KR102126448B1 - 원자 스핀을 이용한 회전측정 장치 - Google Patents

원자 스핀을 이용한 회전측정 장치 Download PDF

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임신혁
이상경
심규민
김태현
김재일
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국방과학연구소
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Abstract

본 발명은 원자 스핀을 이용한 회전측정 장치를 제공한다. 일 실시예에 따른 회전측정 장치는 내부에 알칼리 원자 및 노블 가스가 포함된 원자 증기 셀, 원자 증기 셀에 광선을 조사하여 알칼리 원자를 광펌핑함으로써 노블 가스의 스핀를 정렬하기 위한 펌프 레이저를 포함한다. 본 발명에 따르면, 원자 증기 셀의 적어도 한 면은 반사코팅되어 원자 증기 셀에 조사된 광선을 반사하고, 검출기는 반사된 광선을 검출한다.
또한, 원자 증기 셀에 광선을 조사하여 정렬된 노블 가스의 세차운동 주파수를 검출하기 위한 검출 레이저를 포함할 수 있다. 본 발명에 따르면, 검출 레이저로부터 조사된 광선은 반사코팅된 프리즘 거울에서 반사되어 상기 원자 증기 셀에 입사한다.
검출기에서는 검출 레이저로부터 원자 증기 셀에 조사된 광선을 검출하고, 검출된 신호에 기초하여 회전을 측정한다.

Description

원자 스핀을 이용한 회전측정 장치 {APPARATUS FOR MEASURING ROTATIO USING ATOMIC SPIN}
본 개시는 원자 스핀을 이용한 회전측정 장치를 제공한다.
원자의 스핀은 외부 섭동에 가장 둔감한 물리량 중의 하나이다. 원자 증기 셀, 펌프 레이저, 검출 레이저 등을 이용하여 원자 스핀을 측정하고, 원자 스핀에 기초하여 각종 디바이스의 회전(즉, 각속도)을 측정할 수 있다.
최근에는 원자스핀을 이용하여 회전을 측정할 수 있는 다양한 센서가 개발되고 있다. 예를 들어, 원자시계, 원자스핀 자이로스코프, 자기장 센서 등이 있다.
이에 따라, 원자스핀을 이용하여 회전을 측정할 수 있는 보다 효율적인 자이로스코프에 대한 필요성이 요구되는 실정이다.
한국 등록특허 제10-1809402호(2017.12.08) 한국 공개특허 제10-2001-0030600호(2001.04.16)
원자 스핀을 이용한 회전측정 장치를 제공하는데 있다. 또한, 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 이하의 실시예들로부터 또 다른 기술적 과제들이 유추될 수 있다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 개시의 제1 측면은, 내부에 알칼리 원자 및 노블 가스가 포함된 원자 증기 셀; 상기 원자 증기 셀에 광선을 조사하여 상기 알칼리 원자를 광펌핑함으로써 상기 노블 가스의 스핀를 정렬하기 위한 펌프 레이저; 상기 펌프 레이저로부터 상기 원자 증기 셀에 조사된 광선을 검출하는 제 1 검출기; 상기 원자 증기 셀에 광선을 조사하여 상기 정렬된 노블 가스의 세차운동 주파수를 검출하기 위한 검출 레이저; 상기 검출 레이저로부터 상기 원자 증기 셀에 조사된 광선을 검출하는 제 2 검출기; 및 상기 제 2 검출기에서 검출된 신호에 기초하여 회전을 측정하는 연산부;를 포함하고, 상기 원자 증기 셀의 적어도 한 면은 반사코팅되어 상기 원자 증기 셀에 조사된 광선을 반사하고, 상기 검출기는 상기 반사된 광선을 검출하는 것인, 원자 스핀을 이용한 회전측정 장치를 제공할 수 있다.
또한, 상기 원자 증기 셀의 한 면은 반사코팅되고, 나머지 면은 무반사 코팅되는 것인, 회전측정 장치를 제공할 수 있다.
또한, 자기장 발생이 최소화되도록 AC전류가 인가되는 온도 제어 장치;를 더 포함하는 것인, 회전측정 장치를 제공할 수 있다.
또한, 상기 회전측정 장 내 진공을 확보하기 위한 pinch-off tube;를 더 포함하는 것인, 회전측정 장치를 제공할 수 있다.
또한, 상기 노블 가스의 Larmor frequency에 상응하는 주파수의 AC 자기장이 인가되는 자기장 제어 코일;를 더 포함하는 것인, 회전측정 장치를 제공할 수 있다.
또한, 상기 연산부는, 상기 제 2 검출기에서 검출된 신호를 복조하는 Bz controller; 상기 Bz controller에 의해 복조된 신호를 필터링하는 복수의 대역 통과 필터; 상기 복수의 대역 통과 필터를 통과한 신호 각각을 복조하는 복수의 국부 발진기(local oscillator); 상기 복수의 국부 발진기에 의해 복조된 신호를 필터링하는 복수의 저역 통과 필터;를 포함하고, 상기 복수의 저역 통과 필터를 통과한 신호에 기초하여 상기 회전을 측정하는 것인, 회전측정 장치를 제공할 수 있다.
또한, 상기 회전측정 장치는, 상기 측정된 회전에 대한 정보를 피드백하는 것인, 회전측정 장치를 제공할 수 있다.
본 개시의 제2 측면은, 내부에 알칼리 원자 및 노블 가스가 포함된 원자 증기 셀; 상기 원자 증기 셀에 광선을 조사하여 상기 알칼리 원자를 광펌핑함으로써 상기 노블 가스의 스핀을 정렬하기 위한 펌프 레이저; 상기 펌프 레이저로부터 상기 원자 증기 셀에 조사된 광선을 검출하는 제 1 검출기; 상기 원자 증기 셀에 광선을 조사하여 상기 스핀이 정렬된 노블 가스의 세차운동 주파수를 검출하기 위한 검출 레이저; 상기 검출 레이저로부터 상기 원자 증기 셀에 조사된 광선을 검출하는 제 2 검출기; 및 상기 제 2 검출기에서 검출된 신호에 기초하여 회전을 측정하는 연산부;를 포함하고, 상기 검출 레이저로부터 조사된 광선은 반사코팅된 프리즘 거울에서 반사되어 상기 원자 증기 셀에 입사하는 것인, 원자 스핀을 이용한 회전측정 장치를 제공할 수 있다.
또한, 자기장 발생이 최소화되도록 AC전류가 인가되는 온도 제어 장치;를 더 포함하는 것인, 회전측정 장치를 제공할 수 있다.
또한, 상기 회전측정 장 내 진공을 확보하기 위한 pinch-off tube;를 더 포함하는 것인, 회전측정 장치를 제공할 수 있다.
또한, 상기 노블 가스의 Larmor frequency에 상응하는 주파수의 AC 자기장이 인가되는 자기장 제어 코일;를 더 포함하는 것인, 회전측정 장치를 제공할 수 있다.
또한, 상기 연산부는, 상기 제 2 검출기에서 검출된 신호를 복조하는 Bz controller; 상기 Bz controller에 의해 복조된 신호를 필터링하는 복수의 대역 통과 필터; 상기 복수의 대역 통과 필터를 통과한 신호 각각을 복조하는 복수의 국부 발진기(local oscillator); 상기 복수의 국부 발진기에 의해 복조된 신호를 필터링하는 복수의 저역 통과 필터;를 포함하고, 상기 복수의 저역 통과 필터를 통과한 신호에 기초하여 상기 회전을 측정하는 것인, 회전측정 장치를 제공할 수 있다.
또한, 상기 회전측정 장치는, 상기 측정된 회전에 대한 정보를 피드백하는 것인, 회전측정 장치를 제공할 수 있다.
또한, 상기 원자 증기 셀의 적어도 한 면은 반사코팅되어 상기 원자 증기 셀에 조사된 광선을 반사하고, 상기 검출기는 상기 반사된 광선을 검출하는 것인, 회전측정 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 루비듐 원자의 초미세 에너지 구조를 나타내는 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 루비듐 원자의 제만 부준위와 광펌핑을 설명하는 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 Spin-orbit interaction에 의한 루비듐 원자의 미세 구조를 나타내는 도면이다.
도 4a 내지 도 4b는 일 실시예에 따른 질소가스에 의한 루비듐 원자의 quenching 효과를 나타내는 도면이다.
도 5는 일 실시예에 따른 원자 스핀 자이로스코프의 동작원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 일 실시예에 따른 원자스핀을 이용한 회전측정 장치의 개념도이다.
도 7은 일 실시예에 따른 원자스핀을 이용한 회전측정 장치의 보다 자세한 개념도이다.
도 8은 일 실시예에 따른 핵자기공명 신호를 나타내는 도면이다.
도 9a는 일 실시예에 따른 70 kHz로 자기장을 변조한 후 측정한 검출 레이저 신호를 나타내는 도면이다.
도 9b는 일 실시예에 따른 70 kHz 신호를 복조하고 LPF를 거친 후 129Xe 신호를 나타내는 도면이다.
도 10은 일 실시예에 따른 129Xe 및 131Xe의 분산신호를 나타내는 도면이다.
본 명세서에서 다양한 곳에 등장하는 "일부 실시예에서" 또는 "일 실시예에서" 등의 어구는 반드시 모두 동일한 실시예를 가리키는 것은 아니다.
본 개시의 일부 실시예는 기능적인 블록 구성들 및 다양한 처리 단계들로 나타내어질 수 있다. 이러한 기능 블록들의 일부 또는 전부는, 특정 기능들을 실행하는 다양한 개수의 하드웨어 및/또는 소프트웨어 구성들로 구현될 수 있다. 예를 들어, 본 개시의 기능 블록들은 하나 이상의 마이크로프로세서들에 의해 구현되거나, 소정의 기능을 위한 회로 구성들에 의해 구현될 수 있다. 또한, 예를 들어, 본 개시의 기능 블록들은 다양한 프로그래밍 또는 스크립팅 언어로 구현될 수 있다. 기능 블록들은 하나 이상의 프로세서들에서 실행되는 알고리즘으로 구현될 수 있다. 또한, 본 개시는 전자적인 환경 설정, 신호 처리, 및/또는 데이터 처리 등을 위하여 종래 기술을 채용할 수 있다. “매커니즘”, “요소”, “수단” 및 “구성”등과 같은 용어는 넓게 사용될 수 있으며, 기계적이고 물리적인 구성들로서 한정되는 것은 아니다. 또한, 명세서에 기재된 "??부", "??모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
또한, 도면에 도시된 구성 요소들 간의 연결 선 또는 연결 부재들은 기능적인 연결 및/또는 물리적 또는 회로적 연결들을 예시적으로 나타낸 것일 뿐이다. 실제 장치에서는 대체 가능하거나 추가된 다양한 기능적인 연결, 물리적인 연결, 또는 회로 연결들에 의해 구성 요소들 간의 연결이 나타내어질 수 있다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다.
도 1은 일 실시예에 따른 원자의 에너지 준위를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 고전적으로 원자는 양전하를 띠는 핵을 중심으로 음전하를 갖는 전자가 특정 궤도를 회전하는 구조로 본다. 핵과 전자는 각각 스핀을 갖는다. 전자는 orbital angular momentum L과 spin angular momentum S로 구성된다. 두 운동량의 벡터합을 가리켜 total electron angular momentum J라 한다 (
Figure 112019030459690-pat00001
).
핵의 angular momentum은 I이다. 핵의 운동량과 전자의 운동량의 벡터합에 의해 원자의 total angular momentum은
Figure 112019030459690-pat00002
로 표현한다. 예를 들어, 87Rb의 D1 전이의 초미세구조의 경우, 바닥상태의 주파수 차는 도 1과 같이 6.8 GHz이다.
Figure 112019030459690-pat00003
은 orbital angular momentum L=0, spin angular momentum S=1/2이며,
Figure 112019030459690-pat00004
은 L=1, S=1/2이다. 벡터합에 의해 J=1/2이고, 87Rb의 경우 I=3/2이므로 F=2 or 1이다.
양자축을 정의하여 원자의 스핀을 정렬하기 위해 z-축 방향으로 선형 자기장을 인가한다. 원자는 자신이 가지고 있는 angular momentum에 의해 원자의 내부 에너지 구조가 바뀌며 이를 magnetic moment로 표현한다. 핵의 angular moment에 의한 magnetic moment는
Figure 112019030459690-pat00005
로 표현한다.
Figure 112019030459690-pat00006
는 핵의 gyromagnetic ratio이며
Figure 112019030459690-pat00007
로 표현한다.
Figure 112019030459690-pat00008
는 양성자의 질량,
Figure 112019030459690-pat00009
는 핵의 g-factor라고 한다. 예를 들어, 87Rb은
Figure 112019030459690-pat00010
에 해당하는 gyromagnetic ratio를 갖고, 129Xe은
Figure 112019030459690-pat00011
, 131Xe은
Figure 112019030459690-pat00012
의 값을 갖는다.
양자축으로 원자의 magnetic moment가 정렬하는 과정에서 토크가 발생하며, angular momentum의 시간에 따른 운동방정식은 아래 수학식 1과 같다.
Figure 112019030459690-pat00013
위 운동방정식을 풀기 위해 magnetic moment와 자기장은 아래 수학식 2와 같이 표현한다.
Figure 112019030459690-pat00014
Figure 112019030459690-pat00015
최종적으로
Figure 112019030459690-pat00016
의 관계식을 얻는다. x-y 평면상에서 핵의 angular momentum, 원자의 스핀은
Figure 112019030459690-pat00017
의 주파수로 회전하며 이를 가리켜 Larmor frequency라 한다. 만약 검출기가 reference frame 대비
Figure 112019030459690-pat00018
로 회전한다면, 검출기에서 관측되는 원자의 Larmor frequency는 아래 수학식 3과 같다.
Figure 112019030459690-pat00019
위 식과 같은 원리로 원자의 스핀으로부터 물체의 회전정보를 측정할 수 있다.
원자 스핀을 이용한 센서를 개발하기 위해선 많은 원자들이 동일한 상태, 또는 동일한 스핀을 가져야 한다. 하지만 자연상태의 원자는 Boltzmann distribution을 따른다. 예를 들어, 자기장이 가해졌을 때 자기장과 같은 방향으로 정렬하는 스핀 대비 반대 방향으로 정렬하는 스핀의 비율은
Figure 112019030459690-pat00020
로 주어진다.
Figure 112019030459690-pat00021
는 에너지차, T는 온도이다. 예를들어, 87Rb에 10 G 자기장을 인가하면, 각 에너지 간의 에너지 차는 아래 수학식 4와 같다.
Figure 112019030459690-pat00022
Figure 112019030459690-pat00023
에너지 차가 아주 작기 때문에
Figure 112019030459690-pat00024
Figure 112019030459690-pat00025
이라고 가정해도 무방하다.
원자의 스핀을 한쪽 방향으로 정렬하기 위해 광펌핑(optical pumping) 방법을 사용한다.
도 2는 일 실시예에 따른 좌원 편광된 광선에 의한 원자의 가능한 전이선을 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 좌원 편광된 광선에 의한 87Rb의 가능한 전이선이 도시된다. 광펌핑 광선을 지속적으로 원자에 조사하면,
Figure 112019030459690-pat00026
상태에 원자가 모인다. 만약 우원 편광된 광선을 조사하면
Figure 112019030459690-pat00027
상태에 원자가 모인다. 이러한 광펌핑을 통해서 원자를 동일한 상태에 놓는다. 이는 각각의 원자가 동일한 Larmor frequency로 회전하고 있음을 뜻한다. 하지만 각각의 Larmor frequency는 서로 다른 위상을 갖고 회전하기 때문에 x-y 평면상에서 magnetic moment는 상쇄간섭으로 0이다. z-축 성분의 magnetic moment만 남아서 거시적인 관점에서 원자들은 자화(magnetization)된다.
원자의 스핀을 이용한 원자 스핀 자이로스코프의 경우 Angular Random Walk (ARW)가 주요 성능이다. 우수한 ARW를 갖기 위해서는 원자의 transverse relaxation time이 충분히 길어야 한다. Rb의 경우 10ms 정도로 너무 작은 값을 갖기 때문에, transverse relaxation time이 100s 정도인 Xe이 적절하다. 하지만 Xe의 경우 Rb처럼 광펌핑으로 스핀을 정렬할 수 있는 에너지 전이선이 없다. Xe의 스핀은 Rb과의 충돌과정을 통해서 Rb의 스핀이 Xe의 스핀으로 전이하는 방법을 통해서 정렬한다. 이를 스핀교환충돌 (spin exchange collision)이라 한다.
스핀 교환에 의해 Xe의 스핀 상태가 정렬하기 위해선 Rb의 많은 원자가 동일한 스핀 상태에 모여 있어야 한다. 하지만 Rb이 자발방출을 통해 들뜬상태에서 바닥상태로 내려오는데 시간이 걸린다는 점, Xe과의 충돌로 스핀이 전이 된다는 점, 버퍼가스의 사용으로 인해 들뜬 상태의 total angular momentum이 달라진다는 점을 고려해야 한다.
도 3은 일 실시예에 따른 collisional broadening으로 인해 달라진 도 2의 에너지 구조를 도시한 도면이다.
고압의 버퍼가스 사용으로 인한 Rb과 버퍼가스의 collisional broadening으로 도 2와 같은 에너지 구조는 도 3과 같이 달라진다. 초미세구조가 사라지고 orbital angular momentum L에 의한 전이만 남는다. 그리고 각 상태는 total electron angular momentum J에 의해
Figure 112019030459690-pat00028
상태로 분리된다.
도 4a는 일 실시예에 따른 우원편광된 광선을 양자축을 원자에 조사하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 4a를 참조하면, 우원편광된 광선을 양자축으로 조사하면
Figure 112019030459690-pat00029
에 있던 원자는
Figure 112019030459690-pat00030
의 상태로 전이한다. 그리고 collisional broadening에 의해
Figure 112019030459690-pat00031
에 있던 원자의 절반이
Figure 112019030459690-pat00032
의 상태로 바뀐다. 일정 시간이 지난 후 들뜬 상태에 있던 원자는 자발방출에 의해 두 바닥상태인
Figure 112019030459690-pat00033
과
Figure 112019030459690-pat00034
로 떨어진다.
도 4b는 일 실시예에 따른 버퍼가스를 사용하여 원자를 들뜬상태에서 바닥상태로 내리는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 4b를 참조하면, 버퍼가스로 질소를 사용하면, 질소가 들뜬상태에 있던 Rb을 냉각(quenching)하여 자발방출 과정없이 바닥상태로 내린다. 이 과정은 자발방출보다 단 시간내 이뤄지기 때문에 효율적으로 원자를 특정 상태로 편극할 수 있다. 많은 Rb을
Figure 112019030459690-pat00035
상태에 편극할 수 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 원자 스핀 자이로스코프의 동작원리를 설명하기 위한 도면이다.
과정 510을 통해 Rb 또는 Cs과 같은 알칼리 원자를 원형편광된 광선으로 광펌핑하여 특정 스핀 상태에 편극한다. Xe 원자의 스핀은 방향성이 없어 전체 magnetization은 0이다. 또한, 과정 520을 통해 알칼리 원자와 Xe 원자의 스핀교환충돌로 인해 알칼리 원자의 스핀이 Xe의 전이된다. Xe이 서로 다른 위상으로 동일한 Larmor frequemcy로 세차운동한다. 각 Xe 원자의 Larmor frequency의 위상이 다르기 때문에 z축으로만 magnetization 성분
Figure 112019030459690-pat00036
을 갖는다.
과정 530을 통해 x-축 방향으로 Xe의 Larmor frequency와 비슷한 주파수로 자기장을 변조한다. Xe의 Larmor frequency의 위상이 서로 동기화 되어 x-y 평면상의 magnetization 성분이 생긴다. 즉 Xe 원자 전체 magnetization이 z-축을 중심으로 세차운동 한다. x-축으로 특정 파장대의 검출 레이저를 조사하면, Xe의 세차운동에 해당하는 주파수로 검출 레이저의 intensity가 변조한다. 해당 신호를 광검출기로 검출한다. 만약 검출기가 reference frame 대비
Figure 112019030459690-pat00037
로 회전한다면, 검출기에서 관측되는 원자의 Larmor frequency는
Figure 112019030459690-pat00038
로 주어진다. 자기장에 민감한 부분을 상쇄하기 위해 두 개의 다른 동위원소를 사용한다. 예를 들어, 129Xe과 131Xe을 사용한다. 두 원자로부터 검출한 신호는 아래 수학식 5와 같다.
Figure 112019030459690-pat00039
Figure 112019030459690-pat00040
두 동위원소의 gyromagnetic ratio의 부호가 반대이기 때문에 외부에서 인가한 각속도의 부호가 다르다. 자기장과 각속도 식을 아래 수학식 6과 같이 정리할 수 있다.
Figure 112019030459690-pat00041
Figure 112019030459690-pat00042
위와 같은 원리로 원자의 스핀을 이용하여 각속도를 측정할 수 있는 정밀한 자이로스코프를 구현할 수 있다.
도 6은 일 실시예에 따른 원자스핀을 이용한 회전측정 장치의 개념도이다.
도 6을 참조하면, 회전측정 장치(600)는 원자 증기 셀(601), 검출 레이저(602), 펌프 레이저(603), 광검출기 1(604), 광검출기 2(605), 자기장 차폐통(606), 프리즘 거울 1(607), 프리즘 거울 2(608), 편광빔분배기 1(609), 편광빔분배기 2(610) 및 연산부(611)를 포함할 수 있다. 그러나, 회전측정 장치(600)는 상기 열거한 구성들만으로 제한되지 않고, 일부 구성이 더 추가되거나 생략될 수 있다.
원자 증기 셀(601) 내부에는 알칼리 원자 및 노블 가스가 들어있을 수 있다. 또한, 원자 증기 셀(601)에는 버퍼가스가 들어있을 수 있다.
펌프 레이저(603)는 원자 증기 셀(601)로 광선을 조사할 수 있다. 펌프 레이저(603)로부터 원자 증기 셀(601)에 광선이 조사되면 원자 증기 셀(601) 내부의 알칼리 원자가 광펌핑됨으로써 노블 가스의 스핀이 정렬된다.
이 때, 원자 증기 셀(601)의 적어도 한 면은 반사코팅되어 원자 증기 셀(601)에 조사된 광선을 반사할 수 있다. 원자 증기 셀(601)의 반사코팅된 면으로부터 반사된 광선은 편광빔분배기 1(609)를 통과하여 광검출기 1(604)에 도달한다. 일 실시예에서 원자 증기 셀(601)의 한 면은 반사코팅되고, 나머지 면은 무반사 코팅될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 원자 증기 셀(601)을 통과한 광선을 반사시키기 위해 별도의 거울을 이용하는 대신 원자 증기 셀(601)의 적어도 한 면을 반사코팅함으로써, 비용을 줄이고 장치를 안정화할 수 있다.
검출 레이저(602)는 원자 증기 셀(601)로 광선을 조사할 수 있다. 검출 레이저(602)로부터 원자 증기 셀(601)에 광선이 조사되면, 광검출기 2(605)는 원자 증기 셀(601) 내부의 스핀이 정렬된 노블 가스의 세차운동 주파수를 검출할 수 있다.
구체적으로, 검출 레이저(602)에서 나온 광선은 프리즘 거울 1(607)에 도달한다. 이 때, 프리즘 거울 1(607)의 경사면은 반사코팅되어 입사된 광선을 원자 증기 셀(601)로 보낼 수 있다. 예를 들어, 프리즘 거울 1(607)의 경사면은 97 내지 98%로 반사코팅될 수 있다.
원자 증기 셀(601)을 통과한 광선은 프리즘 거울 2(608) 및 편광빔분배기 2(610)를 차례로 통과하여 광검출기 2(605)에 도달한다. 연산부(611)는 광검출기 2(605)에서 검출된 신호에 기초하여 회전을 측정할 수 있다.
도 7은 일 실시예에 따른 원자스핀을 이용한 회전측정 장치의 보다 구체적인 개념도이다.
도 7을 참조하면, 회전측정 장치(700)는 원자 증기 셀(701), 온도 제어 장치(702), 프리즘 거울 1(703), 광검출기 1(704), 검출 레이저(705), 펌프 레이저(706), collimation lens 1(707), 편광빔분배기 1(708), collimation lens 2(709), 편광빔분배기 2(710), 편광지연기(711), 광검출기 2(712), 거울(713), 프리즘 거울 2(714), 편광빔분배기 3(715), 광검출기 3(716), 자기장 제어 코일(717), 자기장 차폐통(718) 및 진공용 pinch-off tube(719)를 포함할 수 있다.
또한, 회전측정 장치(700)는 연산부(720)를 더 포함할 수 있다. 연산부(720)는 차분기, Bz controller, Bx controller, band pass filter, low pass filter, 129Xe용 local oscillator (LO for 129Xe), 131Xe용 local oscillator (LO for 131Xe) 등으로 구성될 수 있다.
그러나, 회전측정 장치(700) 및 연산부(720)는 상기 열거한 구성들만으로 제한되지 않고, 일부 구성이 더 추가되거나 생략될 수 있다.
원자 증기 셀(701)은 지자기장을 60dB 이상 차폐할 수 있는 자기 차폐통 안에 고정될 수 있다. 원자 증기 셀(701)에는 알칼리 원자, 노블 가스(예: Xe, He 등), 버퍼가스(예: 질소, 네온 등) 등이 들어있을 수 있다. 예를 들어, 원자스핀 자이로스코프의 한 종류는 87Rb, 129Xe, 131Xe, 질소, 수소 등이 들어 있는 원자 증기 셀(701)을 사용한다.
원자 증기 셀(701)의 온도를 100 ℃ 이상에서 안정화 하기 위해 자기장 발생이 없는 온도 제어 장치(702)를 사용한다. 온도 제어 장치(702)에 AC 전류를 인가하여 자기장 발생을 최소화 한다.
자기장 제어 코일(717)의 z-축 코일에 전류를 인가하여 z-축 방향으로 선형 자기장을 형성한다. 예를 들어, 원자스핀 자이로스코프의 경우 10
Figure 112019030459690-pat00043
의 자기장을 인가하여 양자축을 정의한다. 이 때 87Rb의 Larmor frequency는 약 69.9 kHz, 129Xe은 118.6 Hz, 131Xe은 35.2 Hz 이다.
펌프 레이저(706)는 알칼리 원자의 광펌핑을 통해 노블 가스의 스핀을 정렬하는데 사용한다. 일 실시예에서 펌프 레이저(706)의 편광을 조절함으로써 광펌핑 효율을 최적화할 수 있다.
펌프 레이저(706)에서 나온 광선은 collimation lens 2(709)를 거쳐 평행광으로 바뀐다. 편광빔분배기 2(710)를 지나 정의된 선형편광된 광선은 편광지연기(711)를 지나 원형편광으로 바뀐다. 원형편광된 광선은 원자 증기 셀(701)을 지나 알칼리 원자의 편광을 정렬한다. 예를 들어, 87Rb의 경우 펌프 레이저의 파장은 795 nm이다. 원자 증기 셀(701)을 통과한 광선은 거울(713)에서 반사되어 다시 원자 증기 셀(701)을 거친 후 편광빔분배기 2(710)에서 반사되어 광검출기 2(712)에서 검출된다.
광검출기 2(712)에서 검출된 신호는 펌프 레이저(706)의 출력을 안정화하는데 사용된다. 다른 실시예에서 거울(713)을 사용하지 않고 광검출기 2(712)를 거울(713) 위치에 두어 펌프 레이저(706)의 출력을 검출할 수도 있다. 또 다른 실시예에서 원자 증기 셀(701)의 한 면을 반사코팅하여 펌프 레이저(706)로부터 조사된 광선을 바로 반사시킬 수 있다.
일 실시예에서, 원자 증기 셀(701)을 통과한 펌프 레이저(706)로부터 조사된 광선을 되반사시킴으로써 펌핑 효율을 높일 수 있다.
검출 레이저(705)에서 나온 광선은 collimation lens 1(707)을 통해 평행광으로 바뀐다. 편광빔분배기 1(708)을 지나 정의된 선형편광된 광선은 프리즘 거울 1(703)에서 반사하여 원자 증기 셀(701)에 입사한다. 프리즘 거울 1(703)의 경사면은 검출 레이저(705) 파워의 일부가 투과할 수 있도록 코팅할 수 있다.
프리즘 거울 1(703)에서 투과한 검출 레이저는 광검출기 1(704)에서 검출하여 검출 레이저(705)의 파워 안정화에 사용된다. 노블가스의 세차운동에 의해 알칼리 원자의 에너지 준위에 변조가 발생하고, 검출 레이저(705)의 편광 축이 faraday rotation에 의해 세차운동 주파수로 변조한다. 원자 증기 셀(701) 통과한 검출 레이저(705)는 프리즘 거울 2(714)에서 반사하고, 편광지연기(711)에서 편광이 45도 돌아간다. 편광빔분배기 3(715)에서 두 경로로 갈라진 검출 레이저(705)를 통해 광검출기 3(716)에서 세차운동 주파수로 변조하는 신호를 검출한다.
노블 가스의 Larmor frequency 동기화를 위해 자기장 제어 코일(717)의 x-축 코일에 Larmor frequency와 거의 동일한 주파수의 AC 자기장을 인가한다.
장기 안정도를 개선하고 소비전력을 낮추기 위해 자기 차폐통(718) 안을 mTorr 수준의 진공으로 유지한다. Pinch-off tube(719)에 로타리 펌프를 연결하여 진공을 내린 후 pinch-off 하여 실링한다. Pinch-off tube(719)를 이용하여 차폐통(718) 내 진공을 확보함으로써 원자 증기 셀(701)의 온도를 올리는 과정에서 발생하는 소비 전력을 최소화할 수 있다. 또한, Pinch-off tube(719)를 이용하여 차폐통(718) 내 진공을 확보함으로써 외부 온도 변화에 따른 회전측정장치 성능 변화를 최소화할 수 있다.
z-축으로 선형 자기장, x-축으로 AC 자기장이 걸려 있는 상태에서 노블가스의 magnetization의 운동방정식은 아래 수학식 7과 같다.
Figure 112019030459690-pat00044
Longitudinal spin relaxation time
Figure 112019030459690-pat00045
은 magnetic moment의 z-축 방향 성분을 가리키며 해당 시간이 지나면 magnetic moment는 초기 값
Figure 112019030459690-pat00046
로 돌아간다. Transverse relaxation time
Figure 112019030459690-pat00047
는 magnetic moment의 x-y 평면 성분을 가리키며 해당 시간이 지나면 magnetic moment는 0이 된다. Magnetic moment가 다른 원자와의 충돌과정에서 에너지를 서로 교환하면서 Larmor frequency 위상의 coherence가 깨지는 현상이다.
위 운동방정식을 정리하면
Figure 112019030459690-pat00048
와
Figure 112019030459690-pat00049
는 아래 수학식 8과 같이 구할 수 있다.
Figure 112019030459690-pat00050
Figure 112019030459690-pat00051
신호를 코사인 함수로 복조하면 분산신호를, 사인 함수로 복조하면 흡수신호를 각각 얻는다. 이는 도 8과 같다.
노블 가스로부터 추출하는 세차운동 주파수는 수십~수백Hz로 낮다. 신호대잡음비를 증가시키고, 노블 가스에서 발생한 자기장만을 측정하기 위해 z-축으로 자기장 변조를 한다. 예를 들어, 87Rb이 들어가 있는 원자 증기 셀의 경우 70 kHz로 자기장 변조를 한다(
Figure 112019030459690-pat00052
). 이 때, Rb의 spin 운동방정식은 아래 수학식 9와 같다.
Figure 112019030459690-pat00053
수학식 9를 전개하기 위해
Figure 112019030459690-pat00054
관계식을 도입하여, 아래 수학식 10과 같은 해를 구할 수 있다.
Figure 112019030459690-pat00055
변조한 신호는 복조를 통해서 신호를 축출하므로, 코사인과 사인 함수만 아래 수학식 11과 같이 전개할 수 있다.
Figure 112019030459690-pat00056
z-축에 걸리는 AC 자기장은 알칼리 원자의 Larmor frequency와 공명하다.
Figure 112019030459690-pat00057
이다. 실수부를 선택하고,
Figure 112019030459690-pat00058
의 값을 검출하면 아래 수학식 12와 같다.
Figure 112019030459690-pat00059
예를 들어, 87Rb, 129Xe, 질소, 수소가 들어 있는 원자 증기 셀에 z-축으로 10
Figure 112019030459690-pat00060
의 자기장을 인가하고 70 kHz의 주파수로 변조했을 때, 검출 레이저에 실리는 신호는 도 9a와 같다. 이는 수학식 12와 동일한 신호를 가리킨다. 수학식 12를 복조하기 위해
Figure 112019030459690-pat00061
를 양변에 곱한 후 정리하면 수학식 13과 같다.
해당 신호 처리 부분은 도 7의 Bz controller에 의한 복조부분에 해당한다.
Figure 112019030459690-pat00062
수학식 13에서
Figure 112019030459690-pat00063
는 노블가스의 Larmor frequency에서 발생한 y-축 자기장이 알칼리 원자의 x-축 magnetic moment에 영향을 준 항이다. 노블가스와 알칼리 원자는 Fermi-contact 방식으로 자기장을 발생하며,
Figure 112019030459690-pat00064
관계식을 갖는다. 수학식 8을 수학식 13에 대입하면 아래 수학식 14와 같다.
Figure 112019030459690-pat00065
수학식 14는 도 9b와 같다. 또한 도 7에서 BPF1과 BPF2를 거친 후의 신호를 가리킨다. BPF의 center frequency는 노블 가스의 세차운동 주파수에 따라 달라진다. 복수의 BPF를 통해 이종원자에 해당하는 신호를 각각 분리할 수 있다.
수학식 14에서
Figure 112019030459690-pat00066
로 복조하고 low pass filter를 거치면 도 10와 같은 분산신호가 나온다. 도 10의 분산신호 각각은 129Xe과 131Xe의 분산신호이다. 도 7에서 LO for 129Xe과 LO for 131에 의해 신호를 복조하고 각각 LPF1과 LPF2를 거치는 과정을 가리킨다.
두 개의 신호처리를 통해서 수학식 6과 같이 자기장과 각속도에 대한 정보를 얻고, 이를 Bz controller나 Bx controller에 되먹임 할 수 있다.
본 명세서에서, "부"는 프로세서 또는 회로와 같은 하드웨어 구성(hardware component), 및/또는 프로세서와 같은 하드웨어 구성에 의해 실행되는 소프트웨어 구성(software component)일 수 있다.
전술한 본 명세서의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 명세서의 내용이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 실시예의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (14)

  1. 원자 스핀을 이용한 회전측정 장치에 있어서,
    내부에 알칼리 원자 및 노블 가스가 포함된 원자 증기 셀;
    상기 원자 증기 셀에 광선을 조사하여 상기 알칼리 원자를 광펌핑함으로써 상기 노블 가스의 스핀을 정렬하기 위한 펌프 레이저;
    상기 펌프 레이저로부터 상기 원자 증기 셀에 조사된 광선을 검출하는 제 1 검출기;
    상기 원자 증기 셀에 광선을 조사하여 상기 정렬된 노블 가스의 세차운동 주파수를 검출하기 위한 검출 레이저;
    상기 검출 레이저로부터 상기 원자 증기 셀에 조사된 광선을 검출하는 제 2 검출기;
    상기 제 2 검출기에서 검출된 신호에 기초하여 회전을 측정하는 연산부;
    내부에 상기 원자 증기 셀이 고정되며, 지자기장을 60dB 이상 차폐할 수 있는 자기 차폐통; 및
    상기 자기 차폐통 내 진공을 확보하기 위한 pinch-off tube;
    를 포함하고,
    상기 원자 증기 셀에는 별도의 거울이 부착되는 대신, 상기 원자 증기 셀의 적어도 한 면은 반사코팅되어 상기 원자 증기 셀에 조사된 광선을 반사하고, 상기 제1 검출기는 상기 반사된 광선을 검출하는 것인, 회전측정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 원자 증기 셀의 한 면은 반사코팅되고, 나머지 면은 무반사 코팅되는 것인, 회전측정 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전측정 장치는,
    자기장 발생이 최소화되도록 AC전류가 인가되는 온도 제어 장치;
    를 더 포함하는 것인, 회전측정 장치.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전측정 장치는,
    상기 노블 가스의 Larmor frequency에 상응하는 주파수의 AC 자기장이 인가되는 자기장 제어 코일;
    를 더 포함하는 것인, 회전측정 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 연산부는,
    상기 제 2 검출기에서 검출된 신호를 복조하는 Bz controller;
    상기 Bz controller에 의해 복조된 신호를 필터링하는 복수의 대역 통과 필터;
    상기 복수의 대역 통과 필터를 통과한 신호 각각을 복조하는 복수의 국부 발진기(local oscillator);
    상기 복수의 국부 발진기에 의해 복조된 신호를 필터링하는 복수의 저역 통과 필터;
    를 포함하고,
    상기 복수의 저역 통과 필터를 통과한 신호에 기초하여 상기 회전을 측정하는 것인, 회전측정 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 회전측정 장치는,
    상기 측정된 회전에 대한 정보를 피드백하는 것인, 회전측정 장치.
  8. 원자 스핀을 이용한 회전측정 장치에 있어서,
    내부에 알칼리 원자 및 노블 가스가 포함된 원자 증기 셀;
    상기 원자 증기 셀에 광선을 조사하여 상기 알칼리 원자를 광펌핑함으로써 상기 노블 가스의 스핀을 정렬하기 위한 펌프 레이저;
    상기 펌프 레이저로부터 상기 원자 증기 셀에 조사된 광선을 검출하는 제 1 검출기;
    상기 원자 증기 셀에 광선을 조사하여 상기 스핀이 정렬된 노블 가스의 세차운동 주파수를 검출하기 위한 검출 레이저;
    상기 검출 레이저로부터 상기 원자 증기 셀에 조사된 광선을 검출하는 제 2 검출기;
    상기 제 2 검출기에서 검출된 신호에 기초하여 회전을 측정하는 연산부;
    내부에 상기 원자 증기 셀이 고정되며, 지자기장을 60dB 이상 차폐할 수 있는 자기 차폐통; 및
    상기 자기 차폐통 내 진공을 확보하기 위한 pinch-off tube;
    를 포함하고,
    상기 검출 레이저로부터 조사된 광선은 반사코팅된 프리즘 거울에서 반사되어 상기 원자 증기 셀에 입사하며,
    상기 원자 증기 셀에는 별도의 거울이 부착되는 대신, 상기 원자 증기 셀의 적어도 한 면이 반사코팅되어 상기 원자 증기 셀에 조사된 광선을 반사하고, 상기 제1 검출기는 상기 반사된 광선을 검출하는 것인, 회전측정 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 회전측정 장치는,
    자기장 발생이 최소화되도록 AC전류가 인가되는 온도 제어 장치;
    를 더 포함하는 것인, 회전측정 장치.
  10. 삭제
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 회전측정 장치는,
    상기 노블 가스의 Larmor frequency에 상응하는 주파수의 AC 자기장이 인가되는 자기장 제어 코일;
    를 더 포함하는 것인, 회전측정 장치.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 연산부는,
    상기 제 2 검출기에서 검출된 신호를 복조하는 Bz controller;
    상기 Bz controller에 의해 복조된 신호를 필터링하는 복수의 대역 통과 필터;
    상기 복수의 대역 통과 필터를 통과한 신호 각각을 복조하는 복수의 국부 발진기(local oscillator);
    상기 복수의 국부 발진기에 의해 복조된 신호를 필터링하는 복수의 저역 통과 필터;
    를 포함하고,
    상기 복수의 저역 통과 필터를 통과한 신호에 기초하여 상기 회전을 측정하는 것인, 회전측정 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 회전측정 장치는,
    상기 측정된 회전에 대한 정보를 피드백하는 것인, 회전측정 장치.
  14. 삭제
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