DE3123188A1

DE3123188A1 - "kernmagnetisches resonanz-gyroskop"

Info

Publication number: DE3123188A1
Application number: DE19813123188
Authority: DE
Inventors: Bruce C. 91360 Thousand Oaks Calif. Grover
Original assignee: Litton Systems Inc
Current assignee: Northrop Grumman Guidance and Electronics Co Inc
Priority date: 1980-06-23
Filing date: 1981-06-11
Publication date: 1982-04-22
Also published as: CA1164529A; IT8148726A0; FR2485206A2; GB2078972B; IT1142450B; GB2078972A; JPS5729908A; FR2485206B2

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft· das Erzeugen und Feststellen kernmagnetischer Resonanz. Insbesondere betrifft die Erfindung die· Anwendung kernmagnetischer Resonanz bei einem Fühler zum Feststellen einer Winkeländerung bzw. einer'Winkelgröße.

Die vorliegende Erfindung stellt eine Verbesserung der Erfindung gemäß der US-PS 4,157,4-95 dar, die ein kernmagnetisches Resonanz-Gyroskop betrifft. Dieses Patent wurde auf die Anmelderin der. vorliegenden Anmeldung übertragen.

Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Vorschläge bekannt, die das Grundprinzip eines kernmagnetischen Resonanz-Gyroskops betreffen. Im allgemeinen wird dabei ein durch kernmagnetische Resonanz gesteuerter Oszillator verwandt und die Dreh- bzw. Winkelinformation wird von den Phasen des Kernmomentes der Larmor-Präzessionssignale mittels eines geeigneten Phasenvergleichs und eines Magnetfeld-Steuerkreises abgeleitet.

Diese Einrichtungen' enthalten wesentliche Nachteile, die die Entwicklung eines brauchbaren Instrumentes begrenzen. Beispielsweise sind solche Einrichtungen durch die relativ kurzen Relaxationszeiten der Gase begrenzt, welche verwandt wurden. Auch kann die' starke direkte Kopplung zwischen diesen Gasen und dem Licht, welches als das Mittel zum Ausrichten des magnetischen Momentes oder zum Feststellen des magnetischen Momentes verwandt wurde, sowohl die Relaxationszeiten und das Signal/Rau sch-Verhältnis begDaozen und deshalb wird auch der mögliche Nutzen solcher Instrumente begrenzt.

In der US-PS 4-, 1-57 »4-95 ist ein kernmagnetischer Resonanz-Winkel größenfühler oder kernmagnetisches Resonanz-Gyroskop offenbart, welches nach dem Prinzip arbeitet, bei dem eine Trägheits-Winkeldrehgeschwindigkeit oder Winkeländerung um eine empfindliche Achse des Gerätes als.eine Verschiebung der Larmor-Präzessionsfrequenz bzw. -Phase bei einem oder .mehrereren Isotopen festgestellt wird, die kernmagnetische Momente besitzen. Das Gyroskop besteht aus dem Winkeldrehfühler und zugeordneten elektronischen Schalt-, kreisen. Die wesentlichen Bauteile des Fühlers sind.eine Lichtquelle, eine kernmagnetische Resonanzzelle; ein fotodetektor, ein Satz magnetischer Abschirmungen und ein Satz magnetischer Feldspulen- Die wesentlichen Bauteile der elektronischen Schaltkreise umfassen Signalverarbeitungsschaltkreise, um die Information über die Larmor-Präzessionsfrequenz und-Phase zu bestimmen, sowie Schaltkreise, um verschiedene Magnetfelder zu erzeugen und zu steuern, nämlich stetige und sich mit der Zeit sinusförmig verändernde Felder, die für den richtigen Betrieb des Gerätes erforderlich sind.

Die kernmagnetische Resonanzzelle ist innerhalb eines Satzes magnetischer Abschirmungen angeordnet,- um äußere Magnetfelder auf annehmbare, niedere Werte, zu verringern. Magnetische'Feldspulen werden verwandt, um sehr gleichförmige Magnetfelder auf die kernmagnetische Resonanzzelle anzuwenden. Sowohl ein . stetiges Feld als auch ein Träger-Wechself eld werden längs . der empfindlichen Achse des Gerätes angewandt und Rückkopplungs-Wechselfelder werden längs einer der quer verlaufenden bzw. senkrechten Achsen angewandt. Die magnetischen Gleichfelder längs beider Querachsen werden so gesteuert, daß sie im wesentlichen WuIl sind. Die kernmagnetische Resonanzzelle enthält einen einzigen Alkalimetalldampf, wie z.B. Rubidium, zusammen mit zwei Isotopen eines oder mehrerer Edelgase, wie z.B. Krypton-83, Xenon-129 oder Xenon-131· Ein Puffergas wie z.B. Helium kann ebenfalls in der Zelle enthalten sein.

Die kernmagnetische Resonanzszelle wird durch einen Strahl zirkulär polarisierten Lichtes beleuchtet, welches von einer Quelle wie z.B. einer Rubidiumlampe oder einem Rubidium-Festkörpe.rlaser ausgeht und welches durch die Zelle unter einem Winkel in "bezug auf das stetige Magnetfeld hindurchgeht. Die Absorption eines Teiles dieses Lichtes bewirkt, daß die atomaren Magnetmomente der Rub.idiumatome teilweise in Richtung des stetigen Magnetfeldes ausgerichtet werden. Diese Ausrichtung wird zum Teil auf die magnetischen Kernmomente der Edelgase übertragen, und es wird bewirkt, daß diese Momente um die Richtung des stetigen Magnetfeldes präzessieren, was wiederum Magnetfelder erzeugt, die mit der entsprechenden· Larmor-Präzessionsfrequenz der zwei Edelgase rotieren. Diese rotierenden leider modulieren die Präzessionsbewegungen der magnetischen Momente des Rubidiums, was wiederum eine entsprechende Modulation des hindurchgegangenen Lichtes erzeugt, wodurch es möglich wird, optisch die Larmor-Präzessionsfrequenzen der beiden Edelgase festzustellen.

Die Modulationen der Lichtintensität werden durch einen Fotodetektor in elektrische Signale umgewandelt, und diese Signalewerden dann elektronisch demoduliert und gefiltert, um Signale bei den Larmor-Präzessionsfrequenzen der zwei Edelgase zu erzeugen. Der Unterschied zwischen den zwei Präzessionsfrequenzen wird verwandt, um das stetige Magnetfeld genau zu steuern, so daß es konstant ist. Eine der Edelgas-Präzessionsfrequenzen wird mit einer genauen Bezugsfrequenz verglichen, und die sich ergebende Ifrequenzdifferenz ist ein Maß für die Winkeldrehung des Gyroskops.

Die zwei festgestellten Edelgas-Präzessionssignale werden auch verwandt, um zwei magnetische Rückkopplungs-Wechselfeider bei den Larmor-Präzessionsfrequenzen"der Edelgase zu erzeugen, und diese sind .dafür verantwortlich, daß die Präzession der Kern-

magnetmomente der Edelgase aufrecht erhalten wird. Die Verwendung eines magnetischen Trägerfeldes erleichtert das optische Peststellen der präzessierenden Edelgasmomente und schafft ein Mittel, um die magnetischen Gleichfelder längs der beiden Querachsen des Gyorskops zu steuern.

Das kernmagnetische Resonanzgyroskop gemäß dem angegebenen Patent umfaßt eine Einrichtung, um gleichzeitig die magnetischen Kernmomente von wenigstens zwei Gasen mit Kernmomenten auszurichten, wodurch eine Einrichtung zum Ausrichten· eines magnetischen Kernmomentes gebildet wird, ferner eine Einrichtung zum Erzielen des Aufrechterhaltens der Präzession dieser Momente, wodurch ein kernmagnetischer Resonanzoszillator gebildet wird, welcher die Schwingungen aufrecht erhält, sowie eine Einrichtung zum optischen Peststellen dieser präzessierenden Kernmomente, wodurch eine ■ ·. magnetische Kernresonanz-Peststelleinrichtung gebildet wird, ferner die Einrichtung zur genauen Steuerung des internen Magnetfeldes der Einrichtung und die Einrichtung zum genauen Messen der Prequenz oder Phase des festgestellten Kernmoment-Präzessionssignal von wenigstens einem.der Gase mit Kernmomenten, um eine Messung der Winkeldrehgröße bzw. Winkeländerung der Einrichtung in bezug auf einen Inertialraum zu schaffen, wodurch ein kernmagnetisches Resonanz-Gyroskop gebildet wird.

Insbesondere wird ein stetiges Magnetfeld auf die· kernmagnetische Resonanzzelle angewandt, welches im wesentlichen gegenüber- ander Qi-, st etigea Magnetfeldern abgeschirmt ist. Die kernmagnetische Resonanzzelle enthält ein Gas oder einen Dampf

eines Stoffes, welcher ein magnetisches Moment aufweist, daß durch optisches Pumpen zusammen mit einem oder mehreren zusätzlichen Gasen ausgerichtet werden kann, von denen ein jedes ein magnetisches Kernmoment aufweist. Die kernmagnetische Resonanzzelle-wird mit Licht zürn optischen Pumpen bestrahlt, weiche's eine richtungsmäßige Komponente aufweist, die parallel zur Richtung des stetigen Magnetfeldes verläuft, und welches die geeignete Wellenlänge zum Absorbieren durch den optisch zu pumpenden Stoff aufweist und die magnetischen Momente des Stoffes teilweise ausrichtet. Die Kernmomente der· kernmagnetischen Gase werden ausgerichtet und präzessieren mit ihren entsprechenden Larmor-Präzessionsfrequenzen um die Richtung des stetigen Magnetfeldes. Ein magnetisches Wechselfeld bei im wesentlichen der Trägerfrequenz wird ebenfalls auf die kernmagnetische Resonanzzelle angewandt. Die Zelle wird mit Meßlicht beleuchtet, welches eine Richtungskomponente aufweist, die senkrecht zur Richtung des magnetischen Trägerwechselfeldes verläuft, und welches eine Wellenlänge aufweist, ■ die im wesentlichen'die gleiche wie diejenige des Lichtes zum optischen Pumpen ist. Die Intensität, desjenigen Teiles des Meßlichtes, welches durch die Zelle hindurchgeht, wird entsprechend der Gesamtheit der in der Zelle vorhandenen" magnetischen Felder moduliert, wobei die magnetischen Felder eingeschlossen sind, welche durch die präzessierenden magnetischen Kernmomente erzeugt weiden.Diese Modulationen der hindurchgegangenen Lichtintensität werden mit einem Fotodetektor festgestellt, woraufhin sie elektronisch demoduliert werden, um Signale bei den Larmor-Präzessionsfrequenzen der Gase mit magnetischen Kernmomenten zu erhalten. ·

Bei einer Ausführungsform der patentierten Erfindung wird die Ausrichtung d.er magnetischen'Kernmomente eines jeden kernmagnetischen .Gases durch Stoßwechselwirkungen zwischen

den. Atomen des optisch, pumpbaren Stoffes und den Atomen des Gases oder der Gase mit kernmagnetisch.em Moment erzielt. Die Präzession der magnetischen Kernmomente eines jeden kernmagnet i sehen Gases wird dadurch, aufrechterhalten, daß ein magnetisches Rückkopplungswechselfeld "bei der Larmor-Fräzessionsfreguenz des kernmagnetischen· Gases in einer Richtung angewandt wird, welche zur Richtung des stetigen Magnetfeldes senkrecht ist. Das magnetische Träger-Wechselfeld wird "bei im wesentlichen der Larmor-Präzessionsfrequenz .des optisch pumpbaren Stoffes und in. einer Richtung angewandt, welche im wesentlichen parallel zu der Richtung des· stetigen Magnetfeldes verläuft, wodurch die Einrichtung bei größeren Feldstärkewerten des stetigen Magnetfeldes und mit ent— " sprechend höheren Larmor-Präzessionsfrequenzen der kernmagnetischen Gase betrieben werden kann.

Bei der bevorzugten Ausführungsform wird ein.optisch pumpbarer Stoff, wie z.B. ein einziger Alkalimetalldampf in einer kernmagnetischen Resonanzzelle zusammen mit zwei Edelgasen vorgesehen und die magnetischen Kernmomente der beiden Edelgase werden gleichzeitig durch Stoßwechselwirkungen zwischen den Atomen der einzigen Alkalimetallatome und den Atomen der zwei Edelgase ausgerichtet. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Alkalimetall Rubidium und die Edelgase sind Xenon-129 und Xenon 131.

Ein anderes Merkmal des Patentes betrifft die "Verwendung von wenigstens einem Puffergas mit einem wesentlichen Anteil inder kernmagnetischen Resonanzzelle.

Gemäß einem anderen Merkmal des Patentes wird die Größe des stetigen Magnetfeldes durch eine Rückkopplungssteuerung des Feldes derart konstant gehalten, daß der Unterschied zwischen den Larmor-Präzessionsfrequenzen der zwei Edelgase in der kernmagnetischen Resonanzzelle gleich einem vorbe-' stimmten,, konstanten Wert wird.

Gemäß einem wiederum anderen Merkmal des Patentes wird eine der Larmor-Präzessionsfrequenzen mit einer äußerst genauen Bezugsfrequenz verglichen und die sich ergehende . Differenzfrequenz wird verwandt, um eine Messung einer Winkeländerung oder Winkelgeschwindigkeit der Einrichtung um die Richtung des stetigen Magnetfeldes zu liefern.

In Hinblick auf den Stand der Technik wird auf die folgenden US-Patentschriften verwiesen, wobei in der Klammer jeweils der betreffende Gegenstand angegeben ist: 4-,157,4-95 (kernmagnetisches Resonanz-Gyroskop), 3,103,623 und 3,103,624 (Kern-Gyroskop), 3,396,329 (magnetische Resonanz-Magnetometer zum Messen schwacher Magnetfelder von einem sich bewegenden Fahrzeug wie z.B. einem Flugzeug aus), .3>404,332 (magnetische Resonanz-Einrichtungen zum genauen Messen von Magnetfeldern, insbesondere schwacher Magnetfelder, an Bord eines "bewegbaren Körpers), 3,500,176 (Verfahren und Vorrichtung zum Steuern eines Magnetfeldes unter Verwendung optisch gepumpter Kernresonanz) ,3,513j381 (sich außerhalb der Resonanz "befindendes Licht als Fühler optisch gepumpter Alkalidämpfe) und 3,729,674 (digitale Kern-Gyroskop-Instrumentierung und digitale phaseneingeschlossene Schleife hierfür).

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen,· zwei Alaklimetalldämpfe statt eines innerhalb der kernmagnetischen Resonanzumhüllung einzuschließen. Einer der Dämpfe, beispielsweise Rubidium wird verwandt, da er leicht durch Licht von einer Rubidiumlampe oder einem Laser bei der Rubidiumwellenlänge angeregt oder gepumpt werden kann. Der andere Alkalimetalldampf, beispielsweise Cäsium kann ohne weiteres mittels einer Cäsiumlampe oder eines Laser bei der Cäsiumwellenlänge gepumpt werden. Das· Cäsium innerhalb der kernmagnetischen Resonanzumhüllung wird bei den Larmor-Präzessionsfrequenzen der zwei Gase mit magnetischen Kernmomenten wie z.B. Xenon und Xenon 131 moduliert. Der Cäsiumdampf wird beispielsweise durch eine Cäsiumlampe oder einen Laser beleuchtet und die hindurchgehende Cäsiumstrahlung vrird bei den Larmor-Präzessionsfrequenzen der zwei kernmagnetischen Gase moduliert. Das hindurchgegangene Licht wird festgestellt und die festgestellten Signale wrden in der gleichen Weise verwandt, wie es in der US-PS 4,157,495 beschrieben ist.

Es' ist deshalb eine Zielsetzung der Erfindung, ein kernmagnetisches Resonanz-Gyroskop zu schaffen, welches einen pumpbaren Dampf und einen unterschiedlichen Dampf zum Fühlen bzxtf. Messen verwendet. Die Bezeichnung "unterschiedlicher Dampf" ist hier so definiert, daß verschiedene Isotope des gleichen Dampfes, insbesondere wenn es sich bei dem Dampf um einen Alkalimetalldampf handelt, mit eingeschlossen sind.

Eine besondere Zielsetzung der Erfindung besteht darin, zwei Alkalidämpfe in einem kernmagnetischen Resonanz-Gyroskop

zu verwenden. . ■

Eine.andere Zielsetzung der Erfindung "besteht darin, Rubidium-Dampf als Dampf zum Pumpen und Cäsium-Dampf als einen Dampf zum Messen in einem kernmagnetischen Resonanz-Gyroskop zu verwenden, in dem zwei Gase mit ausgerichteten magnetischen Kernmomenten, die mit ihren Larmor-Präzessionsfrequenzen präzessieren, verwandt werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figur näher 'erläutert,.welche sdaematisch das Grundprinzip zeigt, und den Vorgang, des optischen Pumpens und der Modulation des durch die kernmagnetische Resonanzζeile- hindurchgegangenen Lichtes darstellt.

Die Figur zeigt ein schematisches Diagramm zur Erläuterung, welches für jedes der Edelgase den Vorgang des optischen Pumpens und der Modulation der Intensität des Lichtes darstellt, welches durch die kernmagnetische Resonanzzelle 28 hindurchgegangen ist. Da diese Vorgänge bei den zwei Edelgasen einander so sehr gleichen, werden sie lediglich in bezug auf eines der zwei Edelgase dargestellt und beschrieben. Das zirkulär polarisierte Pumplicht, beispielsweise von einem Laser bei der Rubidium-Wellenlänge, welches in die kernmagnetische Resonanzzelle 28 eintritt, weist eine Komponente 64- längs der Z-Achse auf. Durch die Wechselwirkung des optischen Pumplichtes 64- und des stetigen Magnetfeldes 68, sind die magnetischen Momente der Rubidiumatome 60 vorzugsweise in der Z-Richtung ausgerichtet. Durch interatomare Stöße wird die Ausrichtung der magnetischen Momente von den Rubidium-Atomen 60 auf die Edelgaskerne 62 und die Cäsiumatome 61 übertragen.

Ein sinusförmiges, magnetisches Bückkopplungs-Wechselfeld 70, welches an die Frequenz und Phase der Larmor-Präzessionsfrequenz des magnetischen Gesamtmomentes der Edelgaskerne 62 angepaßt ist, wird in der X-Richtung angewandt und dient dazu, die magnetischen Momente dieser Kerne in die X-X-Ebene-zu drehen "bzw. zu zwingen. Diese Komponente des magnetischen Kernmomentes des Edelgases prazessiert dann in der X-Y-Ebene bei der Larmor-Präzessionsfrequenz des Edelgases um das stetige Magnetfeld Diese prozessierende Komponente des magnetischen Kernmomentes erzeugt ein kernmagnetisches Präzessionsfeld, welches sich in der X-Y-Ebene dreht. · ·

Das Licht 66 zum Messen "bei der Wellenlänge des Cäsiums, beispielsweise von einer Cäsium-Lampe oder einem Cäsium-Laser,, wechselwirkt mit den Cäsium-Atomen, die sich unter dem Einfluß des stetigen Magnetfeldes 68 einem überlagerten magnetischen Träger-Wechselfeld 69 und der T-Komponente des Kernpräzessionsf eldes befinden.Die' Wechselwirkung bewirkt, daß die Intensität der X-Kbmponente des hindurchgegangenen Cäsiumlichtes 72 mit der Trägerfrequenz moduliert wird, wobei die Modulationseinhüllende 74- "bei <ler Kernpräzessionsfrequenz liegt. Diese Lichtmodulationen werden dann .durch den Fotodetektor 4-0 in elektrische Signale umgewandelt. Die elektrischen Signale können von einem elektronischen Schaltkreis verarbeitet werden, um Signale zu erzeugen, die ein Maß für die Winkelgeschwindigkeit des Gyroskops sind, wie es aus der US-PS 4-, 157,495 hervorgeht.

Die vorliegende Erfindung wurde in bezug auf besondere Elemente und besondere physikalische Anordnungen beschrieben.

Es ist jedoch offenbar, daß in den Eahmen der Erfindung fallende,

sinnvolle Abwandlungen vorgenommen werden können, wie z.B. die Vervrendung unterscliiedliclier, optischer Wege, die zum gleichen Ergebnis führen, oder die Verwendung unterschiedlicher Kombinationen von Edelgasen oder die Verwendung eines unterschiedlichen, pumpbaren Stoffes als. Rubidium und Cäsium, oder die Verwendung anderer Werte für die Frequenzen oder Magnetfelder, die in der vorhergehenden Beschreibung genannt wurden.

Claims

Patentansprüche

ill Kernmagnetische Resonanz-Fest stelleinrichtung, mit .einer kernmagnetischen Resonanzzelle, einem gasförmigen Dampf eines ersten, optisch pumpbaren Stoffes, welcher ein magnetisches Moment "besitzt und optisch gepumpt werden kann, wobei der pumpbare Stoff in der Zelle enthalten ist,, mit wenigstens einem kernmagnetischen Gas, von denen ein jedes ein magnetisches Kernmoment aufweist und ebenfalls in der Zelle enthalten ist, wobei die magnetischen Kernmomente eines jeden der kernmagnetischen

TELEFON (O ββ) 22 28 β2

TELEX 05-29-180

Gase wenigstens teilweise ausgerichtet sind, mit einer Einrichtung um ein stetiges Magnetfeld auf die Zelle anzuwenden,, einer ersten Einrichtung zum" Beleuchten der . Zelle mit Licht zum Pumpen, welches teilweise die magnetischen Momente des optisch pumpbaren Stoffes in einer Richtung durch Absorption des Lichtes ausrichtet, mit einer Einrichtung, durch die die ausgerichteten, magnetischen Kernmomente eines jeden der kernmagnetischen Gase um die Richtung des stetigen Magnetfeldes bei den entsprechenden Larmor-Präzessionsfrequenzen eines jeden der kernmagnetischen Gase präzessiert, und mit einer Einrichtung um ein magnetisches Träger-Wechselfeld auf die Zelle anzuwenden, dadurch gekennzeichnet , daß ein gasförmiger Dampf eines zweiten, optisch pumpbaren Stoffes (61), der ein magnetisches Moment besitzt und optisch gepumpt werden kann, in der Zelle (28) enthalten ist, daß eine zweite Einrichtung zum Beleuchten der Zelle mit Licht (66) zum Messen bzw. Fühlen bei einer Wellenlänge vorgesehen ist, welche ungefähr gleich einer Wellenlänge ist, die von dem zweiten, optisch pumpbaren Stoff (61) absorbierbar ist, daß eine Einrichtung vorgesehen ist, durch die Meßlicht senkrecht zur Richtung des magnetischen Träger-Wechselfeldes (69) zuführbar ist, um Modulationen der Intensität des hindurchgegangenen Teiles des Meßlrhtes im wesentlichen bei der Frequenz von wenigstens einer harmonischen unter Einschluß der Grundschwingung des magnetischen Träger-Wechselfeldes (69) zu erzeugen, und daß eine Einrichtung (4-0) zum Feststellen wenigstens einer der Intensitätsmodulationen des hindurchgegangenen Anteils des Meßlichtes vorgesehen ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei optisch pumpbaren Stoffe unterschiedliche Alkalimetalldämpfe sind.'
3· Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß der erste, optisch pumpbare Stoff Rubidium-Dampf und der zweite, optisch pumpbare Stoff Cäsium-Dampf ist.
4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 "bis 3» dadurch gekennzeichnet , daß die erste Beleuchtungs- einrichtung ein Laser "bei der Rubidium-Wellenlänge und die zweite Beleuchtungseinrichtung ein Laser bei der Gäsium-Vellenlänge ist.