeugung und Bestimmung der magnetischen Kernresonanz und betrifft insbesondere die Anwendung der magnetischen Kernresonanz auf ein Gyroskop.The invention relates to the generation and determination of the magnetic Nuclear resonance and relates in particular to the application of nuclear magnetic resonance on a gyroscope.

Es sind eine Reihe von Vorschlägen bekannt, die sich auf die Ausführung des Grundprinzips eines magnetischen Kernresonanzgyroskops oder kurz NMR-Gyroskops beziehen. Im allgemeinen wird ein über die magnetische Kernresonanz gesteuerter Oszillator verwandt und es wird eine Information über die Rotation aus den Phasen der Signale der Larmor-Präzession des Kernmomentes mittels einer geeigneten Schaltung zum Phasenvergleich und zur Steuerung des Magnetfeldes erhalten.There are a number of known proposals that relate to execution the basic principle of a nuclear magnetic resonance gyroscope, or NMR gyroscope for short relate. In general, one is controlled by nuclear magnetic resonance The oscillator is used and information about the rotation from the phases is obtained the signals of the Larmor precession of the core moment by means of a suitable circuit for phase comparison and control of the magnetic field.

Irci allgemeinen zei£e n diese Vorrichtungen bezeichnende j:ngel, die die Entwicklung eines brauchba-ren Instrumentes begrenzen.Irci general signs of these devices: ngel, which limit the development of a useful instrument.

Beispielsweise sind diesen Vorrichtungen durch die relativ kurzen Relaxationszeiten der verwandt Gase Grenzen gesetzt. Die enge direkte Kopplung zwischen diesen Gasen und dem Licht, das als Einrichtung zur Ausrichtung des magnetischen Moments oder zur Bestimmung des magnetischen Moments verwandt wird, kann gleichfalls sowohl die Relaxationszeiten als auch das Signalrauschvsrhältnis begrenzen und der potentiellen Brauchbarkeit derartiger Instrumente Grenzen setzen.For example, these devices are relatively short There are limits to relaxation times of the related gases. The close direct coupling between these gases and the light that act as a means of aligning the magnetic Moment or to determine the magnetic moment is used, can also limit both the relaxation times and the signal-to-noise ratio and the limit the potential usefulness of such instruments.

Zum Stand der Technik wird im übrigen auf die US-PS 3 103 623 3 103 624, 3 396 329, 3 404 332, 3 500 176, 3 513 381 und 3 729 674 verwiesen.For the rest of the art, reference is made to US Pat. No. 3,103,623,3,103 624, 3,396,329, 3,404,332, 3,500,176, 3,513,381, and 3,729,674.

Durch die Erfindung wird ein auf dem Grundprinzip der magnetischen Kernresonanz, die im folgenden kurz NMR genannt wird, berund Gyroskop geschafIen, das auf dem Prinzip der Feststellung der Trägheitswinkelrotationsgeschwindigkeit oder der Winkelversetzung um eine empfindliche Achse der Vorrichtung in Form einer Verschiebung der Larmorpräzessionsfrequenz oder -phase eines oder mehrerer Isotopen arbeitet, die magnetische Kernmomente aufweisen. Das Gyroskop ist aus einem Sensor für die Winkelrotation und der zugehörigen elektronischen Ausrüstung aufgebaut. Die Hauptelemente des Sensors sind eine Lichtquelle, eine NMR-Zelle, ein Phetodetektor, ein Satz magnetische Abschirmungen und ein Satz von Magnetfeldspulen. Die Hauptbauteile der elektronischen Ausrastung sind Signalverarbeitungsschaltungen zum Gewinnen der Larmorpräzessionsfrequem und der Phaseninformation sowie Schaltungen zum Erzeugen und Steuern verschiedener magnetischer Felder, und zwar sowohl konstanter als auch sich sinusförmig mit der Zeit ändernder Felder, die notwendig sind, damit die Vorrichtung richtig arbeitet.The invention is based on the basic principle of magnetic Nuclear resonance, hereinafter referred to as NMR for short, is created using a gyroscope, that on the principle of finding the inertial angular rotation speed or the angular displacement about a sensitive axis of the device in the form of a Shift in the Larmor precession frequency or phase of one or more isotopes works that have nuclear magnetic moments. The gyroscope is made up of a sensor set up for angular rotation and associated electronic equipment. The main elements of the sensor are a light source, an NMR cell, a phetodetector, a set of magnetic shields and a set of magnetic field coils. The main components The electronic disengagement are signal processing circuits for gaining the Larmor precession convenient and the phase information and circuits for generating and controlling various magnetic fields, both constant and fields that change sinusoidally with time, which are necessary for the device works properly.

Die. t!R-Zelle ist in einem Satz magnetischer Abschirmungen angebracht, um äußere magnetische Felder auf annehmbare niedrige Feldstärken zu dämpfen. Die magnetischen Feldspulen werden dazu benutzt, die NMR-Zelle außerordentlich gleichförmigen magnetischen Feldern auszusetzen. Sowohl ein konstantes Magnetield als >.uch ein Wechselträgerfeld werden längs der empfindlichen Achse der Vorrichtung erzeugt, während Rüskkopplungswchselfelder längs einer der Querachsen ausgebildet werden. Die magnetischen Gieichfelder längs beider Querachsen werden so gesteuert, daß sie im Grunde genommen gleich Null sind. Die Ni4R-Zelle enthält einen Alkalimetalldampf, beispielsweise Rubidium, zusammen mit zwei Isotopen eines oder mehrerer Edelgase, wie Krypton-83 und Xenon-129. Ein Puffergas, wie beispielsweise Helium, kann gleichfalls in der Zelle enthalten sein.The. t! R cell is mounted in a set of magnetic shields, to attenuate external magnetic fields to acceptably low field strengths. the magnetic field coils are used to make the NMR cell extraordinary to expose uniform magnetic fields. Both a constant Magnetield as> .uch an interchangeable carrier field along the sensitive axis of the device generated while alternating feedback fields formed along one of the transverse axes will. The equal magnetic fields along both transverse axes are controlled in such a way that that they are basically zero. The Ni4R cell contains an alkali metal vapor, for example rubidium, together with two isotopes of one or more noble gases, like Krypton-83 and Xenon-129. A buffer gas such as helium can also be used be contained in the cell.

Die NMR-Zelle wird von einem Strahl zirkular polarisierten Lichtes bestrahlt, der von einer Lichtquelle, wie beispielsweise einer Rubidiumlampe, ausgeht und durch die Zelle unter einem Winkel bezüglich des konstanten magnetischen Feldes hindurchgeht. Die Absorption eines Teils dieses Lichtes bewirkt, daß sich die atomaren magnetischen Momente der Rubdiumatome teilweise in der Richtung des konstanten magnetischen Feldes ausrichten. Diese Ausrichtung wird teilweise auf die magnetischen Kernmomente der Edelgase übertragen, und diese Momente werden dazu gebracht, eine Präzessionsbewegung um die Richtung des konstanten magnetischen Feldes auszuführen, was wiederum magnetische Felder erzeugt, die mit den jeweiligen Larmorpräeessionarequenzen der beiden Edelgase rotieren.The NMR cell is powered by a beam of circularly polarized light irradiated, which emanates from a light source such as a rubidium lamp and through the cell at an angle with respect to the constant magnetic field passes through. The absorption of some of this light causes the atomic magnetic moments of rubdium atoms partly in the direction of the constant magnetic Align the field. This alignment is due in part to the nuclear magnetic moments of the noble gases are transmitted, and these moments are caused to cause a precession motion to run the direction of the constant magnetic field, which in turn is magnetic Fields generated with the respective Larmorpräeessionarequenzen of the two noble gases rotate.

Diese rotierenden Felder modulieren die Präzessionsbewegungen der magnetischen Momente der Rubidiumatome,was wiederum entsprechende Modulationen des durchgelassenen Lichtes hervorruft, wodurch es möglich wird, optisch die Larmorpräzessionsfrequenzen der beiden Edelgase zu bestimmen.These rotating fields modulate the precession movements of the magnetic moments of the rubidium atoms, which in turn have corresponding modulations of the caused by transmitted light, which makes it possible to optically use the Larmor precession frequencies of the two noble gases.

Die Modulationen der Lichtintensität werden durch einen Photodetektor in elektrische Signale umgewandelt, die anschliessend elektronisch demoduliert und gefiltert werden, um Signale mit den Larmorpräzessionsfrequenzen der beiden Edelgase zu liefern. Der Unterschieo zwischen den beiden Präzessionsfrequenzen wird dazu benutzt, das konstante magnetische Feld genau so zu steuern, daB es ÕleichD'eiot. sinne der Prazessionsfrequenzen der Edelgase wird mit einer Präzisionsbezugs frequenz verglichen, und der sicke daraus ergebende Frequenzunterschied ist die Winkelrotationsgeschwindigkeit des Gyros kops.The modulations of the light intensity are made by a photodetector converted into electrical signals, which are then electronically demodulated and are filtered to produce signals with the Larmor precession frequencies of the two noble gases to deliver. The difference between the two precession frequencies is used to to control the constant magnetic field in such a way that it equals D'eiot. sense the Precession frequencies of the noble gases are compared with a precision reference frequency, and the resulting frequency difference is the angular rotation speed of the gyroscope.

Die beiden ermittelten Signale der Edelgaspräzession werden gleichfalls dazu benutzt, zwei magnetische Rückkopplungswechselfelder auf den Larmorpräzessionsfrequenzen der Edelgase zu erzeugen, die dafür- verantwortlich sind, daß die Präzession der magnetischen Rernmomente der Edelgase aufrechterhalten wird. Die Verwendung eines magnetischen Wechselträgerfeldes erleichtert die otiscIae Bestimmung der die Präzessionsoewegung ausführenden Edelgasmomente und liefert gleichzeitig eine Möglichkeit der Steuerung der magnetischen Gleichfelder längs der beiden Querachse des Gyroskops.The two determined signals of the noble gas precession are also used to generate two alternating magnetic feedback fields on the Larmor precession frequencies of the noble gases which are responsible for the precession of the magnetic inertia moments of the noble gases is maintained. Using a Magnetic alternating carrier field facilitates the otiscIae determination of the precession movement executing inert gas moments and at the same time provides a possibility of control of the constant magnetic fields along the two transverse axes of the gyroscope.

Das erfindungsgemäße NMR-Gyroskop enthält Einrichtungen zum gleichzeitigen Ausrichten der magentischen Kernmomente von wenigstens zwei Gasen mit Kernmoment, wodurch sie eine Vorrichtung zur Ausrichtung von magnetischen Kernmomenten bildet, eine Einrichtung zum Erreichen einer aufrechterhaltenen Prä zession dieser Momente, wodurch ein magnetischer Kernresonanzoszillator gebildet wird, der andauernde Schwingungen ausführen kann, eine Einrichtung zur optischen Bestimmung dieser eine Präzession ausführenden Kernmomente, wodurch eine Vorrichtung zum Bestimmen der magnetischen Kernresonanz gebildet wird, eine Einrichtung zum genauen Steuern des inneren magnets schen Feldes der Vorrichtung und eine Einrichtung zur genauen Messung der Frequenz oder Phase des ermittelten Signals der Präzession des Kernmomentes von wenigstens einem der Gase mit Kernmoment, um eine Messung der Winkelrotationsgeschwindigkeit oder der Winkelversetzung Jeweiis der Vorrichtung bezüglich des Trägheitsraumes zu liefern, wodurch die Vorrichtung ein .The inventive NMR gyroscope includes devices for simultaneous Alignment of the magnetic nuclear moments of at least two gases with a nuclear moment, whereby it forms a device for aligning nuclear magnetic moments, a device for achieving a sustained precision of these moments, thereby forming a nuclear magnetic resonance oscillator which oscillates continuously can perform a device for the optical determination of this precession executing nuclear moments, creating a device for determining the magnetic Nuclear magnetic resonance is formed, a means for precisely controlling the inner magnet s field of the device and a device for accurate measurement of the frequency or phase of the detected signal of the precession of the core moment of at least one of the gases with nuclear momentum to make a measurement of the angular rotation speed or the angular displacement of the device with respect to the inertial space to deliver, making the device a.

Gyroskop bildet.Gyroscope forms.

Insbesonaere wird ein konstantes Magnetfeld an eine NMR-Zelle gelegt, die in wesentlichen gegenüber anderen konstanten Magnetfeldern abgeschirmt ist. Die NMR-Zelle enthält ein Gas oder den Dampf eines Stoffes, cer ein magnetisches Moment hat, das durch optisches Fumpen ausgerichtet werden kann, zusammen mit einem oder mehreren zusätzlichen Gasen, von denen jedes ein magnetisches Kernmoment aufweist. Die MMR-Zelle wird durch optisches Pumplicht beleuchtet, das einen gerichteten Anteil aufweist, der parallel zur Richtung des stabilen magnetischen Feldes liegt, und das die rlchtige Wellenlänge hat, damit es durch den optisch pumpbaren Stoff absorbiert werden kann und teilweise die magnetischen Momente dieses Stoffes ausricntat. Die Kernmomente der Gase mit Kernmoment werden aQzu gebracht, aaß sie in eine zueinander ausgerichtete Lage en und mit ihren jeweiligen Larmorpräzessionsfreouenzen um die Richtung des konstanten magnetischen Feldes eine Präzessionsbewegung ausführen. Ein magnetisches Wechselfeld mit einer passenden Trägerfrequenz wird gleichfalls an die NMR-Zelle gelegt, und die Zelle wird durch Bestimmungslicht beleuchtet,das einen gerichteten Anteil hat, der senkrecht zur Richtung des magnetischen Wechselträgerfeldes liegt, und das eine Wellenlänge hat, die im wesentlichen gleich der des optischen Pumplichtes ist. Die Intensität des Teils des Bestimmungslichtes, der durch die Zelle durchgelassen wird, ist entsprechend der Gesamtheit der magnetischen Felder, die in der Zelle herrschen, einschließlich der magnetischen Felder, die durch die magnetischen Kernmomente erzeugt werden, die eine Präzessionsbewegung ausführen, moduliert. Diese Modulationen der durchgelassenen Lichtintensität werden von einem Photodetektor aufgenommen, woraufhin sie elektronisch demoduliert werden, um Signale mit den Larmorpräzessionsfreqllenzen der Gase mit Kernmoment zu erhalten.In particular, a constant magnetic field is applied to an NMR cell, which is essentially shielded from other constant magnetic fields. The NMR cell contains a gas or the vapor of a substance, a magnetic one Has moment that can be aligned by optical pumping, along with one or more additional gases, each of which has a nuclear magnetic moment. The MMR cell is illuminated by optical pump light, which has a directed component which is parallel to the direction of the stable magnetic field, and that has the right wavelength for it to absorb through the optically pumpable material can be and partially managed the magnetic moments of this substance. the Nuclear moments of the gases with nuclear moment are brought to aQzu, ate them into one another oriented locations and with their respective Larmor precession frequencies around the Perform a precession movement in the direction of the constant magnetic field. An alternating magnetic field with a suitable carrier frequency is also created placed on the NMR cell, and the cell is illuminated by determination light, the has a directed component that is perpendicular to the direction of the magnetic alternating carrier field and which has a wavelength substantially equal to that of the optical Pump light is. The intensity of the part of the determination light which is caused by the Cell is let through, is according to the totality of the magnetic fields, that prevail in the cell, including the magnetic fields generated by the magnetic nuclear moments are generated, which execute a precession motion, modulated. These modulations of the transmitted light intensity are made by a Photodetector added, whereupon they are electronically demodulated to give signals with the Larmor precession frequencies of the gases with nuclear moment.

Bei einem Ausführungsbeispiel wird die Ausrichtung der magnetischen Kernmomente jedes Gases mit Kernmoment durch Stoß-Wechselwirkungen zwischen den Atomen des optisch pumpbaren Stoff und den Atomen des Gases oder der Gase mit Kernmoment erreicht. Die andauernde Przession der magnetischen Kernmomente jedes Gases riiit Kernmoment wird durch das .Anlegen eines magnetischen Wechselrückkopplungsfeldes mit Larmorpräzessionsfrequenz des Gases mit Kernmoment in eineric':a'tung erreicht, die senkrecht zur Richtung des konstanten magnetischen Feldes liegt. Das magnetische wechselträgerfeld wird mit im wesentlichen der Larmorpräzessiensfrequenz des optisch pumpbaren Stoffes und in einer Richtung erzeugt, die im wesentlichen parallel zur Richtung des konstanten magnetfeldes liegt, wodurch die Vorrichtung ilt höheren Werten der Feldstärke des konstanten magnetischen Feldes und mit entsprechend hvjheren Larmorpräzessionsfrequenzen für die Gase mit Kernmoment arbeiten kann.In one embodiment, the orientation of the magnetic Nuclear moments of every gas with nuclear moment due to collision interactions between the Atoms of the optically pumpable substance and the atoms of the gas or gases with nuclear moment achieved. The constant precession of the nuclear magnetic moments of every gas riiit The core moment is generated by the application of a magnetic alternating feedback field with Larmor precession frequency of the gas with nuclear moment in one which is perpendicular to the direction of the constant magnetic field. The magnetic one The alternating carrier field is essentially the same as the Larmorpräcessiens frequency of the optical pumpable substance and generated in a direction that is substantially parallel to Direction of the constant magnetic field lies, which makes the device ilt higher Values of the field strength of the constant magnetic field and with correspondingly higher Larmor precession frequencies for the gases with nuclear moment can work.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel befindet sich ein optisch pumpbarer Stoff, beispielsweise ein Alkalimetalldampf, in einer NMR-Zelle zusammen mit .ei Edelgasen und werden die magnetischen Kerrimomente der beiden Edelgase gleichzeitig durch Stoßwechselwirkungen zwischen den Atomen des Alkalimetalldampfes und den Atomen der beiden Edelgase ausgerichtet. Bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Alkalimetall Rubidium und sind die Edelgase Krypton-83 und Xenon-129.In a preferred embodiment, there is an optical pumpable substance, for example an alkali metal vapor, in an NMR cell with .ei noble gases and the magnetic Kerrimoments of the two noble gases are simultaneously through collision interactions between the atoms of the alkali metal vapor and the atoms of the two noble gases aligned. In this preferred embodiment of the Invention is the alkali metal rubidium and the noble gases krypton-83 and xenon-129.

Ein anderes Merkmal der Erfindung besteht in der Verwendung wenigstens eines Puffergases in beträchtlichen Mengen in der NMR-Zelle.Another feature of the invention is the use at least of a buffer gas in substantial amounts in the NMR cell.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß durch eine Selbstregelung des Feldes dafür gesorgt wird, daß die Stärke des konstanten Magnetfeldes unverändert bleibt, so daß der Unterschied zwischen den Larmorpräzessionsfrequenzen einen gleichbleibenden vorbestimmten konstanten Wert hat.Another feature of the invention is that by a self-regulation of the field ensures that the strength of the constant magnetic field remains unchanged remains so that the difference between the Larmor precession frequencies has a constant predetermined constant value.

Erfindungsgemäß wird weiterhin eine der Larnorpräzessionsfrequenzen mit einer Präzisionsvergleichsfrequenz verglichen und wird der sich daraus ergebende Frequenzunterschied dazu benutzt, eine 4essung der Winkelversetzung oder der Winkelgeschwindigkeit der Vorrichtung um die Richtung des konstanten magnetischen Feldes zu liefern.According to the invention, one of the Larnor precession frequencies is also used is compared with a precision comparison frequency and becomes the resulting one Frequency difference is used to measure the angular displacement or angular velocity of the device to provide the direction of the constant magnetic field.

Diese und andere Merkmale dar Erfindung werden im folgenden anhand der Beschreibung der Grundarbeitsprinzipien der Erfindung und der detaillierten Beschreibung eines bevorzugten Ausfürungsbeispiels näher erläutert.These and other features of the invention will be hereinafter referred to the description of the basic working principles of the invention and the detailed Description of a preferred exemplary embodiment explained in more detail.

Ziel der Erfino)tmg ist ein NMR-Gyroskop, das Gase mit Kernmoment vawe..Jet, die lange Relaxationszeiten haben.The aim of the Erfino) tmg is an NMR gyroscope, the gases with nuclear moment vawe..Jet who have long relaxation times.

Durch die Erfindung soll weiterhin eine technische Möglichkeit gegeben werden, eine Ausrichtung der magnetischen Kernmomente und eine kernmagnetische Resonanz in diesen Gasen zu erreichen.The invention is also intended to provide a technical possibility an alignment of the nuclear magnetic moments and a nuclear magnetic resonance in these gases.

Die Erfindung soll weiterhin eine technische Möglichkeit zur Bestimmung der Larmorpräzessionsfrequenzen dieser Gase liefern.The invention is also intended to provide a technical way of determining of the Larmor precession frequencies of these gases.

Ziel der Erfindung ist weiterhin eine technische Möglichkeit der Bestimmung und Steuerung der inneren Magnetfeldverhältnis se des Gyroskops.The aim of the invention is also a technical possibility of determination and controlling the internal magnetic field ratios of the gyroscope.

Im folgenden werden die Grundarbeitsprinzipien der erfindungsgemäßen Vorrichtung näher erläutert: Ein NMR-Gyroskop arbeitet auf dem Prinzip der Feststellung der Winkelrotationsgeschwindigkeit in Form einer Verschiebung der Larmorpräzessionsfrequenz einer oder mehrerer Atomkernarten, die magnetische Kernmomente aufweisen.The following are the basic working principles of the invention Device explained in more detail: An NMR gyroscope works on the principle of detection the angular rotation speed in the form of a shift in the Larmor precession frequency one or more types of atomic nucleus that have nuclear magnetic moments.

Viele Isotop, und zwar gewöhnlich diejenigen mit einer ungeradzahligen Atommassezahl, haben ein ihnen eigenes Drehmoment, d.h. einen Spin, der zum Kern gehört. Zusammen mit einem dera-ti-en Kerndrehmoment ist immer ein dazu paralleles magnetisches Moment vorhanden. Das Verhältnis zwischen dem magnetischen Kernmoment und dem Kerndrehmonent ist eine Konstante die das gyromagnetische Verhältnis genannt wird und für jede Isotopenart ein bestimmtes Verhältnis hat.Many isotopes, usually those with an odd number Atomic mass number, have their own torque, i.e. a spin that leads to the nucleus heard. Together with one of these core torques, there is always a parallel to it magnetic moment present. The ratio between the nuclear magnetic moment and the core torque is a constant called the gyromagnetic ratio and has a certain ratio for each type of isotope.

Wenn ein magnetisches Kernmoment in ein magnetisches Feld mit irgendeiner anderen Orientierung als einer zur Richtung des Feldes parallelen Orientierung gebracht wird, dann wird das magnetische Moment eine Präzessionsbewegung um die Richtung des Feldes mit einer Winkelfrequenz lo L ausführen, die die Larmorpräzessionsfrequenz genannt wird und gleich = γ H (1) ist, wobei γ das gyromagnetische Verhältnis und H die magnetische Feldstärke sind. Jedes Isotop hat daher eine charakteristische Larmorpräzessionsfrequenz in einem gegebenen Magnetfeld.When a nuclear magnetic moment in a magnetic field with any other orientation than an orientation parallel to the direction of the field then the magnetic moment becomes a precession motion around the direction of the field with an angular frequency lo L, which is the Larmor precession frequency and is equal to = γ H (1), where γ is the gyromagnetic ratio and H are the magnetic field strength. Each isotope therefore has a characteristic one Larmor precession frequency in a given magnetic field.

Wenn sich ein System, das Atome enthält, die gemeinsam ein eine Präzessionsbewegrng ausführendes magnetisches Moment haben, selbst mit einer Winkelgeschwindigkeit # r r um die Richtung von H dreht, dann werden die beobachteten Präzessionsfrequenzen um einen Betrag gleich der Rotationsfrequenz verschoben, so daß die beobachtete Larmorpräzessionsfrequenz gleich: # = γ H - # r (2) wird. Somit kann eine Messung der beobachteten Larmorfrequenz bs als ein Maß der Rotationsgeschwindigkeit benutzt werden, wenn sowohl als auch H bekannt sind.When there is a system that contains atoms that together form a precession motion have executing magnetic moment, even with an angular velocity # r r rotates about the direction of H, then the observed precession frequencies shifted by an amount equal to the rotational frequency so that the observed Larmor precession frequency equals: # = γ H - # r (2) becomes. Thus, a Measurement of the observed Larmor frequency bs as a measure of the speed of rotation used when both and H are known.

Wenn iz Larmorpräzessionsfrequenzen von zwei Isotopen, von denen jedes einen anderen \ -wert hat, im selben magnetischen Feld gemessen werden, dann kann die Rotationsgeschwindigkeit ohne eine direkte Kenntnis des Wertes des magnetischen Feldes geessen werden. Die Gleichungen für die beiden Isotope sind: #a = γaH - #r #b = γbH - #r wobei ## a und ## b die beobachteten Larmorfrequenzen der beiden Isotope mit den gyromagnetischen Verhältnissen t a und jeweils sind. Eine Auflösung dieser Gleichungen entweder nach ii oder nach ## r lisfert den folgenden usdruck: H = (#a - #b)/(γa - γb) der unabhängig von der Winkelrotationsgeschwindigkeit ## r ist, und der unabhängig von der magnetischen Feldstärke H ist.If iz Larmor precession frequencies of two isotopes, each of which has a different value, are measured in the same magnetic field, then the speed of rotation can be measured without direct knowledge of the value of the magnetic field. The equations for the two isotopes are: #a = γaH - #r #b = γbH - #r where ## a and ## b are the observed Larmor frequencies of the two isotopes with the gyromagnetic ratios ta and respectively. Solving these equations either for ii or for ## r yields the following expression: H = (#a - #b) / (γa - γb) which is independent of the angular rotation speed ## r, and which is independent of the magnetic field strength H.

Bei einem der Ausführungsbeispiele der Erfindung wird dafür gesorgt, daß die Stärke des magnetischen Feldes konstant bleibt, indem das Feld derart gesteuert wird, daß der Frequenzunterschied S a ##b zwischen den beiden beobachteten Larmorpräzessionsfrequenzen immer gleich einer Konstanten ist.In one of the exemplary embodiments of the invention, it is ensured that that the strength of the magnetic field remains constant by controlling the field in such a way becomes that the frequency difference S a ## b between the two observed Larmor precession frequencies is always equal to a constant.

Insbesondere werden zwei Präzisionsbezusfrequenzen ## a' und ## b', die von einer sehr stabilen gemeinsamen Frequenzquelle erhalten werden, so gewählt, daß # a' annähernd gleich γaH und #b' annähernd gleich gbH ist und ihr Verhältnis die folgende Beziehung exakt erfüllt: Die magnetische Feldstärke ist dann derert servogeregelt, daß dar gemessene Frequenzunterschied wischen den beiden beobachteten Larmorpräzessionsfrequenzen immer gleich dem Frequenzunterschied zwischen den beiden Präzisionsvergleichsfrequenzen, d.h. In particular, two precision reference frequencies ## a 'and ## b' obtained from a very stable common frequency source are chosen so that # a 'is approximately equal to γaH and #b' approximately equal to gbH and their ratio exactly satisfies the following relationship : The magnetic field strength is then servo-regulated in such a way that the measured frequency difference between the two observed Larmor precession frequencies always equals the frequency difference between the two precision comparison frequencies, ie

ist. Durch ein Einsetzen der beiden durch die Gleichungen (6) und (7) definierten Bedingungen ergib sich, daß die magnetische Feldstärke gleich d.h. gleich einer Konstanten ist, und daß die Winkelrotationsgeschwindigkeit gleich ist und daher leicht dadurch erhalten werden kann, daß der Unterschied zwischen der einen oder der anderen beobachteten Larmorpräzessionsfrequenz und der zugehörigen Präzisionsvergleichsfrequenz gemessen wird.is. Substituting the two conditions defined by equations (6) and (7), the result is that the magnetic field strength is equal that is, is equal to a constant, and that the angular rotation speed is equal and can therefore easily be obtained by measuring the difference between one or the other observed Larmor precession frequency and the associated precision comparison frequency.

Neben der grundlegenden Erscheinung der Präzession des marnetischen Momente und der mathematischen Grundlage für die automatische Signalverarbeitung, die es erlaubt, eine Information über die ninkelrotationsgeschindigkeit zu messen, wie es oben beschrieben wurde, treten in der Praxis viele andere physikalische Erscheinungen, bei einer AusgeStaltung eines magnetischen Kernresonanzgyroskops ouf. Die beschriebenen physikalischen Effekte sind die Ausrichtung der magnetischen Kernmomente, das Erreichen einer andauernden Präzessionsbewegung dieser Momente und die optische Bestimmung der die Präzessionsbewegung ausführenden Momente, um ein Signal zu liefern, aus dem die Larmorpräzessionsfrequenz bestimmt werden kann.In addition to the basic appearance of the precession of the Marnetic Moments and the mathematical basis for automatic signal processing, which allows information about the speed of rotation of the angle measure up, As described above, many other physical phenomena occur in practice, in the case of a design of a nuclear magnetic resonance gyroscope ouf. The described physical effects are the alignment of the nuclear magnetic moments, the achievement a continuous precession movement of these moments and the optical determination of the moments performing the precession movement in order to deliver a signal which the Larmor precession frequency can be determined.

Die Größe eines einzelnen magnetischen Kernmomentes ist extrem klein, und der natürliche Gleichgewichtszustand besteht darin, daß nahezu eine willkürliche Orientierung der Momente in einer Gesamtheit von Atomen besteht. Es müssen bestimmte technische Maßnahmen getroffen werden, um einen bedeutenden Anteil dieser magnetischen momente in einer Richtung auszurichten, so daß ein makroskonisones magnetisches Moment und daher ein meßbares Signal hervorgebracht wird Das Verfahren, das bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dazu benutzt wird, die magnetischen Kernmomente auszurichten, ist ein zweistufiges Verfahren, das als 'Eu2pen" bezeichnet wird. Zwei Gase mit magnetischem Kernmoment, die bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung Edelgase sind, sind zusammen mit einem Alkalimetalldampf in einer einzigen optisch durchlässigen Zelle kombiniert. Diese Zelle wird mit einem spektral gefilterten zirkular polarisierten Lichtstrahl beleuchtet, der von einer elektrischen Alkalimetalldampfentladungslampe ausgesandt wird. Ein konstantes Magnetfeld wird in einer derartigen Richtung erzeugt, daß ein bedeutender Anteil dieses Feldes parallel zur Richtung des auf die Zelle fallenden Lichtes liegt.The size of a single nuclear magnetic moment is extremely small, and the natural state of equilibrium is that almost an arbitrary one Orientation of the moments in a set of atoms consists. There must be certain Technical measures are taken to keep a significant proportion of this magnetic align moments in one direction, so that a macrosconisones magnetic Moment and therefore a measurable signal is produced The method that is used at an embodiment of the invention is used, the nuclear magnetic moments Aligning is a two-step process known as 'Eu2pen'. Two gases with nuclear magnetic moment, which in a preferred embodiment of the invention are noble gases are in one together with an alkali metal vapor single optically transparent cell combined. This cell is using a spectral filtered circularly polarized light beam illuminated by an electric Alkali metal vapor discharge lamp is emitted. A constant magnetic field becomes generated in such a direction that a significant portion of this field is parallel to the direction of the light falling on the cell.

Die erste Stufe des Pumpens besteht in einen optischen Pumppro zess,bei dem die Atome des Alkalimetalldampfes optisch durch die Absorption eines Teils des einfallenden Lichtes gepumpt werden. Das. führt zu einer Ausrichtung eines bedeutenden Anteils der atomaren magnetischen Momente der lkaliatome in eine Richtung, die parallel zu der des anliegenden konstanten magnetischen Feldes liegt.The first stage of pumping consists of an optical pumping process which the atoms of the alkali metal vapor optically through the absorption some of the incident light can be pumped. That. leads to an alignment a significant proportion of the atomic magnetic moments of the alkali atoms into one Direction parallel to that of the applied constant magnetic field.

Die zweite Stufe des Pumpens besteht ifl einer Spinaustauschpumpvorgang, bei dem ein Teil der Ausrichtung der atomaren magneischen Nomente der Alkaliatome auf die magnetischen Kernmomente der Edelgas atome durch Spinaustauschwechselwirkungen während Stößen zwischen den Alkaliatomen und den Edelgasatomen übertragen wird. Das führt zu einer Ausrichtung eines bedeutenden Anteils der magnetischen Kernmomente der Edelgasatome in eine Richtung, die ?>rallrl zu der ds konstanten magnetischen Feldes liegt.The second stage of pumping consists of a spin exchange pumping process, in which part of the alignment of the atomic magnetic noments of the alkali atoms on the magnetic nuclear moments of the noble gas atoms through spin exchange interactions while collisions are transmitted between the alkali atoms and the noble gas atoms. This leads to an alignment of a significant proportion of the nuclear magnetic moments of the noble gas atoms in a direction that?> rallrl to the ds constant magnetic Field.

Dieser Spinaustauschpumpvorgang ist eine Weiterführung des Verfahrens von Bouchiat, Carver und Varnum, beschrieben in hgs. Review Letters 5, S. 373 (1960). Durch die Erfindung wird dieses Verfahren insbesondere darauf ausgedehnt, daß gleichzeitig die magnetischen Kernmomente von zwei verschiedenen Edelgasisotopen ausgerichtet werden, die in derselben Zelle enthalten sind.This spin exchange pumping process is a continuation of the process by Bouchiat, Carver and Varnum, described in eds. Review Letters 5, p. 373 (1960). The invention extends this method in particular to that simultaneously the nuclear magnetic moments of two different noble gas isotopes aligned contained in the same cell.

Die ausgerichteten magnetischen Momente des Alkaliatomsystems und der beiden Edelgasatomsysteme unterliegen Relaxationsmechanismen, die dazu führen, daß die ausgerichteten Momente exponentiell mit der Zeit in ihren natürlichen Gleichgewichtszustand der statistischen Verteilung zurückkehren. Jedes Momentensystem ist durch eine Relaxationszeitkonstante gekennzeichnet, die von der Art und der Menge aller anderen Bestandteile und von der Gesamtumgebung in der NMR-Zelle abhängt. Die stabile Teilausrichtung jedes Momentensystems ist eine Funktion sowohl der Pumprate als auch der Relaxationszeit für das System, wobei größere Teilausrichtungen und daher größere Signalamplituden dann erreicht werden, wenn die Relaxationszeitn gleichfalls lang sind. Um Relax3tionszeiten zu erreichen, die so lang wie möglich sind, ist eine passende Menge eines Puffergases, beispielsweise Helium oder Stiokstoff, gleichfalls in der Zelle enth.alle<, um die Relaxationseffekte rund der Wechselwirkungen der magnetischen Momente mit den Wänden der Zelle herabzusetzen. Weiterhin werden bestimmte Isotone bestimmter Edelgase als Gase mit einer magnetischen kernmoment aufgrund ihrer langen Relaxationszeiten ausgewählt.The aligned magnetic moments of the alkali atom system and of the two noble gas atomic systems are subject to relaxation mechanisms that lead to that the aligned moments increase exponentially with time in their natural state of equilibrium return to the statistical distribution. Every moment system is by a relaxation time constant characterized by the type and amount of all other ingredients and by depends on the overall environment in the NMR cell. The stable partial alignment of every moment system is a function of both the pumping rate and the relaxation time for the system, where larger partial alignments and therefore larger signal amplitudes then can be achieved if the relaxation times are also long. About relaxation times to achieve as long as possible is a suitable amount of a buffer gas, for example helium or nitrogen, also contained in the cell the relaxation effects around the interactions of the magnetic moments with the Walls of the cell. Furthermore, certain isotones of certain noble gases are produced than gases with a magnetic core moment due to their long relaxation times selected.

Die Präzession der magnetischen Momente der beiden Edelgassysteme wird dadurch in Gang gesetzt und aufrechterhalten,daß zwei magnetische Wechselfelder in einer Richtung erzeugt werden, die senkrecht zu der des anliegenden konstanten magnetischen Feldes verläuft. Diese Felder haben Frequenzen, die gla cn den deweiligen Larmorpräzessionsfrequenzen der beiden Edelgase sind, und werden als magnetische Wechselrückkopplungsfelder insofern bezeichnet, als sie für die Signalrückkopplungsfunktion sorgen, die in jedem Oszillar notwendig ist, um andauernde Schwingungen zu erreichen. Diese Rückkopplungsfelder bewirken, daß die magnetischen onente jedes einzelnen Rdelgass7sfiems aus der Richtung ihrer Anfansausrichtung,die parallel zu der des konstanten magnetischen Feldes liegt, kohärent in eine Ebene gedreht werden, die senkrecht zur Richtung des konstante ten magnetischen Feldes liegt. Die magnetischen Momente jedes Systems führen andauernd eine Präzessionsbe-aegung in dieser Ebene aus, wodurch zwei makroskopische magnetische Momente über das Volumen der NMR-Zelle und somit zwei magnetische Felder erzeugt werden, die in dieser Ebene mit den jeweiligen Larmorpräzessionsfrequenzen der beiden Edelgase rotieren. Um ein Drehmoment auf einen rotierenden Körper auszuüben, ist es erforderlich, daß die Phasen der anliegenden Rückkopplungsfelder um 900 zu den jeweiligen Phasen der präzessierendeli magnetischen Kernmomente verschoben sind.The precession of the magnetic moments of the two noble gas systems is set in motion and maintained by the fact that two alternating magnetic fields can be generated in a direction perpendicular to that of the adjacent constant magnetic field runs. These fields have frequencies that correspond to the respective Larmor precession frequencies of the two noble gases are, and are, called magnetic Alternating feedback fields are referred to as they are used for the signal feedback function that is necessary in every oscillator in order to achieve sustained vibrations. These feedback fields cause the magnetic components of each individual Rdelgass7sfiems from the direction of their initial orientation, which is parallel to that of the constant magnetic field, can be coherently rotated in a plane that perpendicular to the direction of the constant th magnetic field. The magnetic Moments of every system continuously lead a precession movement in this plane out, creating two macroscopic magnetic moments over the volume of the NMR cell and thus two magnetic fields are generated in this plane with the respective Larmor precession frequencies of the two noble gases rotate. To get a torque on To exercise a rotating body, it is necessary that the phases of the adjacent Feedback fields around 900 to the respective phases of the prezessierendeli magnetic Core moments are shifted.

Diese präzessierenden magnetischen Kernmomente werden optisch unter Verwendung einer Methode bestimmt, die von der Magnetomatertschnik stammt, die zuerst von C.Cohen Tannoudji, J.These precessing magnetic nuclear moments are optically underneath Determined using a method that comes from the Magnetomatertschnik that first by C. Cohen Tannoudji, J.

Dupont-Roc, S.Marsch und F. Lalöe (Rev. de Phys.Appl. 5,95 (1970)) entwickelt wurde. Diese Magnetometertechnik arbeitet nach dem Prinzip, daß die Stärke der Absorption des optischen Fumplichtes durchAlkaliatoma in einer NMR-Zelle von der Ausrichtung der magnetischen Momente der einzelnen Alkali atome bezüglich der Richtung des einfallenden Lichtes abhängt.Dupont-Roc, S.Marsch and F. Lalöe (Rev. de Phys. Appl. 5.95 (1970)) was developed. This magnetometer technique works on the principle that the strength the absorption of optical light by alkali atoms in an NMR cell of the alignment of the magnetic moments of the individual alkali atoms with respect to the Direction of incident light depends.

Beide rotierenden Magnetfelder, die durch die beiden Systeme der präzessierenden magnetischen Kernmomente der Edelgasatome erzeugt werden, üben einzeln und gleichzeitig Drehmomente auf die präzessierenden magnetischen Momente der Alkaliatome aus, wodurch diesen Alkalimomenten eine Nutationsbewegung erteilt wird, die ihrerseits die Intensität des durchgelassenen Lichtes moduliert. Die mathematische Beschreibung und die Hauptmerkmale dieses optischen Bestimmungsverfahrens können in der folgenden Weise kurz zusammengefaßt werden: Erfindungsgemäß wird ein sinusförmiges magnetisches Wechselfeld cos# ct, das als magnetisches Trägerfeld bezeichnet wird, an die Zelle gelegt und eswird die Richtung dieses magnetischen Trägerfeldes als z-Achse genommen. Ein konstantes Magnetfeld wird ebenfalls im wesentlichen in Richtung der z-Achse an die Zelle gelegt. Die Anteile aller Magnetfelder, ausschließlich des magnetischen Trägerfeldes, werden mit Hx, Hy und Hz bezeichnet. Das optische Anregungslicht fällt in der x-z-Ebene auf die Zelle und hat Anteile 1x und Iz, die Magnetisierungsanteile Mx und Mz der Alkaliatome erzeugen.Both rotating magnetic fields created by the two systems of precessing magnetic nuclear moments of the noble gas atoms are generated, practice individually and simultaneously Torques on the precessing magnetic moments of the alkali atoms, whereby These alkaline moments are given a nutation movement, which in turn increases the intensity of the transmitted light is modulated. The mathematical description and the main features this optical determination method can be briefly summarized in the following manner be: According to the invention, a sinusoidal alternating magnetic field cos # ct, which is called the magnetic carrier field, is applied to the cell and it becomes the direction of this magnetic carrier field is taken as the z-axis. A constant Magnetic field is also applied to the cell essentially in the direction of the z-axis. The proportions of all magnetic fields, excluding the magnetic carrier field, are denoted by Hx, Hy and Hz. The optical excitation light falls in the x-z plane on the cell and has components 1x and Iz, the magnetization components Mx and Mz of Generate alkali atoms.

Es kann gezeigt werden, daß unter den folgenden Magnetfeldverhältnissen: |Hz - (n# /γ) | « 1/γ# (10) wobei K das gyromagnetische Verhältnis für das Alkaliatom, # die gesamte Relaxationszeit der alkaliatome unter dem Einfluß der Lichtabsorption und der Relaxationsprozesse, #c die Frequenz des magnetischen Trägerfeldes und n eine ganze Zh1 ist, der x-anteil der durchgelassenen Lichtintensität Itx (ohne einen konstanten Ausdruck beschrieben werden kann als: wobei k eine Konstante und sowie Jn und Jn+ jeweils sessel Funktionen der n-ten und n+p-ten Ordnung mit demselben Argument γ H1/; c sind, während H1 und bs c die Amplitude und die Frequenz des magnetischen Trägerfeldes jeweils bezeichnen.It can be shown that under the following magnetic field conditions: | Hz - (n # / γ) | «1 / γ # (10) where K is the gyromagnetic ratio for the alkali atom, # the total relaxation time of the alkali atoms under the influence of light absorption and the relaxation processes, #c the frequency of the magnetic carrier field and n is a whole Zh1, the x component the transmitted light intensity Itx (without a constant expression can be described as: where k is a constant and as well as Jn and Jn + sessel functions of the n-th and n + p-th order with the same argument γ H1 /; c, while H1 and bs c denote the amplitude and the frequency of the magnetic carrier field, respectively.

Im folgenden werden einige für die vorliegende Erfindung relevante Aspekte der Gleichung (11) angeführt: (a) Der X-Anteil der durchgelassenen Lichtintensität ItX besteht aus einer Summe von Harmonischen der Trägerfrequenz # (b) Das In-Phase-Ansprechen (cos p çct) erfolgt linear mit dem Feld Hy für kleine Werte von Hy (c) Das um 900 phasenverschobene Ansprechen (sin p# ct) erfolgt linear mit dem Feld Hx für kleine Werte von Hx.The following are some relevant to the present invention Aspects of equation (11) listed: (a) The X component of the transmitted light intensity ItX consists of a sum of harmonics of the carrier frequency # (b) The in-phase response (cos p çct) occurs linearly with the field Hy for small values of Hy (c) Das around 900 phase-shifted response (sin p # ct) occurs linearly with the field Hx for small Values of Hx.

(d) Es kSnn dafür gesorgt werden, daß der Anteil der durchgelassenen Lichtintensität linear entweder mit Hx allein oder mit Lly allein verläuft, indem eine bestimmte Amplitude für das magnetische Trägerfeld H1 gewählt wird, so daß entweder J + oder J jeweils gleich Null ist.(d) It can be ensured that the proportion of Light intensity is linear either with Hx alone or with Lly alone by a certain amplitude is chosen for the magnetic carrier field H1, so that either J + or J is each zero.

(e) Der Verlauf des x-Anteils der durchgelassenen Lichtiniensität in Abhängigkeit entweder vom magnetischen Feldanteil Hx oder Hy ist proportional dem Produkt des x-Anteils des einfallenden Lichtes und des z-Anteils der l'iagnetisierung IxinIz. Der einfallende Lichtstrahl muß daher Anteile sowohl in der Richtung als auch in der z-Richtung haben.(e) The course of the x-part of the transmitted light intensity depending on either the magnetic field component Hx or Hy is proportional the product of the x-part of the incident light and the z-part of the diagnosis IxinIz. The incident light beam must therefore share both in the direction and also have in the z-direction.

(f) Aufgrund der Bedingungen, die den magnetischen Feldern auflegt sind, wie es durch die Gleichung (10) für den Fall n f 0 definiert ist, muß das konstante magnetische Feld im wesentlichen in z-Richtung angelegt werden und die Präzession der Kernmomente muß im wesentlichen in der x-y-Ebene auftreten. Diese präzessierenden Momente erzeugen insbesondere ein makroskopisches magnetisches Feld, das mit der Larmorpräzessionsfrequenz rotiert und eine Amplitude hat, die proportional der Teilausrichtung der magnetischen Kernmomente ist. Dieses rotierende magnetische Feld ist für einen Ausdruck im x-Anteil der durchgelassenen Lichtintensität verantwortlich, der auf den y-Achsenanteil dieses Feldes zurückzuführen ist, nämlich: wobei ha die Amplitude dieses rotierenden magnetischen Feldes und # a die Larmorpräzessionsfrequenz des Gases mit Kernmoment sind. Dieser Ausdruck wird dazu verwandt, bei dieses Ausführungsbeispiel der Erfindung die Larmorpräzessionsfrequenzen der Kerne zu ermitteln. Die vorhergehende Analyse ist für konstante Magnetfelder und auch für sichlangsan ändernde Felder einschLießlich des oben beschriebenen rotierenden Magnetfeldes insbesondere unter der Voraussetzung gültig, daß die Bedingung #@T@ erfüllt ist.(f) Due to the conditions imposed on the magnetic fields, as defined by equation (10) for the case nf 0, the constant magnetic field must be applied essentially in the z-direction and the precession of the nuclear moments must im occur essentially in the xy plane. In particular, these precessing moments generate a macroscopic magnetic field that rotates with the Larmor precession frequency and has an amplitude that is proportional to the partial alignment of the nuclear magnetic moments. This rotating magnetic field is responsible for an expression in the x-part of the transmitted light intensity, which can be traced back to the y-axis part of this field, namely: where ha is the amplitude of this rotating magnetic field and # a is the Larmor precession frequency of the gas with nuclear moment. This expression is used to determine the Larmor precession frequencies of the nuclei in this exemplary embodiment of the invention. The preceding analysis is valid for constant magnetic fields and also for fields that change slowly, including the rotating magnetic field described above, in particular provided that the condition # @ T @ is fulfilled.

(«) Die Einflüsse der konstanten Magnetfeldanteile Hx und Hy kömnen. separat aus den Modulationen der Lichtintensität bestimmt werden, was es moglich macht, unabhängig diese Feldanteile zu messen oder zu steuern.(«) The influences of the constant magnetic field components Hx and Hy can. separately from the modulations of light intensity can be determined what it is possible makes it possible to measure or control these field components independently.

Ein besonders bevorzugter Gedanke der Erfindung besteht in einem magnetischen Kernresonanzgyroskop, das auf dem Prinzip der Feststelhmg der Winkelrotationsgeschwindigkeit als Verschiebung der Larmorfrequenz einer oder mehrerer Kernarten basiert, die magnetische Kernmomente besitzen.A particularly preferred idea of the invention consists in a magnetic one Nuclear magnetic resonance gyroscope based on the principle of determining the angular rotation speed based as a shift in the Larmor frequency of one or more types of nucleus, the magnetic Have core moments.

Im folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnung bevorzugte Ausführungsbeispiele der erfindung näher erläutert: Fig. 1 zeigt in einer Schnittansicht die räumlich-körperliche Anordnung der Bauelemente der tRR-Gyrosensorvorrichtung.Preferred exemplary embodiments are described below with reference to the accompanying drawings the invention explained in more detail: Fig. 1 shows a sectional view of the spatial-physical Arrangement of the components of the tRR gyro sensor device.

Fig. 2 zeigt in einer perspektivischen Ansicht die Ausbildung der Magnetfeldspulen, die einen Teil der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung bilden.Fig. 2 shows in a perspective view the formation of the Magnetic field coils which form part of the device shown in FIG.

Fig. 3 zeigt schematisch das Verfahren des optischen Pumpens und der Modulation der Intensität des Lichtes, das durch die 1R-'Zelle durchgelassen wird.Fig. 3 shows schematically the method of optical pumping and the Modulation of the intensity of the light transmitted through the 1R cell.

Fig. 4 zeigt in einem Blockschaltbild den funktionellen Aufbau der Elektronik eines NMR-Gyroskops.Fig. 4 shows in a block diagram the functional structure of the Electronics of an NMR gyroscope.

Fig. 5 zeigt schematisch ein alternatives Ausführungsbei spiel einer N'i4R-Gyrosensorvorrichtung und dient gleichzeitig zur Darstellung des Aufbaus einer Versuchsvorrichtung.Fig. 5 shows schematically an alternative Ausführungsbei game one N'i4R gyro sensor device and serves at the same time to display the structure of a Experimental device.

Wie es in Fig. 1, die eine Schnittansicht der körperlichräumlichen Anordnung der Bauelemente einer NMR-Gyrovorrichtung zeigt, dargestellt ist, wird eine Rubidium-Dampflampe 10, die von einer hochirequenten Energiequelle erregt wird, dazu verwandt, Licht auszusenden, das die Spektrallirien von Rubidium enthält. Diese Lampe ist im Aufbau ähnlich der in Rv.Sci.Instr.32, 688 (1961) beschriebenen. Die Lampe 10 ist in einem Gehäuse 12 aufgenommen, das dazu verwandt wird, die Lampe auf einer für die maximale Lichtemission zweckmäßigen erhöhten Ternperatur zu halten. Das Licht geht über eine Glaskondensorlinse 14 und durch eine Fresnel'sche Kollimatorlinse 16 aus Kunststoff, bevor das Licht durch ein optisches Interferenzfilter 18 geht. Dieses Filter ist so ausgebildet, daß es den größten Teil des Lichts mit einer Wellenlänge von 794,7 Nanometern von einer Spektrallinie des Rubidiums durchläßt, während es den größten Teil des Lichtes mit einer Wellenlänge von 780,0 Nanometer von der benachbarten SpeXtrallinie blockiert. Das gefilterte Licht geht durch eine zweite Fresnel'sche Kollimatorlinse 20, wird in einem Prisma 22 so reflektiert, daß es seine Richtung ändert und konvergiert am Ende eines optischen Eingangsfaserbündels 24. Dieses optische Faserbündel überträgt das Licht anschließerid zur Mitte der Vorrichtung und beschreibt einen Bogen, so daß das Licht das Ende 15 des Bündels 24 mit einem Hauptwinkel von etwa 450 relativ zur Vertikalrichtung verläßt, wie es in der Zeichnung dargestellt ist. Die in der Zeichnung dargestellte vertikale Achse wird als z-Achse bezeichnet. Die x-Achse ist so definiert, daß sie in der Zeichnung nach links zeigt.As it is in Fig. 1, which is a sectional view of the physico-spatial Shows the arrangement of the components of an NMR gyro device is shown a rubidium vapor lamp 10, which is excited by a high-frequency energy source, related to emitting light containing the spectral irises of rubidium. These The lamp is similar in structure to that described in Rv.Sci.Instr. 32, 688 (1961). the Lamp 10 is received in a housing 12 which is used to hold the lamp to keep at an appropriate elevated temperature for maximum light emission. The light passes through a glass condenser lens 14 and through a Fresnel collimator lens 16 made of plastic before the light passes through an optical interference filter 18. This filter is designed so that it absorbs most of the light with one wavelength of 794.7 nanometers from a spectral line of rubidium passes while it most of the light with a wavelength of 780.0 nanometers from the neighboring one SpeXtral line blocked. The filtered light goes through a second Fresnel Collimator lens 20, is reflected in a prism 22 so that it is its direction changes and converges at the end of an input optical fiber bundle 24. This optical The fiber bundle then transmits the light to the center of the device and describes it an arc so that the light hits the end 15 of the bundle 24 at a major angle of about 450 relative to the vertical direction, as shown in the drawing is. The vertical axis shown in the drawing is referred to as the z-axis. The x-axis is defined so that it points to the left in the drawing.

Fig. 1 zeigt somit eine Schnittansicht in der x-z-Ebene. Das Licht, das das Bündel verläuft, geht durch einen Zirkularpolarisator 26 und tritt in die NMR-Zelle 28 ein.Fig. 1 thus shows a sectional view in the x-z plane. The light, that the beam passes, passes through a circular polarizer 26 and enters the NMR cell 28 a.

Die NMR-Zelle 28 besteht aus einem dicht verschlossenen, optisch durchlässigen zylindrischen Gehäuse aus Glas, das eine geringe Menge von durch das Isotop ubidium-87 angereichertem Rudibium-l4etall, annähernd 0,5 torr eines mit Xenon-129 angernichertem Xenongases, annähernd 20 torr eines mit Krypton-83 angereicherten Kryptongases und ein Puffergas enthält, das ent.eder as 400 torr Heliu-i--4 oder entweder 100 torr Sticstoff besteht. Diese Stoffe werden in der angegebenen Reihenfolge in die Zelle eingebracht, während die Zelle an einer Vakuumabfüllstation angebracht ist, woraufhin die Zelle dicht verschlossen wird.The NMR cell 28 consists of a tightly sealed, optically transparent cylindrical glass case containing a small amount of the isotope ubidium-87 enriched Rudibium-14 metal, approximately 0.5 torr of one with Xenon-129 enriched xenon gas, approximately 20 torr of that enriched with krypton-83 Contains krypton gas and a buffer gas, either as 400 torr Heliu-i - 4 or consists of either 100 torr of nitrogen. These substances are in the order given placed in the cell while the cell is attached to a vacuum filling station after which the cell is sealed tightly.

Die Zelle 23 wird in einem temperaturgesteuerten Aluminiumoxid 30 angeordnet, der erhitzt und über ein Widerstar.dsbarsdheizgerät 32 gesteuert wird, das eine hochfrequente Energiequelle verwendet. Der Ofen wird auf einer Temperatur von etwa 650C gehalten, bei der annähernd die Hälfte des in die Zelle 28 eintretenden Lichtes absorbiert wird. Der größte Teil des Licntees, das In der Zelle 28 nicht absorbiert wird, tritt in ein optisches usgangsfaserbündel 36 ein und geht durch eine Linse 33 zu einem Silizium-Photodetektor 40. Die in der Zeichnung dargestellten anderen Bauteile sind der Aufbau der magnetischen Feldspulen 34, der mehr im einzelnen im folgenden anhand von Fig. 2 beschrieben wird, eine Gruppe aus mehreren Schichten einer magnetischen Abschirmung 42, die so ausgebildet ist, daß sie den Einfluß äußerer Magnetfelder dämpft, und eine Haltekonstruktion 44.The cell 23 is in a temperature controlled aluminum oxide 30 arranged, which is heated and controlled via a Widerstar.dsbarsdheizgerät 32, that uses a high frequency energy source. The oven is on a temperature of about 650C at which approximately half of that entering cell 28 Light is absorbed. Most of the Licntees that were not in cell 28 is absorbed, enters an output optical fiber bundle 36 and passes through a lens 33 to a silicon photodetector 40. Those shown in the drawing other components are the structure of the magnetic field coils 34, which is in more detail will be described below with reference to Fig. 2, a group of several layers a magnetic shield 42 which is designed so that they the influence of the outside Magnetic fields attenuates, and a support structure 44.

Der Aufbau 34 der magnetischen Feldspulen besteht aus einer zylindrischen Spulenform aus einem bearbeitbaren Glas ("MACOR" von Corning), in deren Außenfläche Rillen geschnitten sind, in die anschließend Drähte eingelegt sind, um magnetische Feldspulen zu bilden.The structure 34 of the magnetic field coils consists of a cylindrical Coil shape made of machinable glass ("MACOR" from Corning), in the outer surface Grooves are cut into which wires are then inserted to make magnetic Form field coils.

Fig. 2 zeigt in einer perspektivischen Ansicht den Aufbau der magnetischen Feldspulen, die einen Teil der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung bilden. Fig. 2A zeigt die Spulenform 34' und die Hauptspulerwicklungen 50 in Solenoidform, die ein Magnetfeld erzeugen, das parallel zur Achse des Zylinders verlallft, die als z-Achse bezeichnet ist. Zusätzliche Spulenwicklungen 52 an den inden dr Spulenform werden dazu verwandt, die räumliche Gleichförmigkeit des magnetischen Feldes zu asermessen. Die Spulenwicklungen 52 sind mit den Spulenwicklungen 50 vermischt. Die Kombnnation der Wicklungen 50 und 52 wird im folgenden als die z-Achsenfeldspulen bezeichnet.Fig. 2 shows a perspective view of the structure of the magnetic Field coils which form part of the device shown in FIG. Fig. 2A shows the coil form 34 'and main coil windings 50 in solenoid form, the a Generate a magnetic field that runs parallel to the axis of the cylinder, which is designated as the z-axis. Additional coil windings 52 on the inden dr Coil shape are used to ensure the spatial uniformity of the magnetic To measure the field. The coil windings 52 are mixed with the coil windings 50. The combination of windings 50 and 52 is hereinafter referred to as the z-axis field coils designated.

Fig. 2B zeigt dieselbe Spulenform 34' und zwei zusätzliche SpulenDaare, die Magnetfelder längs zweier Achsen erzeugen, die senkrecht zueinander und senkrecht zur Achse des Zylinders verlaufen. Das Spulenpaar 54 liefert ein magnetisches Feld längs der x-Achse, und das Spulenpaar 56, von dem nur ein Element in der Zeichnung dargestellt ist, lieert ein Magnetfeld längs der Achse.Fig. 2B shows the same coil shape 34 'and two additional coil pairs, which generate magnetic fields along two axes that are perpendicular to each other and perpendicular run to the axis of the cylinder. The coil pair 54 provides a magnetic field along the x-axis, and the coil pair 56, only one of which is shown in the drawing shown provides a magnetic field along the axis.

Fig. ) zeigt in einem schematischen Diagramm tür jedes der Edelgase den Vorgang des optischen Pumpens und der iloaulation der Intensität des Lichtes, das durch die NMR-Zelle hindurchgeht. Da diese Vorgänge für die beiden Edelgase sehr ähnlich sind, werden sie nur für eines der beiden Edelgase dargestellt und beschrieben. Insbesondere sind sie für den Fall n = 1 gultig, wobei n eine Größe ist, wie sie in den Gleichungen (11) und (12) verwandt wird. Das zirkular polarisierte Licht, das in die NMR-Zelle 28' eintritt, weist einen Anteil 64 längs der z-Achse auf, der als optisches Pumplicht bezeichnet wird, sowie einen Anteil 66 längs der x-Achse, der als Bestimmungslicht bezeichnet wird. Durch die Wechselwirkung des optischen Pumplichtes 64 und des konstanten magnetischen Feldes 68 werden die magnetischen Momente der Rubidlum-Atome 60 vorzugsweise in der z-Richtung ausgerichtet. Durch zwischenatomare Stöße wird diese Ausrichtung der magnetischen Momente von den Rubidiumatomen 60 auf die Kerne der Edelgasatome 62 übertragen.Fig.) Shows a schematic diagram for each of the noble gases the process of optical pumping and the iloaulation of the intensity of the light, that passes through the NMR cell. Since these processes for the two noble gases are very similar, they are only shown for one of the two noble gases and described. In particular, they are valid for the case n = 1, where n is a quantity is as used in equations (11) and (12). The circularly polarized Light entering the NMR cell 28 'has a portion 64 along the z-axis on, which is referred to as the optical pump light, and a portion 66 along the x-axis, which is referred to as the determination light. Due to the interaction of the optical pump light 64 and the constant magnetic field 68 become the magnetic Moments of the Rubidlum atoms 60 are preferably aligned in the z-direction. By interatomic collisions will be this alignment of the magnetic moments of the rubidium atoms 60 transferred to the nuclei of the noble gas atoms 62.

Ein sinusförmiges magnetisches Wechselrückopplungsfeld 70, das in seiner Frequenz und phase an die Larmorpräzessionsfrequenz der magnetischen Momente der Kerne 52 der Edelgasatome angepaßt ist wird in x-Richtung erzeugt und dient dazu,die magnetischen Momente dieser Kenne in die x-y-Ebene zu drehen. Diese magnetischen Momente der Kerne der Edelgasatome präzessieren dann in der x-y-Ebane mit der Larmorpräzessionsfrequenz # a a des Edelgases um das konstante magnetische Feld 68. Diese präzessierendrn magnetischen Kernmomente erzeugen ein magnetisches Feld der Kernpräzession mit einer Stärke ha, das in der x-y-bene rotiert und das daher einen Anteil in der y-Richtung hat, der gleich ha cos(-at ist.A sinusoidal alternating magnetic feedback field 70, the in its frequency and phase to the Larmor precession frequency of the magnetic moments the cores 52 of the noble gas atoms is adapted is generated in the x-direction and is used to rotate the magnetic moments of these Kenne in the x-y-plane. These magnetic Moments of the nuclei of the noble gas atoms then precess in the x-y plane with the Larmor precession frequency # a a of the noble gas around the constant magnetic field 68. This precessingrn nuclear magnetic moments create a magnetic field of nuclear precession with a Strength ha, which rotates in the x-y-plane and therefore has a part in the y-direction which is equal to ha cos (-at.

Das Bestimmungslicht 60 tritt in Wechselwirkung mit den Ruboiumatomen 60, die unter dem Einfluß des konstanten Magnetfeldes 68, einem überlagerten magnetischen Wechselträgerfeld 69 und dem y-Anteil des Felder ha der Kernpräzession steht. Diese tiechsel wirkung bewirkt, daß die intensität des x-Anteils des durchselassenen Lichtes 72 auf die Trägerfrequenz wwc mit einer Modulationshüllkurve 74 mit der Frequenz der Kernpräzession e aufmoduliert wird.Diese Lichtmodulationen werden anschliessend durch den Silizium-Photodetektor 40' in elektrische Signale umgewandelt.The determination light 60 interacts with the ruboium atoms 60, under the influence of the constant magnetic field 68, a superimposed magnetic Alternating carrier field 69 and the y-component of the field ha of the core precession. These Tiechsel effect causes the intensity of the x-part of the transmitted light 72 to the carrier frequency wwc with a modulation envelope 74 with the frequency The core precession e is modulated. These light modulations are then converted into electrical signals by the silicon photodetector 40 '.

Wie es in Fig. 4 dargestellt ist, die in einem Blockschaltbild den funktionellen Aufbau der Elektronik eines NMR-Gvroskope zeigt, tritt das Licht von der Lichtquelle 10 durch die Eingangsoptik 82 in die Vorrichtung ein und geht durch die NMR-Zelle 28. Die Eingangsoptik 82 umfaßt die Elemente 14 bis 26, wie es oben beschrieben wurde. Das Licht, das nicht absorbiert wird und das in seiner Intensität moduliert ist,.wie es im Obigen anhand von Fig. 3 beschrieben wurde, wird über die Ausgangsoptik 86 auf den Photodetektor 40 übertragen, wo die Modulationen der Lichtintensität in ein elektrisches Signal 89 umgewandelt werden. Die Susgangsoptik 86 umfaßt die Elemente 36 und 38, wie es oben beschrieben wurde. Das Signal 89 wird zuerst verstärkt und darin synchron in zwei getrennten Arbeitsvorgängen in einem Trägersignaldetektor demoduliert, um Ssteuersignale für die magnetischen Fel der längs der x-Achse und der y-Achse zu erzeugen.As shown in Fig. 4, the in a block diagram shows the functional design of the electronics of an NMR Gvroscope, the light emerges from of the light source 10 enters the device through the input optics 82 and passes through the NMR cell 28. The input optics 82 includes elements 14-26 as above has been described. The light that is not absorbed and that in its intensity is modulated, as was described above with reference to FIG. 3, is via the Output optics 86 are transmitted to the photodetector 40, where the modulations of the light intensity can be converted into an electrical signal 89. The Susgangsoptik 86 includes the Elements 36 and 38 as described above became. The signal 89 is first reinforced and then synchronized in two separate work processes in a carrier signal detector demodulated to generate control signals for the magnetic field along the x-axis and the y-axis.

Ein Gleichspannungssignal 93 zum Steuern des magnetischen Gleichfeldes längs der y-Achse wird durch ein synchrones Demodulieren des Signales 39 unter Verwendung eines sinusförmigen Bezugssirgnals mit einer Frequenz f'c c erzeugt, das von einer quarzgesteuerten Präzisionsbezugsfrequenzquelle 92 abgeleitet wird. Die Frequenz und Phase des sinusförmigen Signals von der Quelle 92 sind gleich der Frequenz und Phase des anliegenden magnetischen Wechselträgerfeldes. Die Amplitude des Gleichspannungssteuersignals 93 ist proportional der mittleren Amplitude des Anteils der Modulationen der Lichtintensität auf der i'rHerfreTuenz, der sich in Phase mit de. anliegenden riasnetischen Wechselträgerfeld befindet. Anhand von Gleichung (11) ist ersichtlich, daß dieses Gleichspannungssignal 93 gleichfalls proportional dem Mittelwert des magnetischen Feldes längs der y-Achse ist. Das Gleichspannungssteuersignal 93 wird am Punkt 95 mit einem zusätzlichen konstanten Gleichspannungssignal 94 addiert, das von einer Gleichspannungsquelle 95 erzeugt wird, und das sich aus dieser Addition ergebende Signal wird dazu benutzt, den gesamten Gleichstrom für die Spule 56 für das magnetische Feld längs der y-chse zu liefern.A DC voltage signal 93 for controlling the DC magnetic field along the y-axis is made by synchronously demodulating the signal 39 using of a sinusoidal reference signal with a frequency f'c c generated by a quartz-controlled precision reference frequency source 92 is derived. The frequency and phase of the sinusoidal signal from source 92 are equal to frequency and Phase of the applied alternating magnetic carrier field. The amplitude of the DC voltage control signal 93 is proportional to the mean amplitude of the portion of the modulations of the light intensity on the i'rHerfreTuenz, who is in phase with de. adjacent riasnetic interchangeable carrier field is located. It can be seen from equation (11) that this DC voltage signal 93 also proportional to the mean value of the magnetic field along the y-axis is. The DC voltage control signal 93 is at point 95 with an additional constant DC voltage signal 94 added from a DC voltage source 95 is generated, and the signal resulting from this addition is used to the total direct current for the coil 56 for the magnetic field along the y-axis to deliver.

Das magnetische Gleichfeld längs der Achse wird dabei so gesteuert, daß die Amplitude des Gleichspannungs signals 93 nahe gleich Null bleibt, was zu eie Betrieb mit unterdrücktem Träger führt. In dieser Weise werden Änderungen des magnetischen Feldes längs der Achse wahrgenonimen und korrigiert, um die Trägerunterdrückung aufrechtzuerhalten.The constant magnetic field along the axis is controlled in such a way that that the amplitude of the DC voltage signal 93 remains close to zero, which leads to an operation with a suppressed carrier. In this way, changes to the magnetic field perceived along the axis and corrected for carrier suppression maintain.

In ähnlicher Weise wird ein Gleichspannungssignal 104 zum Steuern des Gleichfeldanteils des magnetischen Feldes längs der Achse dadurch erzeugt, d¢.ß synchron das Signal 89 unter Ver.vendzng eines sinusförmigen Bezugsslgnals mit einer Frequenz 2f'c demoduliert wird, das von einer quarzgesteuerten Präzsionsbezugsfrequenzquelle 102 abgeleitet wird. Die Phase des Bezugssignals mit einer Frequenz von 2f'c, das durch die Quelle 102 erzeugt wird, ist um g30 bezüglich der Phase des Bezugssignals mit einer Frequenz f'c c verschoben, das durch die Quelle 92 erzeugt wird. Die Amplitude des Gleichspannungssteuersignals 104 ist proportional dem Mittelwert des magnetischen Feldes längs der x-Achse. Das Gleichspamnungssteuersignal 104 wird am Punkt 107 mit einem zusätzlichen konstanten Gleichspannungssignal 106 summiert, das in der Gleichspannungsenergieversorgung 96 erzeugt wird,und das sich daraus ergebende Signal wird dazu benutzt, den gesamten Gleichstrom für die Spule 54 für das magnetische Feld längs der x-Achse zu liefern.Similarly, a DC voltage signal 104 is used for control of the constant field component of the magnetic field along the axis is generated by d ¢ .ß synchronously the signal 89 below Use of a sinusoidal reference signal is demodulated with a frequency 2f'c, which is from a crystal controlled precision reference frequency source 102 is derived. The phase of the reference signal with a frequency of 2f'c, the generated by source 102 is around g30 with respect to the phase of the reference signal shifted at a frequency f'c c generated by source 92. The amplitude of the DC voltage control signal 104 is proportional to the mean value of the magnetic Field along the x-axis. The DC control signal 104 is at point 107 summed with an additional constant DC voltage signal 106, which is in the DC power supply 96 is generated, and the resulting signal is used to supply all of the direct current for coil 54 for the magnetic Field along the x-axis.

In dieser Weise wird der Wert des Gleichfeldanteils des. magtischen Feldes der Achse so gesteuert, daß er im -^wesentlichen gleich Null ist.In this way, the value of the constant field component of the Field of the axis controlled so that it is - ^ substantially equal to zero.

Zusätzlich zum Gleichspannungssignal 93, das aus der synchronen Demodulation bei der Frequenz f'c c im Trägersignaldetektor 90 resultiert, gibt es Wechselspannungssignale 109, die prO-portional zu den Wechselfeldanteilen des Magnetfeldes der y-Achse sind. Von besonderem Interesse sind die Modulationen mit den Larmorkernpräzessionsfrequenzen. Diese Signale werden mit einer Trennschaltung 110 für das Kernpräzessionssignal getrennt und gefiltert, um ein Signal 112 mit der Präzessionsfrequenz g von Xenon-129 mit etwa 135 Hz, ein Signal 114 mit der Präzessionsfrequenz 9 von Krypton-83 mit etwa 19 Hz und ein Signal 116 mit dem Frequenzunterschied f - fb von etwa 116 Hz zu gewinnen. Die angegebenen Werte für die Larnorkernpräzessionsfrequenzen gelten für ein konstantes magnetisches Feld längs der z-Achse mit einer Stärke von 0,114 Gauss, das bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung verwandt wird.In addition to the DC voltage signal 93 resulting from the synchronous demodulation at the frequency f'c c results in the carrier signal detector 90, there are alternating voltage signals 109, which are proportional to the alternating field components of the magnetic field of the y-axis. The modulations with the Larmor core precession frequencies are of particular interest. These signals are processed with a separation circuit 110 for the core precession signal separated and filtered to produce a signal 112 with the precession frequency g of xenon-129 with about 135 Hz, a signal 114 with the precession frequency 9 of Krypton-83 with about 19 Hz and a signal 116 with the frequency difference f - fb of about 116 Hz to win. The specified values for the Larnor core precession frequencies apply for a constant magnetic field along the z-axis with a strength of 0.114 Gauss, which is used in the preferred embodiment of the invention.

Ein gleichspannungssignal 122 zum Steuern des Gleichfeldanteils des magnetischen Feldesder z-Achse wird dadurch erzeugt, daß der Präzessionsfrequenzunterschied fa - fb 116 in einer Frequenzkomparator 11£9 mit einer Bezugsfrequenz ta,- - fb' verglichen wird, die von der quarzgesteuerten Präzisionsbezugsfrequenzquelle 120 erzeugt wird. Irgeruein Phasenunterschied zwischen den Signalen 116 und 120 erzeugt ein Gleichspannungssteuersignal 122, das am Punkt 123 mit einem zusätzlichen konstanten G1eichsannungssignal 126 summiert wird, das in der Gleichspannungsenergieversorgung 95 erzeugt wird,und das sich daraus ergebende Signal 125 wird dazu benutzt, den gesamten Gleichstrom für die magnetische Feldspule 124 der z-Achse zu liefern, die die Spulen 50 und 52 umfaßt. In dieser Weise wird der Wert des Gleichfeldanteils des magnetischen Feldes der z-Achse so gesteuert, daß er gleich einem bestimmten konstanten 'ier-t ist, dr durch die Gleichung (s) gegeben ist.A DC voltage signal 122 for controlling the DC field component of the z-axis magnetic field is generated by the precession frequency difference fa - fb 116 in a frequency comparator 11 £ 9 with a reference frequency ta, - - fb ' that is compared to that from the crystal controlled precision reference frequency source 120 is produced. A phase difference between signals 116 and 120 is incorrectly generated a DC voltage control signal 122, which at point 123 with an additional constant Equal voltage signal 126 is summed in the DC power supply 95 is generated and the resulting signal 125 is used to generate the supply all DC current for the z-axis magnetic field coil 124, the includes coils 50 and 52. In this way, the value of the constant field component of the magnetic field of the z-axis controlled so that it is equal to a certain constant 'ier-t, dr is given by equation (s).

Ein sinusförmiger Wechselstrom 128, der durch die Trägerfeldversorgung 130 erzeugt wird, liegt gleionfalls an der magnetischen Feldspule 124 für die z-Achse, um ein magnetisches Wechselträgerfeld zu erzeugen. Der Trägerwechselstrom 128 wird am Punkt 127 mit dem Gleichspannungsstrom 125 summiert und der sich daraus ergebende Strom ist der Gesamtstrom, der der magnetischen Feldspule 124 für die z-Achse geliefert wird. Der sinusförmige Trägerwechselstrom 128 hat eine Frequenz f'c' die durch die quarzgesteuerte Präzisionsbezugsfrequenzquelle 92 erzeugt wird, die wiederum die gleiche wie bei dem Signal ist, das als Bezugssignal für den Trägersignaldetektor 90 verwandt wird. Die Trägerfrequenz f' t c beträgt etwa 80 000 Hz und ist somit gleich der Larmorpräzessionsfrequenz von Rubidium-87 bei einem konstanten Magnetfeld für die z-Achse mit einer Stärke von 0,114 Gauss, die bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel verwandt wird.A sinusoidal alternating current 128 generated by the carrier field supply 130 is generated, is also on the magnetic field coil 124 for the z-axis, to generate an alternating magnetic carrier field. The carrier alternating current 128 becomes at point 127 with the direct voltage current 125 and the resulting Current is the total current delivered to the magnetic field coil 124 for the z-axis will. The sinusoidal alternating carrier current 128 has a frequency f'c 'which is determined by the quartz-controlled precision reference frequency source 92 is generated, which in turn is the is the same as the signal used as a reference signal for the carrier signal detector 90 is used. The carrier frequency f 't c is about 80,000 Hz and is thus equal to the Larmor precession frequency of Rubidium-87 at a constant magnetic field for the z-axis with a magnitude of 0.114 Gauss, which in the preferred embodiment is used.

Die rlpli-tude des Trägerwechselstromes 128 ist so geeiählt, daß sie einen solchen bestimmten Wert hat, daß die Amplitude des sinusförmigen Lnagnetischen Wechselträgerfeldes gleich deren.The rlpli-tude of the carrier alternating current 128 is chosen so that it has such a certain value that the amplitude of the sinusoidal magnetic Change carrier field the same as theirs.

Produkt aus einem bestimmten Faktor mal dem Gleichfeldanteil aes Magnetfeldes der z-Achse ist, das durch den Gleichstrom 123 erzeugt wird. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel hat dieser Faktor den ert 1,84 und beträgt die amplitude des magnetischen Wechselträgerfeldes 0,210 Gauss. In dieser Weise ist dafür gesorgt, daß die Amplitude des Anteils des Signals 89 mit der Trägerfrequenz f'c c für Magne->felder der x-chze unempfindlich ist. Die mathematische Grundlage für diese bevorzugte Beziehung zwischen den beiden Feldern ist in den Gleichungen (11) und (12) für den Fall n = 1 und p = 1 enthalten.Product of a certain factor times the direct field component of a magnetic field is the z-axis generated by the direct current 123. With a preferred one Embodiment, this factor has the ert 1.84 and is the amplitude of the magnetic alternating carrier field 0.210 Gauss. In this way it is ensured that the amplitude of the component of the signal 89 with the carrier frequency f'c c for magnetic> fields the x-chze is insensitive. The mathematical basis for this preferred relationship between the two fields is in equations (11) and (12) for the case n = 1 and p = 1.

ei magnetische Rückkopplungsfelder werden längs der X-Achse erzeugt, um eine andauernde Präzession der magnetischen Kernmomente von Xeonon-129 und Krypton-83 zu erhalten. Das Signal 112 für Xenon-129 wird in einem Generator 144 für ein magnetisches Wechselrückkopplungsfeld verwandt, um ein sinusförmiges Wechselspannungsrückkopplungssignal 148 zu erzeugen, das eine konstante Amplitude und eine Frequenz und Phase hat, die mit der Frequenz und Phase des Signales 112 für Xenon-129 identisch sind. Das Signal 148 wird mit einem in ähnlicher Weise erzeugten sinusförmigen Wechselspannun'gsrückkopplungssignal 146 summiert, das vom Signal 114 für Krypton-83 abgeleitet wird. Die Summe 150 der beiden Rückkopplungswechselströme 146 und 148 wird weiterhin am Punkt 107 mit den Gleichströmen 104 und 106 summiert, und der sich daraus ergebende Strom ist der Gesamtstrom, der der magnetischen Feldspule 84 für die x-Achse geliefert wird. Die rufgabe der magnetischen Wechselrückkopplungsfelder besteht darin, die magnetischen Kernmomente von Xenon und Xrypton, die neu längs der z-Achse ausgerichtet worden sind, fortlaufend in die x-y-Präzessionsebene zu drehen, um diejenigen Momente, die durch Relaxationsprozesse der magnetischen Kern@omente verloren gegangen sind, zu ern?u?'rn. In dieser Weise erzeugt die andauernde Präzession der magnetischen Momente von Xenon und Krypton zwei stabile magnetisch Felder, die in der x-y-Ebene rotieren und folglich stsolle Lichtintensitätsmodulationen mit den Larmorpräzessionsfrequenzen fa und fb erzeugen.Magnetic feedback fields are generated along the X-axis, a continuous precession of the nuclear magnetic moments of Xeonon-129 and Krypton-83 to obtain. The signal 112 for Xenon-129 is in a generator 144 for a magnetic AC feedback field related to a sinusoidal AC voltage feedback signal 148 that has a constant amplitude and a frequency and phase that with the frequency and phase of the signal 112 for Xenon-129 are identical. The signal 148 is provided with a sinusoidal AC voltage feedback signal generated in a similar manner 146 which is derived from signal 114 for krypton-83. The sum 150 of the both feedback alternating currents 146 and 148 will continue at point 107 with the DC currents 104 and 106 are summed and the resulting current is that Total current supplied to the magnetic field coil 84 for the x-axis. the The task of the magnetic alternating feedback fields is to create the magnetic Nuclear moments of xenon and xrypton that have been realigned along the z-axis are to rotate continuously in the x-y precession plane in order to obtain those moments that by relaxation processes the magnetic nucleus lost have gone to renew. In this way, the sustained precession creates the magnetic moments of xenon and krypton two stable magnetic fields that are in of the x-y plane and consequently light intensity modulations should occur with the Generate Larmor precession frequencies fa and fb.

Die Winkelrotationsgeschwindigkeit Jedes Gyroskops -irci durch einen Vergleich der Larmorpräzessionsfrequenz fa des Signals 112 für Xenon 129 mit einer Bezugsfrequenz xa die o. einer quarzgesteuerten Präzisionsbezugsquelle 136 abgeleitet wird, in einem Frequenzkompar@tor 134 erhalten. Der sich daraus ergebende Frequenzunterschied fa'- f ist gleich der Winkelrotationsfrequenz fr des Gyroskops gemäß Gleichung (9), und diesed Information 138 wird einer elektronischen Datenverarbeitungsanlage oder einem elektronischen Rechner für die weitere Verarbeitung zugelaitet. Die Information 138 über die vinkelrotationsgeschwindigkeit des Gyroskops enthält sowohl eine Information über die Frequenz als auch über die Phase und somit sowohl eine Information über die Winkelgeschwindigkeit als auch über die Winkelversetzung jeweils.The angular rotation speed of each gyroscope -irci by one Comparison of the Larmor precession frequency fa of the signal 112 for xenon 129 with a Reference frequency xa derived from a quartz-controlled precision reference source 136 is obtained in a frequency comparator 134. The resulting frequency difference fa'- f is equal to the angular rotation frequency fr of the gyroscope according to equation (9), and this information 138 is sent to an electronic data processing system or forwarded to an electronic computer for further processing. The information 138 about the angular rotation speed of the gyroscope contains both information about the frequency as well as about the phase and thus both information about the angular velocity as well as the angular displacement, respectively.

Alle Präzisionsbezugsfrequenzquellen 92, 102, 120 und 136 werden über einen gewöhnlichen kristallgesteuerten Steueroszillator 152 mittels digitaler Multiplikations- und Divisionstechniken betrieben. Die Frequenz des Steueroszillators 152 ist in Fig.4 mit f'm bezeichnet. Die Information 138 über die Winkelrotationsgeschwindigkeit ist in der ersten Ordnung unabhängig von der Frequenzstabilität des Steueroszillatorss 152.All precision reference frequency sources 92, 102, 120 and 136 are via an ordinary crystal controlled control oscillator 152 by means of digital multiplication and division techniques operated. The frequency of the control oscillator 152 is in 4 denoted by f'm. The information 138 about the angular rotation speed is in the first order independent of the frequency stability of the control oscillator 152.

In Fig. 5 ist schematisch ein anderes Ausführungsbeispiel einer NMR-Gyrosensorvorrichtung dargestellt, wobei Bauelemente, die durch Bezugsziffern mit einen Beistrich bezeichnet sind, in ähnlicher Weise sie entsprechende Bauelemente bpi den vorhergehenden Ausführungsbeispiel arbeiten. Eine Rubidiumlampe 10' iiefert das optische Pumplicht über die Eingangslichtleitung 24' der Ni-Zelle 28'. Die Lampe 10 liefert auch das Bestimmungslicht für die W,'!R-Zelle 23' über einen zweiten Kanal, der eine Eingangslichtleitung 154 und ein Eingangsprisma 155 aufweist. Das 3esti=ungslicht, das durch die NMR-Zelle 28' durchgelassen wird, geht durch das Ausgangsprisma 158 und die Ausgangslichtleitungen 155 und 1O0 zum Photodetektor 40'. Geeignete Magnetfelder werden über die Dreiachsen-Helmholtz-Spuleneinrichtung 101,162 und 163, die bei dieser Anordnung die Feldspulen für die z-Achse, y-Achse und die x-Achse jeweils sind, an die WjiR-Zelle gelegt. Die Richtung des Eingangslichtes durch die Lichtleitung 24' ist in diesem Fall so definiert, daß sie längs der z-Achse verläuft, während die x-Achse in der Zeichnung nach oben weist und die y-Achse senkrecht auf der Zeichenebene steht.In Fig. 5 is another embodiment of an NMR gyro sensor device schematically shown, with components denoted by reference numerals with a comma are, in a similar way, they are corresponding components bpi the previous embodiment work. A rubidium lamp 10 'supplies the optical pump light via the input light line 24 'of the Ni cell 28'. The lamp 10 provides that too Determination light for the W, '! R cell 23' via a second channel, which is an input light line 154 and an input prism 155. The test light emitted by the NMR cell 28 'passes through the output prism 158 and the output light pipes 155 and 100 to photodetector 40 '. Suitable magnetic fields are generated via the three-axis Helmholtz coil device 101, 162 and 163, which in this arrangement are the field coils for the z-axis, y-axis and the x-axes are respectively applied to the WjiR cell. The direction of the entrance light is defined by the light guide 24 'in this case that it is along the z-axis runs, while the x-axis in the drawing points upwards and the y-axis is perpendicular stands on the drawing plane.

Die in Fig. 5 dargestellte Anordnung ist eine alternative zu der in Fig. 1 dargestellten Anordnung, die dazu dient, hervorzuheben, daß die optische 3estimmung in einer Richtung erfolgen sollte, die quer zu der des konstanten magnetischen Feldes liegt, das längs der z-Achse verläuft. Das kann entweder in der in Fig. 1 dargestellten Weise unter Verwendung eines Winkels von 450 oder eines ähnlichen Winkels zwischen der Richtung des Lichtstrahles durch die NMR-Zelle relativ zur Richtung des konstanten Feldes oder in der in Fig. 5 dargestellten Weise unter Verwendung von zwei getrennten Lichtwegen erreicht werden, wobei das Pumplicht parallel zur Richtung des konstanten magnetischen Feldes und das Bestimmungslicht quer zur Feldrichtung verläuft. Diese Anordnung enthält auch die Möglichkeit, den Pumplichtstrahl und den Bestimmungslichtstrahl von separaten Lichtquellen zu erzeugen und Lichtstrahlen mit verschiedenen spektralen Eigenschaften oder verschiedener Polarisation zu verwenden.The arrangement shown in Fig. 5 is an alternative to that in Fig. 1 shown arrangement, which serves to emphasize that the optical The determination should be made in a direction transverse to that of the constant magnetic Field that runs along the z-axis. This can be done either in the one shown in FIG. 1 illustrated manner using an angle of 450 or similar Angle between the direction of the light beam through the NMR cell relative to the Direction of constant field or as shown in Fig. 5 using can be reached by two separate light paths, the pump light being parallel to the Direction of the constant magnetic field and the determination light transverse to the field direction runs. This arrangement also includes the possibility of the pump light beam and to generate the determination light beam from separate light sources and light beams to use with different spectral properties or different polarization.

Mit gewissen Abwandlungen kann Fig. 5 dazu herangezogen werdan, den Aufbau einer Versuchsvorrichtung zu erläutern, die insbesondere zur Durchführung von Experimenten zur Untersuchung der Eigenschaften von Edelgas-Alkalidampfssystemen geeignet ist. Die Abwandlung besteht darin, daß die Bestimmungslichtwege 154, 155, 156, 158, 160 und 40' weggelassen werden und die Ausgangslichtwege 174 und 175 hinzuge fügt werden. Bei diesem Anwendungsbeispiel, das den Fall n = 0 gemäß Gleichung (11) und (12) entspricht, werden die Koordinatenachsen wnoenannt, wobei die :<-Achse und die z-Achse gegenüber den Im Vorhergehenden beschriebenen Fall umgetauscht werden, so daß die Richtung des Eingangslichtes durch die Lichtleitung 24' als Richtung längs der X-achse umdefiniert wird, und die z-Achse in der Zeichnung nach oben weist. Das Eingangslicht geht durch die Zelle 28' und in die Ausgangslichtleitung ?74, die das Licht auf den Photodetektor 175 überträgt. Das magnetische Wechselträgerfeld wird unter Verwendung der Feldspule 163 für die Z-Achse erzeugt und ein kleines Gleichfeld von annähernd 100 Mikrogauss wird unter Verwendung der Feldspule 162 für die Achse erzeugt. Während des Betriebs wird ein größeres Gleichfeld von annähernd 10 Milligauss durch die Feldspule 161 für die x-Achse während der anfänglichen Spinaustauschpumpzeit der magnetischen Kernmomente erzeugt. Am Ende der Pumpzeit die im typischen Fall wenige Minuten beträgt, wird dieses Feld schnell abgeschaltet, so daß die ausgerichteten magnetischen Kernmomente in der x-z-Ebene, c.h. der Zeichenebene präzessierend zurückbleiben. Der z-Achsenanteil des Kernnagnetfeldes erzeugt Lichtintensitätsmodulationen, die analog den oben beschriebenen Modulationen sind.With certain modifications, Fig. 5 can be used to the To explain the structure of an experimental device, in particular to carry out of experiments to study the properties of noble gas-alkali vapor systems suitable is. The modification consists in that the determination light paths 154, 155, 156, 158, 160 and 40 'can be omitted and the output light paths 174 and 175 added will be added. In this application example, which applies to the case n = 0 according to equation (11) and (12), the coordinate axes are named wno, where the: <axis and the z-axis can be exchanged for the case described above, so that the direction of the input light through the light pipe 24 'as the direction is redefined along the X-axis, and the Z-axis points upwards in the drawing. The input light passes through the cell 28 'and into the output light pipe? 74, which transmits the light to the photodetector 175. The magnetic alternating carrier field is generated using the field coil 163 for the Z-axis and a small one A constant field of approximately 100 microgauss is generated using the field coil 162 generated for the axis. During operation, a larger constant field of approximately 10 milligauss through field coil 161 for the x-axis during the initial spin exchange pumping time of the nuclear magnetic moments generated. At the end of the pumping time, this is the typical case a few minutes, this field is quickly turned off, so that the aligned nuclear magnetic moments in the x-z plane, c.h. remain precessing on the plane of the drawing. The z-axis component of the nuclear magnetic field produces light intensity modulations that are analogous to the modulations described above.

Diese Arbeitsweise ist sehr ähnlich der Arbeitsweise, die von Cohen-Tannoudji et al. beschrieben wurde, außer daß bei diesem alternativen Ausführungsbeispiel die magnetischen Momente des Rubidium, die zr Bestimmung verwandt werden; und die magnetischen Kernmomente des edelgases, die für die Larmorkernpräzession verwandt werien, sich in derselben Zelle 23' befinden. Die enge Vereinigung c:er Rubidiu-Atome während der Zusammenstöße mit den Edelgasato:nen bewirkt, daß die Rubidium Atome ein wesentlich größeres mittleres ?Iagnetfeld von den Kernen der Edelgasatome wahrnehmen. Dieser Effekt der großen Nähe führt zu Signalen, die wesentlich größer sind als sie sonst erhalten werden könnten. Diese Vorrichtung ist daher besonders für Forschungen über die Eigenschaften des Edelgas alkalidampfsystemes zweckmäßig.This way of working is very similar to that of Cohen-Tannoudji et al. except for this alternate embodiment the magnetic moments of rubidium which are used for determination; and the magnetic core moments of the noble gas, which are related to the Larmor core precession werien, are in the same cell 23 '. The close union c: er Rubidiu atoms during the Collisions with the noble gas atoms causes the Rubidium atoms have a much larger mean magnetic field from the nuclei of the atoms Perceive noble gas atoms. This close proximity effect leads to signals that are essential are larger than they could otherwise be obtained. This device is therefore special Useful for research on the properties of the noble gas alkali vapor system.

Im Obigen wurde die vorliegende Erfindung anhand bestimmer Elemente und bestimmter physikalischer Anordnungen beschrieben, es versteht sich jedoch, daß vernünftige Alternativen, beispielsweise die Verwendung anderer optischer Wege, zu denselben Ergebnissen führen, oder daß andere Kombinationen von Edelgasen, ein anderer Stoff als Rubidium oder andere Werte fiir die Frequenzen und Magnetfelder als sie im Obigen erwähnt wurden, verwandt werden können.In the above, the present invention has been made in terms of certain elements and certain physical arrangements, it goes without saying, however, that reasonable alternatives, for example the use of other optical paths, lead to the same results, or that other combinations of noble gases other substance than rubidium or other values for the frequencies and magnetic fields as mentioned in the above can be used.

L e e r s e i t eL e r s e i t e

Claims

Claims 1. Device for determining the nuclear magnetic resonance, A nuclear magnetic resonance cell (28) is shown Gas or vapor of an optically pumpable substance, with a substance that is a possesses a magnetic moment and is optically pumpable, the optically pumpable Substance in the cell (28) is contained, at least one gas with a nuclear moment, each of which has a nuclear magnetic moment and also in the cell (28) is included, the nuclear magnetic moments of each gas with magnetic Core moment are at least partially aligned, a device to the Aaleger ei @ es constant magnetic field (68 ~) to the cell (28). a first facility (10-24) for illuminating the cell (28) with optical pump light (64), which is partially the magnetic moments of the optically pumpable material in one direction can align the absorption of the light, means (70) that align the aligned magnetic nuclear moments of each GAses with Keramoment a precession movement the direction of the constant magnetic field (68) with the respective Larmor precession frequency each gas confers, a device for applying a Tagnetische change carrier field (69) to the cell (28), a second device for illuminating the cell mic measuring light (66) with a wave length which is approximately equal to the wavelength of the Light that can be absorbed by the optically pumpable material is a Device for applying the measuring light (66) with a directed component perpendicular to the direction of the magnetic alternating carrier field (69) to modulations in the intensity of the transmitted part of the hot light (66) essentially at the frequency of at least one harmonic including the fundamental of the magnetic To generate exchangeable carrier field, a device (40) for determining at least one of the modulations of the intensity of the transmitted part of the measuring light (66) and by means for electrically demodulating the detected modulations the light intensity to get a signal that is at the Larmor precession frequency of each gas changes with nuclear moment and an amplitude proportional to the degree the alignment of the nuclear magnetic moments of each gas.

2. Apparatus according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n -z e. i c h n e t that the optically pumpable substance is an alkali metal

3. Apparatus according to claim 1, d u r c h g e -k e n n n z e i c h n e t that the Gas with nuclear moment is a noble gas.

4. Apparatus according to claim 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t that the constant magnetic field (68) has a portion that is parallel to the direction of the optical excitation light (64) lies.

5. Apparatus according to claim 4, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t that the nuclear magnetic moments of every gas with nuclear moment partially by collisions of the atoms of any gas with nuclear moment with the atoms of the optical pumpable fabric can be aligned to partially match the alignment of the fabric on the gas to Uberra% n.

6. The device according to claim 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t that the modulations of the light intensity of the transmitted part of the Neßlichtes (65) through the absorption of Neßlicht (66) by the optically pumpable Substance are generated.

7. The device according to claim 1, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h means for accurately measuring the strength and direction of the constant magnetic field (68).

8. The device according to claim 1, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h means for precisely controlling the strength and direction of the stable magnetic field (68).

9. Nuclear magnetic resonance oscillator with a device according to Claim 1, that the establishment that gives the magnetic nuclear moments a precession motion, one Egg direction for applying a magnetic alternating feedback field (70) with the determined Lar @ orora recession frequency of each gas with nuclear meme in one direction perpendicular to the direction of the constant @@ netfield (68), and furthermore a device to @ esist @ l the phase of the Larmor precession frequency, and that each detected Phase of the Larmor Prezessionsirequer is used to determine the respective phase of the magnetic To control alternating feedback field (70) so that it is substantially 900 to the The phase of the precessing nuclear magnetic moments of each gas is phase-shifted which causes a continuous precession of the moments of each gas.

10. Nuclear magnetic resonance oscillator according to claim 9, G e -k e n n z e 1 c h n e t d u r c h attention to the exact measurement of strength and Ricnjn of the constant magnetic field (68).

11. Ceramic-magnetic resonance oscillator according to claim 9, g e -k e n n z e i n e t d u r c h a device for precisely controlling the strength and Direction of the constant magnetic field (68).

12. Nuclear magnetic resonance gyroscope with a nuclear magnetic resonance oscillator according to claim 9, g e k e n n -z e i c h n e t d u r c h a device for determining the angular displacements of the gyroscope around the direction of the constant magnetic field (68) in the form of other rungs in the phase of the Larmor precession frequency at least of a gas with nuclear moment.

13. Apparatus for determining the nuclear magnetic resonance according to claim 1, d a d u r c h e k e n n n z e i c h -n e t that the constant magnetic field (68) a particular Strength aufeist, di0 shows that the precession of the inagnetic moments of the optically pumpable substance essentially with one harmonic including the frequency of the magnetic alternating carrier field (69) lying on it the fundamental frequency occurs, and that the direction of the constant magnetic field (68) essentially parallel to the direction of the applied alternating magnetic carrier field (69) lies.

14. The apparatus of claim 13, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t that the constant magnetic field (68) that is generated at the nuclear magnetic resonance cell (28) exceeds 9.01 Gauss.

15. Device according to A, claim 13, d a d u r c h g e -K e n n z e i c h n e t that the measuring light is essentially the same wavelength as the optical Has excitation light (64).

16. The apparatus of claim 15, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t that the measuring light (56) and the optical pump light (64) from the same light source (10) originate.

17. The apparatus of claim 16, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t that the measuring light (66) and the optical pump light (64) from the parallel Portions of a single light beam from the light source (10) are formed.

18. The apparatus of claim 16, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n t that the measuring light (66) and the optical pump light (64) from the non-parallel Shares of a single light beam from the light source (10) are formed.

19. Nuclear magnetic resonance oscillator with a device according to Claim 13, d a d u r c h o e k e n n -z e i c h n e t that di-? Facility, which has the effect that the aligned magnetic nuclear moments. Each gas with nuclear moment about the direction of the constant magnetic fall of the (63 precessor, a device for applying an alternating magnetic feedback field (70) in one direction perpendicular to the direction of the constant magnetic field (68) and with the perceived mar-sroräzessionsfreauenz of every gas with nuclear moment, and that further means are provided for determining the phase of each Larmor precession frequency using the perceived phase of each low-frequency precession becomes, the phase of the corresponding alternating magnetic feedback field (70) control so that they are essentially 90 ° to the respective phase of the precessing magnetic nuclear moments of the gas is out of phase, thereby a lasting Precession of the noments of the gas to be impregnated.

20. Nuclear magnetic resonance oscillator according to claim 19, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h a device for the electrical demodulation of the detected light intensity modulations in order to obtain control signals whose Amplitudes proportional to the magnetic field components across the magnetic alternating carrier field (69), and by a device for measuring or controlling the transverse Field shares.

21. Nuclear magnetic resonance gyroscope with an oscillator according to claim 19, a device for determining the angular misalignments or angular velocities of the device about the direction of the constant magnetic field (68) as changes in phase or as changes in frequency, respectively LarmorDr2cessionfreouenzen at least one gas with nuclear moment.

22. Device for the surface: n magnetic moments, g e -k e n n z e i c h n e t d u r c h a nuclear magnetic resonance cell (28), a gas or a vapor of an optically pumpable substance. which has a magnetic moment and is optically pumpable, the optically pumpable substance contained in the cell (28) is a first and a second noble gas, each of which has a nuclear magnetic moment and which are contained in the cell (28), the nuclear magnetic moments each noble gas are at least partially aligned, means for applying a stable magnetic field (68) to the cell (28) and a device (10-24) for illuminating the cell (28) with optical pump light (64) which is able to by absorption of the light (64) the magnetic moments of the optically pumpable Align the material partially in one direction, which causes the magnetic moments of the first and second noble gases partly due to the collision of atoms of the optical pumpable substance can be aligned with atoms of the noble gases.

23. The device according to claim 22, d a d u r c.h g e k e n n -z e i c h n e t that the constant magnetic field (68) is parallel to the direction of the optical Pumplichtes (64) has running portion.

24. The device according to claim 23, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t that a considerable amount of at least one buffer gas also contained in cell (28).

25. The device according to claim 24, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t that the buffer gas is helium.

26. The device according to claim 24, characterized in that the Buffer gas is nitrogen.

27. The device according to claim 2-f, characterized in that the optically pumpable substance is an alkali metal.

28. Device n, ch claim 27, characterized gelse.mnzelchne 'that the Alkali metal is rubidium.

29. The device according to claim 22, characterized in that the first and second noble gases are xenon-129 and krypton-83.

30. The device according to claim 22, characterized by a device for precise measurement and control of the strength and direction of the constant magnetic field (68).

31. Device for determining the nuclear magnetic resonance with a device for aligning the core moments according to claim 20, characterized by a device that ensures that the aligned magnetic nuclear moments of the two noble gases around the direction of the constant magnetic field (68) with the respective Larmor precession frequency of the two noble gases precess, and through a device for determining the Larmor precession frequencies.

32. Apparatus according to claim 31, characterized by a device to take advantage of the differences between the two Larmor precession frequencies of the two noble gases to exactly the strength of that part of the constant magnetic field (68), which runs parallel to the magnetic alternating carrier field (69), to a certain Set value.

@@. @ ag @ e @ l scher Kernresch @ n @@ s @@@@ ator with a @errientung to Determining the nuclear magnetic resonance according to Claim 31, d a d u r c h g @ e k e nn z e i h n e t there the device that causes the aligned magnetic Nuclear moments of the two noble gases around the direction of the constant magnetic field (68) precess, a device for applying two alternating magnetic feedback fields (70) with the respective established Larmor precession frequencies of the two noble gases comprises in a direction perpendicular to the direction of the constant magnetic field (68), and further means for determining the phases of the Larmor precession frequencies has, and that the identified phases of the Larmor Prezessionsfreouenzen to it are used, the respective phases of the magnetic alternating feedback signal (70) so that they are essentially by 900 to the respective phases of the precessing magnetic nuclear moments of the two noble gases are shifted, whereby a permanent precession of the moments of the two noble gases is caused.

34. Nuclear magnetic resonance gyroscope with an oscillator according to claim 33, g e k e n n n z e i c h n e t d u r c h a device for determining the angular displacements or angular velocities of the device about the direction of the constant magnetic field (68) in the form of changes in phase or changes in frequency, respectively the Larmor precession frequencies of at least one of the two noble gases.

35. Apparatus according to claim 31, g e k e n n n z e i c h n e t d u r c h a device for applying a magnetic alternating carrier field (69) the nuclear magnetic resonance cell (28) and by means for illuminating of the cell (28) with measuring light (66) is approximately equal to one wavelength the Wavelength that can be absorbed by the optically pumpable material, where the measuring light (66) has a directional component perpendicular to the magnetic alternating carrier field (G9), and above a device for generating and determining the modulation the intensity of the measuring light (66) with approximately the frequency of at least one harmonic of the magnetic alternating carrier field (69) is provided, and wherein the device to determine the Larmor precession frequencies of the two noble gases ine additional Device for electrically demodulating at least one of the determined light intensity modulations to obtain a signal that is at the Larmor precession frequencies of noble gases and changes with amplitudes proportional to the strength of the alignment of the nuclear magnetic moments of the gases.

36. Device nD.ch claim 34, characterized by a device for precise measurement and control of the strength and direction of the constant magnetic field (63).

37. Apparatus according to claim 35, characterized in that the constant magnetic field (68) has a certain strength that causes the precession of the magnetic moments of the optically pumpable substance essentially with one Harmonics of the frequency of the applied alternating magnetic carrier field (69) including the fundamental oscillation occurs and that the direction of the constant Magnetic field (68) essentially parallel to the direction of the applied magnetic Exchange carrier field (69) runs.

38. Apparatus according to claim 37, characterized by a device for precisely measuring and controlling the strength and direction of the constant magnetic field (68).

Apparatus according to Claim 38, d u r ch e k e n n n -z e i c h n e t that the device for controlling the constant magnetic field (68) is a device for electrical demodulation of the detected light intensity modulations, in order to obtain control signals whose amplitudes are proportional to the magnetic field components transverse to the magnetic alternating carrier field (69), and that further a device for measuring and controlling the transverse field components and a device for Compare the frequency difference between the two Larmor precession frequencies nit the difference of precision reference frequencies are provided to the size of the Component of the constant magnetic field (68) parallel to the direction of the magnetic Change carrier field (69) is to be set to a predetermined value.

40. Nuclear magnetic resonance gyroscope with a device for irradiating the nuclear magnetic resonance according to painting 39, g e k e n n n z e i h n e t d u r c h means for determining the angular displacements or angular velocities of the device about the direction of the constant magnetic field (68) in the form of changes in phase or changes in frequency of the Larmor precession frequencies, respectively of at least one of the two noble gases.

41. A nuclear magnetic resonance gyroscope according to claim 39, g ek e n n shows some means for comparing the change in the Larmor precession frequency one of the noble gases with an exact Larmor precession reference frequency and by a Device for deriving the frequency of the magnetic Wechselträgerf eides, the Frequency of the precision reference differential frequency and the frequency of the exact Larmor reference frequency from a single precision frequency source.

42. Device for aligning nuclear magnetic moments, characterized by a magnetic resonance cell (23), a Gns or a vapor of an optical pumpable substance, which is a substance that has a magnetic moment and is optically pumpable, the optically pumpable substance in the cell (20) Finds, through at least one gas with a nuclear moment, a magnetic nuclear moment and is also contained in the cell (28), the magnetic Nuclear moments of each gas are at least partially aligned with nuclear moment by a substantial amount of at least one buffer gas also in the cell (28) is contained by a device for applying a constant magnetic field (68) to the cell (28) and through a device (10-24) to. 3 lights of the cell (28) with optical pumbicht that the magnetic moments of the optically stimulating Align the material partially in one direction by absorbing the light can, reducing the nuclear magnetic moments of any gas with nuclear moment due to collisions of the atoms of the optically pumpable substance with atoms of every gas with a nuclear moment be partially aligned.

43. Apparatus according to claim 42, characterized in that at least one of the gases with nuclear moment is a noble gas.

44. Apparatus according to claim 43, characterized in that the Noble gas is Xenon-129.

45. Apparatus according to claim 42, characterized in that the optically pumpable substance is an alkali metal.

46. Apparatus according to claim 45, characterized in that the Alkali metal is rubidium.

47. Apparatus according to claim 42, characterized in that the Buffer gas is helium.

48. Device according to claim 42, characterized in that the Buffer gas is nitrogen.

49. Apparatus according to claim 42, characterized by a device for precise measurement and control of the strength and direction of the constant magnetic field (68).

50. Device for determining the nuclear magnetic resonance with a Device for aligning the nuclear monuments according to claim 42, characterized by a device which causes the nuclear magnetic moments of each gas with Nuclear moment around the direction of the constant magnetic field (68) with the respective Larmor precession frequency of the gas precess, and through a device for Floating the Larmor frequency.

51. Nuclear magnetic resonance oscillator with a device for Determination of the nuclear magnetic resonance according to Claim 50, characterized in that that the device that causes the aligned nuclear magnetic moments each gas with nuclear moment precess around the direction of the constant magnetic field (68), one Device for applying a magnetic alternating carrier field (70) with the determined Larmor precession frequency of each gas with nuclear moment in a direction perpendicular for the direction of the constant magnetic field (68), and that further means for determining the phase of the Larmor precession frequency is provided to the phase to control the magnetic alternating carrier field (70) so that they substantially around 900 with respect to the phase of the precessing magnetic nuclear moments of the gas is shifted, whereby a continuous precession of the moments each Gas is effected.

52. Nuclear magnetic resonance gyroscope with an oscillator according to claim 51, characterized by a device for determining the angular displacements or angular velocities of the device about the direction of the constant magnetic field (6?) In the form of changes in phase or changes in frequency, respectively the Larmor precession frequencies of at least one of the gases with nuclear moment.

53. Apparatus according to claim 50, characterized by a device for applying a magnetic alternating carrier field (69) to the cell (23) and through a device for Peleu.ohten the cell (28) with measuring light (6S) with a wavelength approximately equal to the wavelength absorbed by the optically pumpable substance can be, wherein the measuring light (66) has a directed portion perpendicular to the magnetic Exchangeable carrier field (69), and furthermore a device for generating una Determining the modulations in the intensity of the light (66) at the frequency or near the frequency of at least one harmonic of the frequency of the magnetic Exchange carrier field (69) is provided, and wherein the means for determining the Larmor precession frequency of each gas with core moment an additional facility for electrically demodulating at least one of the determined light intensity modulations to obtain a signal that is at the Larmor precession frequency each gas changes with nuclear moment and with amplitudes proportional to the strength the alignment of the nuclear magnetic moments of each gas.

54. Device @ un determining the nuclear magnetic resonance, marked by a nuclear magnetic resonance cell (28), a gas or a Vapor of an optically pump-like substance, which is a substance that is magnetic Moment has irnd is optically pumpable, whereby slch is the optically pumpable substance ir the cell (23) efind? t by at least one gas with nuclear moment, which is a magnetic Has Kerrimoment and is also contained in the cell (28), the magnetic core: 'ornente of any gas with nuclear moment at least partially aligned are, by means for applying a constant magnetic field (68) to the Cell (28), by first means (10-24) for illuminating the cell (28) with optical pump light (64) which is capable of absorbing the light (64) the magnetic moments of the optically pumpable substance partly in one direction to align, by a device that causes the aligned magnetic Nuclear moments of every gas with nuclear moment around the direction of the constant magnetic field (68) precess with the respective Larmor precession frequencies of each gas a device for applying a magnetic alternating carrier field (69) to the Cell (28), by a second device for illuminating the cell (28) with measuring light (66) with a wavelength equal to or approximately equal to the wavelength passed through the optically pumpable material can be absorbed, the first and the second Lighting device illuminate the cell (28) with separate light beams, which impinge from different directions, by means of a mooring device of the measurement light (66) with a directed component perpendicular to the direction of the magnetic Alternating carrier field (69) to modulations of the intensity of at least one harmonic including the fundamental oscillation of the transmitted part of the measuring light (66) to generate essentially with the frequency of the magnetic alternating carrier field (69), through a facility (40) to determine at least one of the Modulations in the intensity of the transmitted part of the measuring light (65) and by means for electrically demodulating the detected modulations of the light intensity in order to obtain a signal that corresponds to the lar.moprecession frequency of each gas changes with nuclear moment and with an amplitude proportional to The strength of the alignment of the nuclear magnetic moments of each gas is.

55. Apparatus according to claim 53 or 54, characterized in that that the first device illuminates the cell (28) with light along a direction, which runs essentially parallel to the constant magnetic field (o8), and that the second means illuminating the cell with light along a direction substantially runs perpendicular to the constant magnetic field (68).