RU207277U1

RU207277U1 - Nuclear gyroscope

Info

Publication number: RU207277U1
Application number: RU2021112808U
Authority: RU
Inventors: Сергей Викторович Ермак; Владимир Васильевич Семёнов
Priority date: 2021-04-30
Filing date: 2021-04-30
Publication date: 2021-10-21

Abstract

Полезная модель относится к технике ядерных гироскопов с оптической накачкой. Технический результат заключается в устранении измерительной погрешности, связанной с негативным влиянием зондирующего излучения на атомы рабочего вещества. Ядерный гироскоп содержит два оптических тракта, в первом из которых последовательно расположены источник накачки, первый циркулярный поляризатор, первая камера поглощения с парами щелочного металла и тремя изотопами ядерных парамагнетиков, охваченная радиочастотной катушкой, ось которой перпендикулярна оси первого оптического тракта, во втором оптическом тракте последовательно размещены второй циркулярный поляризатор и фотодетектор, подключенный к схеме обработки, первый выход которой подключен к радиочастотной катушке, а второй – к схеме регистрации скорости вращения, причем первая камера поглощения помещена в магнитный экран, внутри которой установлены магнитные катушки, подключенные к блоку питания. Между источником накачки и первым циркулярным поляризатором размещена светоделительная призма, к которой присоединен световод, выход которого установлен на оптической оси второго оптического тракта, перед вторым циркулярным поляризатором, вблизи первой камеры поглощения между вторым циркулярным поляризатором и фотодетектором установлена вторая камера поглощения с парами щелочного металла, идентичного парам щелочного металла в первой камере поглощения, при этом оптические оси первого и второго оптических трактов взаимно перпендикулярны, оптическая ось второго оптического тракта параллельна оси радиочастотной катушки, а ось магнитных катушек параллельна оптической оси первого оптического тракта и проходит через точку, расположенную на середине расстояния между центрами первой и второй камер поглощения.Технический положительный результат предлагаемой схемы ядерного гироскопа состоит в уменьшении влияния резонансного излучения на интенсивность и ширину линий ядерных парамагнетиков, вследствие пространственного разнесения оптических трактов накачки и детектирования. 4 ил.The utility model relates to the technology of optically pumped nuclear gyroscopes. The technical result consists in eliminating the measuring error associated with the negative influence of the probe radiation on the atoms of the working substance. The nuclear gyroscope contains two optical paths, in the first of which the pumping source, the first circular polarizer, the first absorption chamber with alkali metal vapors and three isotopes of nuclear paramagnets are located in series, surrounded by a radio frequency coil, the axis of which is perpendicular to the axis of the first optical path, in the second optical path, in series placed a second circular polarizer and a photodetector connected to a processing circuit, the first output of which is connected to a radio frequency coil, and the second to a rotation speed registration circuit, and the first absorption chamber is placed in a magnetic screen, inside which magnetic coils are installed connected to a power supply. A beam-splitting prism is placed between the pump source and the first circular polarizer, to which an optical fiber is connected, the output of which is mounted on the optical axis of the second optical path, in front of the second circular polarizer, near the first absorption chamber between the second circular polarizer and the photodetector, a second absorption chamber with alkali metal vapors is installed, identical to alkali metal vapors in the first absorption chamber, while the optical axes of the first and second optical paths are mutually perpendicular, the optical axis of the second optical path is parallel to the axis of the radio frequency coil, and the axis of the magnetic coils is parallel to the optical axis of the first optical path and passes through a point located in the middle of the distance between the centers of the first and second absorption chambers. the spatial diversity of the optical paths of pumping and detection. 4 ill.

Description

Полезная модель относится к технике квантовых датчиков для измерений скорости вращения подвижных носителей и может быть использована в навигационных системах спутниковой и дальней космической связиThe utility model relates to the technology of quantum sensors for measuring the speed of rotation of mobile carriers and can be used in navigation systems for satellite and distant space communications.

К аналогам полезной модели относится схема устройства по регистрации прецессии макроскопического магнитного момента оптически ориентированных атомов, (гироскопа) содержащая два оптических тракта с единой камерой поглощения, один из которых предназначен для создания продольной компоненты вектора намагниченности (вдоль рабочего магнитного поля), другой (ориентированный под углом 90 градусов к первому оптическому тракту) - для детектирования поперечной компоненты вектора намагниченности с помощью зондирующего излучения [Н.М.Померанцев, В.М. Рыжков, Г.В. Скроцкий. - Физические основы квантовой магнитометрии. - Из-во Наука, М. 1972. - С. 448.]. В этом аналоге скорость вращения устройства относительно рабочего магнитного поля можно определить по сдвигу частоты прецессии, фиксируемой по частоте радиочастотного генератора в условиях магнитного резонанса. Недостатком аналога является погрешности измерения скорости вращения устройства, связанные с вариациями рабочего магнитного поля. К разновидностям этого аналога относятся (гироскопы на основе самогенерирующей схемы) самогенерирующие парощелочные устройства с оптической накачкой, состоящие из датчика и усилителя обратной связи [Е.Б. Александров, А.К. Вершовский, Современные радиооптические методы квантовой магнитометрии, УФН. Том 179, №6 стр. 605-637, 2009]. Датчик гироскопа включает в себя спектральную лампу накачки, колбу с парами щелочного металла, поляризационный фильтр, катушки, генерирующие радиочастотное магнитное поле, и фотодиод. Оптическое излучение распространяется под углом по отношению к измеряемому магнитному полю и выполняет одновременно две функции: создание неравновесного распределения атомов по магнитным подуровням и детектирование сигнала радиооптического резонанса. Недостатком самогенерирующего аналога являются сдвиги резонансной частоты, связанные с действием света накачки радиооптического резонанса в условиях неразрешенного ассиметричного контура линии поглощения.The analogs of the utility model include a scheme of a device for recording the precession of the macroscopic magnetic moment of optically oriented atoms (gyroscope) containing two optical paths with a single absorption chamber, one of which is designed to create a longitudinal component of the magnetization vector (along the working magnetic field), the other (oriented under angle of 90 degrees to the first optical path) - for detecting the transverse component of the magnetization vector using probing radiation [NM Pomerantsev, V.M. Ryzhkov, G.V. Skrotsky. - Physical foundations of quantum magnetometry. - Iz-vo Science, M. 1972. - S. 448.]. In this analogue, the rotation speed of the device relative to the working magnetic field can be determined from the shift of the precession frequency, which is fixed by the frequency of the radio frequency generator under magnetic resonance conditions. The disadvantage of the analogue is the error in measuring the speed of rotation of the device associated with variations in the working magnetic field. The varieties of this analog include (gyroscopes based on a self-generating circuit) self-generating steam-alkali devices with optical pumping, consisting of a sensor and a feedback amplifier [EB. Alexandrov, A.K. Vershovsky, Modern radio-optical methods of quantum magnetometry, Phys. Volume 179, No. 6 p. 605-637, 2009]. The gyroscope sensor includes a spectral pump lamp, an alkali metal vapor bulb, a polarizing filter, coils that generate an RF magnetic field, and a photodiode. Optical radiation propagates at an angle with respect to the measured magnetic field and simultaneously performs two functions: creating a nonequilibrium distribution of atoms over magnetic sublevels and detecting a radio-optical resonance signal. The disadvantage of the self-generating analog is the shifts of the resonance frequency associated with the action of the pumping light of the radio-optical resonance under the conditions of an unresolved asymmetric absorption line contour.

К аналогам полезной модели относится также ядерный гироскоп на основе двух самогенерирующих магнитометров с оптической накачкой нечетных изотопов ртути, помещенных в общую камеру поглощения [Малеев П.И., Новые типы гироскопов, Из-во Л.: Судостроение, 1971 - С. 160]. В этом аналоге скорость вращения гироскопа Q определяется по частоте самогенерирующих магнитометров ω₁ и ω₂ в соответствии с выражениемThe counterparts of the utility model also include a nuclear gyroscope based on two self-generating magnetometers with optical pumping of odd isotopes of mercury, placed in a common absorption chamber [Maleev PI, New types of gyroscopes, Iz-vo L .: Sudostroenie, 1971 - P. 160] ... In this analogue, the rotation speed of the gyroscope Q is determined from the frequency of the self-generating magnetometers ω ₁ and ω ₂ in accordance with the expression

где γ₁ и γ₂ - гиромагнитные отношения используемых изотопов ртути. Недостатком аналога являются его измерительные погрешности, связанные с вариациями светового сдвига частоты радиооптического резонанса из-за флуктуаций интенсивности и спектрального состава источников накачки. В рабочих режимах оптической накачки, используемых в подобных аналогах, световой сдвиг наблюдается на уровне в несколько десятых герца, что предопределяет необходимость использования систем высокоточной стабилизации излучения накачки. Так, например, для измерения угловой скорости вращения Земли (~10^-5 Гц) при темпах накачки, позволяющих реализовать надежное детектирование резонансного сигнала, подобные системы должны обеспечивать относительную стабильность излучения накачки на уровне 0,01%, что является достаточно трудоемкой задачей.where γ ₁ and γ ₂ are the gyromagnetic ratios of the used isotopes of mercury. The disadvantage of the analog is its measurement errors associated with variations in the light shift of the frequency of radio-optical resonance due to fluctuations in the intensity and spectral composition of the pump sources. In the operating modes of optical pumping used in similar analogs, the light shift is observed at a level of several tenths of a hertz, which predetermines the need to use systems for high-precision stabilization of pump radiation. For example, to measure the angular velocity of the Earth's rotation (~ 10 ^-5 Hz) at pumping rates that allow reliable detection of a resonant signal, such systems must provide a relative stability of pump radiation at the level of 0.01%, which is a rather laborious task.

В качестве прототипа выбран ядерный гироскоп, в котором используется эффект спинового обмена между атомами щелочного металла и ядерными моментами инертного газа [E. Kanegsberg, Nuclear magnetic resonance gyroscope/- Patent EP 1847856 B1 от 19.11.2008/- bulletin 2008/47]. Устройство содержит камеру поглощения с атомами щелочного металла и тремя изотопами ядерных парамагнетиков, источники лазерной оптической накачки и детектирования, магнитную систему постоянного и переменного магнитного поля, ориентированных вдоль света накачки, а также приемный фотодетектор, подключенный к компьютерному блоку обработки информации и схеме обратной связи, создающей в зоне размещения камеры поглощения переменное магнитное поле на частотах прецессии ядерных парамагнетиков.As a prototype, a nuclear gyroscope is chosen, which uses the effect of spin exchange between alkali metal atoms and nuclear moments of an inert gas [E. Kanegsberg, Nuclear magnetic resonance gyroscope / - Patent EP 1847856 B1 dated 19.11.2008 / - bulletin 2008/47]. The device contains an absorption chamber with alkali metal atoms and three isotopes of nuclear paramagnets, sources of laser optical pumping and detection, a magnetic system of constant and variable magnetic fields oriented along the pumping light, as well as a receiving photodetector connected to a computer information processing unit and a feedback circuit, creating in the area of the absorption chamber an alternating magnetic field at the precession frequencies of nuclear paramagnets.

На фиг. 1 показана конфигурация прикладываемых полей в прототипе заявляемой полезной модели. В соответствии с фиг. 1 для детектирования полезного сигнала используется зондирующее излучение, действие которого на атомы щелочного металла уменьшает их время жизни в основном состоянии. Следствием этого процесса является снижение степени поляризации щелочных атомов, что в свою очередь приводит к уменьшению поляризации ядерных моментов и снижению отношения сигнал-шум регистрируемого сигнала.FIG. 1 shows the configuration of the applied fields in the prototype of the claimed utility model. Referring to FIG. 1 to detect a useful signal, probe radiation is used, the action of which on alkali metal atoms reduces their lifetime in the ground state. The consequence of this process is a decrease in the degree of polarization of alkali atoms, which in turn leads to a decrease in the polarization of nuclear moments and a decrease in the signal-to-noise ratio of the recorded signal.

Другим недостатком прототипа является наличие градиента эффективного магнитного поля, создаваемого неоднородным распределением поляризации атомов щелочного металла в оптически плотном слое камеры поглощения при прохождении циркулярно поляризованного зондирующего излучения. Существование подобного слоя обусловлено высокой плотностью щелочных паров, необходимой для реализации спинобменного процесса в смеси рабочего вещества (щелочной атом + инертный газ). При этом происходит уширение линии магнитного резонанса в ядерных парамагнетиках, что приводит к ухудшению точности измерений скорости вращения.Another disadvantage of the prototype is the presence of an effective magnetic field gradient created by the inhomogeneous distribution of polarization of alkali metal atoms in the optically dense layer of the absorption chamber during the passage of circularly polarized probe radiation. The existence of such a layer is due to the high density of alkaline vapors required for the implementation of the spin exchange process in a mixture of the working substance (alkaline atom + inert gas). In this case, the broadening of the magnetic resonance line in nuclear paramagnets occurs, which leads to a deterioration in the accuracy of measurements of the rotation speed.

Технической проблемой, решаемой полезной моделью является разработка ядерного гироскопа с оптической накачкой, в котором отсутствует измерительная погрешность, связанная с негативным влиянием зондирующего излучения на атомы рабочего вещества.The technical problem solved by the utility model is the development of an optically pumped nuclear gyroscope, in which there is no measurement error associated with the negative influence of the probe radiation on the atoms of the working substance.

Решение указанной технической проблемы достигается тем, что в известном ядерном гироскопе, содержащем два оптических тракта, в первом из которых последовательно расположены источник накачки, первый циркулярный поляризатор, первая камера поглощения с парами щелочного металла и тремя изотопами ядерных парамагнетиков, охваченная радиочастотной катушкой, ось которой перпендикулярна оси первого оптического тракта, во втором оптическом тракте последовательно размещены второй циркулярный поляризатор и фотодетектор, подключенный к схеме обработки, первый выход которой подключен к радиочастотной катушке, а второй - к схеме регистрации скорости вращения, причем первая камера поглощения помещена в магнитный экран, внутри которой установлены магнитные катушки, подключенные к блоку питания, между источником накачки и первым циркулярным поляризатором размещена светоделительная призма, к которой присоединен световод, выход которого установлен на оптической оси второго оптического тракта, перед вторым циркулярным поляризатором, вблизи первой камеры поглощения между вторым циркулярным поляризатором и фотодетектором установлена вторая камера поглощения с парами щелочного металла, идентичного парам щелочного металла в первой камере поглощения, при этом оптические оси первого и второго оптических трактов взаимно перпендикулярны, оптическая ось второго оптического тракта параллельна оси радиочастотной катушки, а ось магнитных катушек параллельна оптической оси первого оптического тракта и проходит через точку, расположенную на середине расстояния между центрами первой и второй камер поглощенияThe solution to this technical problem is achieved by the fact that in the known nuclear gyroscope containing two optical paths, in the first of which the pump source, the first circular polarizer, the first absorption chamber with alkali metal vapors and three isotopes of nuclear paramagnets, covered by a radio frequency coil, the axis of which perpendicular to the axis of the first optical path, in the second optical path, a second circular polarizer and a photodetector are placed in series, connected to a processing circuit, the first output of which is connected to a radio frequency coil, and the second to a rotation speed recording circuit, and the first absorption chamber is placed in a magnetic screen, inside of which magnetic coils connected to the power supply are installed, between the pumping source and the first circular polarizer there is a beam-splitting prism to which an optical fiber is connected, the output of which is installed on the optical axis of the second optical path, in front of the second a circular polarizer, near the first absorption chamber between the second circular polarizer and the photodetector, there is a second absorption chamber with alkali metal vapors identical to the alkali metal vapors in the first absorption chamber, while the optical axes of the first and second optical paths are mutually perpendicular, the optical axis of the second optical path is parallel to the axis radio frequency coil, and the axis of the magnetic coils is parallel to the optical axis of the first optical path and passes through a point located in the middle of the distance between the centers of the first and second absorption chambers

Технический положительный результат предлагаемой схемы ядерного гироскопа состоит в уменьшении влияния резонансного излучения на интенсивность и ширину линий ядерных парамагнетиков, вследствие пространственного разнесения оптических трактов накачки и детектирования. Поскольку первая камера поглощения первого оптического тракта не подвергается воздействию зондирующего излучения, в заявляемом устройстве принципиально отсутствует эффект уменьшения степени поляризации атомов рубидия, вызванный соответствующей оптической релаксацией. Использование второй камеры поглощения с атомами рубидия позволяет реализовать высокочувствительный датчик магнитной индукции, регистрирующий сигнал прецессии ядерной намагниченности в первой камере поглощения. В отличие от первой камеры поглощения первого оптического тракта во второй камере поглощения второго оптического тракта содержатся только пары щелочного металла (то есть отсутствует инертный газ ядерных парамагнетиков), причем эффект релаксации атомов рубидия на стенках камеры поглощения может быть резко ослаблен применением антирелаксационных покрытий. В этих условиях тепловое движение атомов рубидия приводит к кинетическому усреднению градиентов магнитного поля во второй камере поглощения, создаваемых отмеченным выше неоднородным распределением поляризации атомов щелочного металла в оптически толстом слое первой камеры поглощения под действием циркулярно поляризованного света накачки. В заявляемом устройстве зондирующее излучение не поступает в первую камеру поглощения, что в условиях оптически плотного слоя не приводит к образованию соответствующего магнитного градиента, уширяющего линию магнитного резонанса ядерных парамагнетиков. При этом использование высокочувствительного датчика магнитной индукции позволяет снизить мощность накачки и, таким образом уменьшить как абсолютную величину эффективных магнитных полей, так и их градиент, влияющий на время поперечной релаксации. В свою очередь, совокупность указанных схемных элементов позволяет уменьшить измерительную погрешность, связанную с негативным влиянием зондирующего излучения на атомы рабочего вещества.The technical positive result of the proposed scheme of a nuclear gyroscope is to reduce the effect of resonance radiation on the intensity and width of lines of nuclear paramagnets, due to the spatial separation of the optical paths of pumping and detection. Since the first absorption chamber of the first optical path is not exposed to the probe radiation, the claimed device essentially lacks the effect of reducing the degree of polarization of rubidium atoms caused by the corresponding optical relaxation. The use of the second absorption chamber with rubidium atoms makes it possible to realize a highly sensitive magnetic induction sensor that records the signal of the precession of nuclear magnetization in the first absorption chamber. In contrast to the first absorption chamber of the first optical path, the second absorption chamber of the second optical path contains only alkali metal vapors (that is, there is no inert gas of nuclear paramagnets), and the effect of relaxation of rubidium atoms on the walls of the absorption chamber can be sharply weakened by the use of antirelaxation coatings. Under these conditions, the thermal motion of rubidium atoms leads to a kinetic averaging of the magnetic field gradients in the second absorption chamber, created by the above-mentioned inhomogeneous polarization distribution of alkali metal atoms in the optically thick layer of the first absorption chamber under the action of circularly polarized pump light. In the claimed device, the probe radiation does not enter the first absorption chamber, which, under conditions of an optically dense layer, does not lead to the formation of a corresponding magnetic gradient broadening the magnetic resonance line of nuclear paramagnets. In this case, the use of a highly sensitive magnetic induction sensor makes it possible to reduce the pump power and, thus, to reduce both the absolute value of the effective magnetic fields and their gradient, which affects the transverse relaxation time. In turn, the combination of these circuit elements allows to reduce the measurement error associated with the negative influence of the probe radiation on the atoms of the working substance.

Сущность полезной модели поясняется графическим материалом (фиг. 1), (фиг. 2) и (фиг. 3).The essence of the utility model is illustrated by graphic material (Fig. 1), (Fig. 2) and (Fig. 3).

На Фиг. 1. представлена конфигурация прикладываемых полей в прототипе полезной модели ядерного гироскопа.FIG. 1. the configuration of the applied fields in the prototype of the useful model of the nuclear gyroscope is presented.

На фиг. 2 изображена схема предлагаемой полезной модели ядерного гироскопа с лазерной оптической накачкой щелочных атомов.FIG. 2 shows a diagram of the proposed useful model of a nuclear gyroscope with laser optical pumping of alkali atoms.

На Фиг. 3. представлена конфигурация прикладываемых полей в полезной модели ядерного гироскопа.FIG. 3. the configuration of the applied fields in the useful model of the nuclear gyroscope is presented.

В схеме на фиг. 1 приняты следующие обозначения:In the circuit in FIG. 1 the following designations are adopted:

1 - камера поглощения,1 - absorption chamber,

2 – фотодетектор,2 - photodetector,

L_H - циркулярно поляризованное излучение света накачки,L _H - circularly polarized radiation of the pump light,

L_X - циркулярно поляризованное зондирующее излучение,L _X - circularly polarized probe radiation,

Н₀ - постоянное магнитное поле,H ₀ - constant magnetic field,

H₁cosωt - линейно поляризованное радиочастотное магнитное поле на частоте модуляции ω,H ₁ cosωt - linearly polarized radio frequency magnetic field at modulation frequency ω,

h⋅cosω₁t+h⋅cosω₂t+h⋅cosω₃t - линейно поляризованное радиочастотное поле на частотах прецессии ядерных моментов ω₁, ω₂ и ω₃,h⋅cosω ₁ t + h⋅cosω ₂ t + h⋅cosω ₃ t is a linearly polarized radio-frequency field at the precession frequencies of nuclear moments ω ₁ , ω ₂ and ω ₃ ,

⇒ - атомы ⁸⁷Rb, Δ - атомы ⁸³Kr, O - атомы ¹²⁹Хе,

- атомы ¹³¹Хе.⇒ - ⁸⁷ Rb atoms, Δ - ⁸³ Kr atoms, O - ¹²⁹ Xe atoms,

- atoms of ¹³¹ Xe.

В схеме на фиг. 2 приняты следующие обозначения:In the circuit in FIG. 2, the following designations are adopted:

1 - первая камера поглощения,1 - the first absorption chamber,

2 – фотодетектор,2 - photodetector,

3 - источник накачки,3 - pump source,

4 - первый циркулярный поляризатор,4 - the first circular polarizer,

5 - радиочастотная катушка,5 - radio frequency coil,

6 - второй циркулярный поляризатор,6 - the second circular polarizer,

7 - схема обработки,7 - processing diagram,

8 - схема регистрации скорости вращения,8 - scheme of registration of rotation speed,

9 - магнитный экран,9 - magnetic shield,

10 - магнитные катушки,10 - magnetic coils,

11 - блок питания,11 - power supply unit,

12 - светоделительная призма,12 - beamsplitting prism,

13 - световод,13 - light guide,

14 - вторая камера поглощения.14 - the second absorption chamber.

Центры первой и второй камер поглощения 1 и 14 пересекают линии у, у* и у**, при этом центр первой камеры поглощения 1 расположен в точке пересечения линий х* и z*, а центр второй камеры поглощения 14 расположен в точке пересечения линий х** и z**. Центр пересечения линий х и z расположен на оси у, совпадающей с осями у* и у**, и проходит через точку соприкосновения первой и второй камер поглощения 1 и 14.The centers of the first and second absorption chambers 1 and 14 intersect the lines y, y * and y **, while the center of the first absorption chamber 1 is located at the intersection of the lines x * and z *, and the center of the second absorption chamber 14 is located at the intersection of the lines x ** and z **. The center of intersection of lines x and z is located on the y-axis, coinciding with the y * and y ** axes, and passes through the point of contact of the first and second absorption chambers 1 and 14.

В схеме на фиг. 3 приняты следующие обозначения:In the circuit in FIG. 3 the following designations are adopted:

Ось X совпадает с осью магнитных катушек 10.The X axis coincides with the axis of the magnetic coils 10.

Ось X* совпадает с оптической осью первого оптического тракта.The X * axis coincides with the optical axis of the first optical path.

Ось Z** совпадает с оптической осью второго оптического тракта.The Z ** axis coincides with the optical axis of the second optical path.

Вдоль осей X, X*, X** приложено модулированное с частотой ω магнитное поле Н₀+H₁cosωt. _{A magnetic field H 0} + H ₁ cosωt modulated with a frequency ω is applied along the X, X *, X ** axes.

Вдоль оси X* направлено циркулярно поляризованное излучение света накачки L_H.Circularly polarized radiation of the pump light L _{H is} directed along the X * axis.

Вдоль оси Z** направлено циркулярно поляризованное зондирующее излучение L_Д. _{Circularly polarized probe radiation L D is} directed along the Z ** axis.

Вдоль оси Z* направлено линейно поляризованное радиочастотное поле на частотах прецессии ядерных моментов ω₁, ω₂ и ω₃.A linearly polarized radio-frequency field is directed along the Z * axis at the precession frequencies of the nuclear moments ω ₁ , ω _2, and ω ₃ .

Оси У, У* и У** совпадают и проходят через центры первой 1 и второй 14 камер поглощения.The Y, Y * and Y ** axes coincide and pass through the centers of the first 1 and second 14 absorption chambers.

Центр первой камеры поглощения 1 совпадает с точкой пересечения осей X* У*.The center of the first absorption chamber 1 coincides with the point of intersection of the X * Y * axes.

Центр второй камеры поглощения 14 совпадает с точкой пересечения осей X** У**.The center of the second absorption chamber 14 coincides with the point of intersection of the X ** Y ** axes.

Оси Х* и X** проходят через точку, расположенную на середине расстояния между центрами первой 1 и второй 14 камер поглощения.The X * and X ** axes pass through a point located in the middle of the distance between the centers of the first 1 and the second 14 absorption chambers.

В соответствии с фиг. 2 ядерный гироскоп содержит два оптических тракта, в первом из которых последовательно расположены источник накачки 3, первый циркулярный поляризатор 4, первая камера поглощения 1 с парами щелочного металла и тремя изотопами ядерных парамагнетиков, охваченная радиочастотной катушкой 5, ось которой перпендикулярна оси первого оптического тракта, во втором оптическом тракте последовательно размещены второй циркулярный поляризатор 6 и фотодетектор 2, подключенный к схеме обработки 7, первый выход которой подключен к радиочастотной катушке 5, а второй - к схеме регистрации скорости вращения 8, причем первая камера поглощения 1 помещена в магнитный экран 9, внутри которой установлены магнитные катушки 10, подключенные к блоку питания 11, между источником накачки 3 и первым циркулярным поляризатором 4 размещена светоделительная призма 12, к которой присоединен световод 13, выход которого установлен на оптической оси второго оптического тракта, перед вторым циркулярным поляризатором 6, вблизи первой камеры поглощения 1 между вторым циркулярным поляризатором 6 и фотодетектором 2 установлена вторая камера поглощения 14 с парами щелочного металла, идентичного парам щелочного металла в первой камере поглощения 1, при этом оптические оси первого и второго оптических трактов взаимно перпендикулярны, оптическая ось второго оптического тракта параллельна оси радиочастотной катушки 5, а ось магнитных катушек параллельна оптической оси первого оптического тракта и проходит через точку, расположенную на середине расстояния между центрами первой и второй камер поглощения.Referring to FIG. 2, the nuclear gyroscope contains two optical paths, in the first of which the pump source 3, the first circular polarizer 4, the first absorption chamber 1 with alkali metal vapors and three isotopes of nuclear paramagnets, covered by a radio frequency coil 5, the axis of which is perpendicular to the axis of the first optical path, are located in series, in the second optical path, a second circular polarizer 6 and a photodetector 2 are placed in series, connected to the processing circuit 7, the first output of which is connected to the radio frequency coil 5, and the second to the rotation speed recording circuit 8, and the first absorption chamber 1 is placed in the magnetic screen 9, inside which magnetic coils 10 are installed, connected to the power supply 11, between the pump source 3 and the first circular polarizer 4 there is a beam-splitting prism 12 to which a fiber 13 is connected, the output of which is installed on the optical axis of the second optical path, in front of the second circular polarizer 6, near of the first absorption chamber 1 between the second circular polarizer 6 and the photodetector 2 there is a second absorption chamber 14 with alkali metal vapors identical to the alkali metal vapors in the first absorption chamber 1, while the optical axes of the first and second optical paths are mutually perpendicular, the optical axis of the second optical path is parallel the axis of the radio frequency coil 5, and the axis of the magnetic coils is parallel to the optical axis of the first optical path and passes through a point located in the middle of the distance between the centers of the first and second absorption chambers.

Ядерный гироскоп работает следующим образом.The nuclear gyroscope works as follows.

В соответствии с фиг. 2 излучение источника накачки 3 проходит через светоделительную призму 12, в которой осуществляется разделение светового излучения на два пучка, первый из которых проходит через первый циркулярный поляризатор 4 первого оптического тракта, а второй - поступает на вход световода 13, с выхода которого второй пучок проходит через второй циркулярный поляризатор 6 второго оптического тракта.Referring to FIG. 2, the radiation of the pumping source 3 passes through the beam splitting prism 12, in which the light radiation is separated into two beams, the first of which passes through the first circular polarizer 4 of the first optical path, and the second enters the input of the fiber 13, from the output of which the second beam passes through the second circular polarizer 6 of the second optical path.

После прохождения первого циркулярного поляризатора 4 свет накачки L_Z становится циркулярно поляризованным и осуществляет оптическую ориентацию (поляризацию) щелочного металла (например, атомов рубидия) вдоль направления постоянного магнитного поля Н₀, создаваемого магнитными катушками 10, которые питаются от блока питания 11. С помощью этого же блока питания 11 в магнитные катушки 10 подается переменное напряжение, которое создает в зоне размещения первой камеры поглощения 1 переменное магнитное поле H₁cosωt, модулирующее по амплитуде величину постоянного магнитного поля Н₀, на частоте ω. Таким образом, в центре магнитных катушек 10 действует магнитное поле, величина которого изменяется по закону Н₀+H₁cosωt, при этом, вследствие высокой однородности этого поля, создаваемого магнитными катушками 10, по такому же закону будет изменяться магнитное поле и в зоне размещения первой и второй камер поглощения 1 и 14 (фиг. 3). Для ослабления влияния внешнего магнитного поля и его градиентов осуществляется магнитное экранирование первого и второго оптических трактов с помощью магнитного экрана 9. Оптически ориентированные атомы рубидия в первой камере поглощения 1 взаимодействует с атомами ядерных парамагнетиков (атомами инертного газа) через спиновый обмен, посредством которого атомы ядерных парамагнетика приобретают макроскопический магнитный момент M_n, ориентированный вдоль направления света накачки. С выхода схемы обработки 7 на радиочастотную катушку 5 поступает переменное напряжение на трех частотах, соответствующих резонансным частотам ядерных парамагнетиков в первой камере поглощения 1. Переменное магнитное поле радиочастотной катушки 5 h⋅cos ω₁t+h⋅cos ω₂t+h⋅cos ω₃t вызывает прецессию макроскопических магнитных моментов M_n в плоскости z* у* (фиг. 3), при этом в зоне размещения второй камеры поглощения 14 индуцируется переменные магнитные поля, частоты которых равны частотам прецессии атомов ядерных парамагнетиков ω₁, ω₂ и ω₃ в первой камере поглощения 1. Для регистрации переменных магнитных полей, создаваемых прецессией намагниченностей ядерных моментов, вторая камера поглощения 14 используется в составе квантового магнитометра, принцип действия которого основан на эффекте Ханле. Подобный эффект наблюдается в виде изменения интенсивности зондирующего излучения L_Д, проходящего через вторую камеру поглощения 14 при вариациях магнитного поля, ориентированного под углом 90 градусов к направлению излучения L_Д(фиг. 3). Зондирующее излучение L_Д проходит через второй циркулярный поляризатор 6 второго оптического тракта и становится циркулярно поляризованным. Далее это циркулярно поляризованное излучение L_Дпоступает во вторую камеру поглощения 14 с атомами щелочного металла и осуществляет их поляризацию в виде макроскопического магнитного момента атомов рубидия. Прецессия этого момента в магнитном поле Н₀+H₁cosωt вызывает изменение прозрачности второй камеры поглощения 14 на частоте модуляции ω (фиг. 3), что приводит к модуляции тока в фотодетекторе 2. В зоне размещения второй камеры поглощения 14 осуществляется дополнительная модуляция магнитного поля на частотах ω₁, ω₂ и ω₃, обусловленная прецессией макроскопических магнитных моментов в первой камере поглощения 1. При этом ток фотодетектора 2 соответственно модулируется по амплитуде на этих частотах. Сигнал с выхода фотодетектора 2 поступает на вход схемы обработки 7, которая осуществляет разделение входного сигнала на три составляющие, частоты которых соответственно равны ω₁, ω₂ и ω₃ и связаны, как и в прототипе заявляемой модели ядерного гироскопа, следующей функциональной зависимостью:After passing through the first circular polarizer 4, the pump light L _Z becomes circularly polarized and carries out optical orientation (polarization) of an alkali metal (for example, rubidium atoms) along the direction of a constant magnetic field H ₀ created by magnetic coils 10, which are powered from a power supply 11. of the same power supply unit 11, an alternating voltage is supplied to the magnetic coils 10, which creates in the area of the first absorption chamber 1 an alternating magnetic field H ₁ cosωt, modulating in amplitude the magnitude of the constant magnetic field H ₀ , at a frequency ω. Thus, a magnetic field acts in the center of the magnetic coils 10, the magnitude of which changes according to the law H ₀ + H ₁ cosωt, while, due to the high uniformity of this field created by the magnetic coils 10, the magnetic field will change according to the same law in the location zone the first and second absorption chambers 1 and 14 (Fig. 3). To weaken the influence of the external magnetic field and its gradients, magnetic shielding of the first and second optical paths is carried out using a magnetic shield 9. Optically oriented rubidium atoms in the first absorption chamber 1 interact with the atoms of nuclear paramagnets (atoms of an inert gas) through spin exchange, through which the atoms of nuclear paramagnets acquire a macroscopic magnetic moment M _n oriented along the direction of the pumping light. From the output of the processing circuit 7, an alternating voltage is supplied to the radio frequency coil 5 at three frequencies corresponding to the resonance frequencies of nuclear paramagnets in the first absorption chamber 1. The alternating magnetic field of the radio frequency coil 5 h⋅cos ω ₁ t + h⋅cos ω ₂ t + h⋅cos ω ₃ t causes the precession of macroscopic magnetic moments M _n in the z * y * plane (Fig. 3), while in the area of the second absorption chamber 14, alternating magnetic fields are induced, the frequencies of which are equal to the precession frequencies of atoms of nuclear paramagnets ω ₁ , ω ₂ and ω ₃ in the first absorption chamber 1. To register alternating magnetic fields created by the precession of the magnetizations of nuclear moments, the second absorption chamber 14 is used as part of a quantum magnetometer, the principle of which is based on the Hanle effect. A similar effect is observed in the form of a change in the intensity of the probe radiation L _D passing through the second absorption chamber 14 with variations in the magnetic field oriented at an angle of 90 degrees to the direction of radiation L _D (Fig. 3). Probing radiation L _D passes through the second circular polarizer 6 of the second optical path and becomes circularly polarized. Further, this circularly polarized radiation L _D enters the second absorption chamber 14 with alkali metal atoms and carries out their polarization in the form of a macroscopic magnetic moment of rubidium atoms. The precession of this moment in a magnetic field H ₀ + H ₁ cosωt causes a change in the transparency of the second absorption chamber 14 at the modulation frequency ω (Fig. 3), which leads to modulation of the current in the photodetector 2. In the area of the second absorption chamber 14, additional modulation of the magnetic field is carried out at frequencies ω ₁ , ω ₂ and ω ₃ , due to the precession of macroscopic magnetic moments in the first absorption chamber 1. In this case, the current of the photodetector 2 is respectively modulated in amplitude at these frequencies. The signal from the output of the photodetector 2 is fed to the input of the processing circuit 7, which separates the input signal into three components, the frequencies of which are respectively equal to ω ₁ , ω ₂ and ω ₃ and are connected, as in the prototype of the claimed nuclear gyroscope model, by the following functional dependence:

где константы γ₁, γ₂, γ₃, b₁, b₂, b₃ определяются из эксперимента, а константа λ является третьей неизвестной в системе приведенных уравнений, решение которых для измеряемого гироскопического сдвига частоты Ω имеет вид:where the constants γ ₁ , γ ₂ , γ ₃ , b ₁ , b ₂ , b _{3 are} determined from the experiment, and the constant λ is the third unknown in the system of reduced equations, the solution of which for the measured gyroscopic frequency shift Ω has the form:

где Н₀=[(ω₁-ω₂)(b₂-b₃)-(ω₂-ω₃)(b₁-b₂)]х^-1 where H ₀ = [(ω ₁ -ω ₂ ) (b ₂ -b ₃ ) - (ω ₂ -ω ₃ ) (b ₁ -b ₂ )] x ^-1

λ=-[(ω₁-ω₂)(γ₂-γ₃) -(ω₂-ω₃)(γ₁-γ₂)]х^-1 λ = - [(ω ₁ -ω ₂ ) (γ ₂ -γ ₃ ) - (ω ₂ -ω ₃ ) (γ ₁ -γ ₂ )] х ^-1

x=(γ₁-γ₂)(b₂-b₃)-(γ₂-γ₃)(b₁-b₂)x = (γ ₁ -γ ₂ ) (b ₂ -b ₃ ) - (γ ₂ -γ ₃ ) (b ₁ -b ₂ )

Информация о гироскопическом сдвиге частоты Ω считывается схемой регистрации 8, на вход которой поступает сигнал с второго выхода схемы обработки 7.Information about the gyroscopic frequency shift Ω is read by the registration circuit 8, which receives a signal from the second output of the processing circuit 7.

Конструкция схемы обработки 7 может быть выполнена в виде подключенной к фотодетектору 2 трехканальной системы, каналы которой настроены соответственно на частоты ядерной прецессии ω₁, ω₂ и ω₃. При этом каждый канал состоит из аналого-цифрового преобразователя и микроконтроллера, обеспечивающих цифровую фильтрацию входного сигнала и фазовую автоподстройку частоты опорного генератора, реализуемого программными средствами микроконтроллера и внешнего цифро-аналогового преобразователя. В рабочем магнитном поле 1000 нТл частоты ядерных парамагнетиков ¹²⁹Хе, ¹³¹Хе и ⁸¹Kr примерно равны 12 Гц, 3,5 Гц и 1,6 Гц соответственно. Для таких частот в качестве аналого-цифрового преобразователя, микроконтроллера и цифро-аналогового преобразователя можно использовать полупроводниковые схемы, такие как микроконтроллер C8051F120 (Silicon Laboratories) со встроенным восьмиканальным 12-разрядным аналогово-цифровым преобразователем и двумя встроенными 12-разрядными цифро-аналоговыми преобразователями. В схеме автоподстройки частоты опорного генератора нецелесообразно использование модуляционной методики сканирования резонансной частоты вследствие ее относительно низких значений для ядерных парамагнетиков (гиромагнитные отношения ядер ксенона и криптона равны: ¹²⁹Хе - 11,86 МГц/Тл, ¹³¹Хе - 3,516 МГц/Тл, ⁸¹Kr - 1,644 МГц/Тл), поэтому в качестве такой схемы в заявляемом устройстве может быть реализована система фазовой автоподстройки частоты опорного генератора, практикуемая в не самогенерирующих магнитометрах М_х типа и не использующая вышеназванную модуляционную методику. В лабораторной системе координат сигнал такого магнитометра содержит две квадратурные компоненты - поглощения и дисперсии, сдвинутые по фазе на 90°. В окрестности резонансного значения частоты радиочастотного поля сигнал дисперсии, выделяемый фазовым детектором схемы автоподстройки, проходит через нуль в точном резонансе и используется в качестве сигнала ошибки для подстроки частоты опорного генератора под резонансную частоту. В качестве схемы регистрации 8 может быть использован микроконтроллер, алгоритм работы которого предусматривает определение скорости вращения устройства в соответствии с формулой (3).The design of the processing circuit 7 can be made in the form of a three-channel system connected to the photodetector 2, the channels of which are tuned respectively to the nuclear precession frequencies ω ₁ , ω ₂ and ω ₃ . In this case, each channel consists of an analog-to-digital converter and a microcontroller, providing digital filtering of the input signal and phase-locked loop of the frequency of the reference oscillator, implemented by the microcontroller software and an external digital-to-analog converter. In a working magnetic field of 1000 nT, the frequencies of the nuclear paramagnets ¹²⁹ Xe, ¹³¹ Xe and ⁸¹ Kr are approximately equal to 12 Hz, 3.5 Hz and 1.6 Hz, respectively. For these frequencies, semiconductor circuits such as the C8051F120 microcontroller (Silicon Laboratories) with a built-in eight-channel 12-bit A / D converter and two built-in 12-bit D / A converters can be used as A / D converter, microcontroller and D / A converter. In the automatic frequency control scheme of the reference oscillator, it is inappropriate to use the modulation technique for scanning the resonance frequency due to its relatively low values for nuclear paramagnets (the gyromagnetic ratios of xenon and krypton nuclei are: ¹²⁹ Xe - 11.86 MHz / T, ¹³¹ Xe - 3.516 MHz / T, ⁸¹ Kr - 1.644 MHz / T), therefore, as such a circuit in the claimed device, a phase-locked loop system of the reference oscillator frequency can be implemented, which is practiced in non-self-generating M _x type magnetometers and does not use the aforementioned modulation technique. In the laboratory coordinate system, the signal of such a magnetometer contains two quadrature components - absorption and dispersion, phase-shifted by 90 °. In the vicinity of the resonant value of the frequency of the radio-frequency field, the dispersion signal released by the phase detector of the self-tuning circuit passes through zero at exact resonance and is used as an error signal for substituting the frequency of the reference oscillator to the resonant frequency. As the registration circuit 8, a microcontroller can be used, the algorithm of which provides for the determination of the rotation speed of the device in accordance with the formula (3).

Чувствительность магнитометра на параметрическом резонансе (минимально возможная детектируемая вариация) составляет величину на уровне 10^-9 Э, что позволяет уверенно детектировать сигнал прецессии ядерных моментов атомов гелия в камере поглощения, расположенной как и в предлагаемом устройстве вблизи камеры поглощения магнитометра. Подобный сигнал в виде затухающей прецессии ядерных моментов атомов гелия-3 наблюдался в эксперименте [С Cohen-Tannoudji, J. Dupon-Roc, S. Haroche, F. Laloe // Phys.Rev.Lett. v. 22, 758 (1969)] в течение 11 часов, что более чем на порядок превышает обусловленное градиентами рабочего магнитного поля время поперечной релаксации ядерных моментов гелия-3, поляризованного в условиях спинобменных взаимодействий с оптически ориентированными парами щелочных металлов [Dynamics of two overlapping spin ensembles interacting by spin exchange // T.W. Kornack, M.V. Romalis Phys.Rev.Lett. v. 89, №25 (2002) с. 253002-1-4]. По данным этой работы оптическая накачка смеси паров калия и инертных газов (гелий-3 и неон) величины неоднородного эффективного магнитного поля, создаваемого атомами электронного и ядерного парамагнетиков, составляли соответственно величину 10^-6 Э и 10^-3 Э при мощности лазерной накачки 100 мВт. В заявляемом устройстве высокая чувствительность магнитометра позволяет снизить мощность накачки и, таким образом, уменьшить как абсолютную величину эффективных магнитных полей, так и их градиент, влияющий на время поперечной релаксации. Поскольку этот параметр в конечном итоге определяет предельную чувствительность гироскопа сопоставление экспериментальных данных, полученных в указанных работах, позволяет сделать вывод о возможности снижения измерительной погрешности более чем на порядок.The sensitivity of the magnetometer at parametric resonance (the minimum possible detectable variation) is at the level of 10 ^-9 Oe, which makes it possible to reliably detect the signal of the precession of the nuclear moments of helium atoms in the absorption chamber, located, as in the proposed device, near the absorption chamber of the magnetometer. A similar signal in the form of a damped precession of nuclear moments of helium-3 atoms was observed in the experiment [C Cohen-Tannoudji, J. Dupon-Roc, S. Haroche, F. Laloe // Phys.Rev.Lett. v. 22, 758 (1969)] for 11 hours, which is more than an order of magnitude greater than the transverse relaxation time of the nuclear moments of helium-3, which is polarized under the conditions of spin exchange interactions with optically oriented alkali metal vapors [Dynamics of two overlapping spin ensembles interacting by spin exchange // TW Kornack, MV Romalis Phys. Rev. Lett. v. 89, No. 25 (2002) p. 253002-1-4]. According to the data of this work, optical pumping of a mixture of potassium vapors and inert gases (helium-3 and neon), the magnitude of the inhomogeneous effective magnetic field created by the atoms of electronic and nuclear paramagnets was, respectively, 10 ^-6 Oe and 10 ^-3 Oe at a laser pumping power of 100 mW ... In the claimed device, the high sensitivity of the magnetometer makes it possible to reduce the pumping power and, thus, to reduce both the absolute value of the effective magnetic fields and their gradient, which affects the transverse relaxation time. Since this parameter ultimately determines the limiting sensitivity of the gyroscope, the comparison of the experimental data obtained in these works allows us to conclude that it is possible to reduce the measurement error by more than an order of magnitude.

Claims

A nuclear gyroscope containing two optical paths, in the first of which a pumping source, a first circular polarizer, a first absorption chamber with alkali metal vapors and three isotopes of nuclear paramagnets are located in series, surrounded by a radio frequency coil, the axis of which is perpendicular to the axis of the first optical path, in the second optical path placed in series a second circular polarizer and a photodetector connected to a processing circuit, the first output of which is connected to a radio frequency coil, and the second to a rotation speed recording circuit, and the first absorption chamber is placed in a magnetic screen, inside which magnetic coils are installed connected to a power supply, characterized in that a beam-splitting prism is placed between the pumping source and the first circular polarizer, to which an optical fiber is connected, the output of which is mounted on the optical axis of the second optical path, in front of the second circular polarizer, near the first chamber absorption chamber between the second circular polarizer and the photodetector is a second absorption chamber with alkali metal vapors, identical to the alkali metal vapors in the first absorption chamber, while the optical axes of the first and second optical paths are mutually perpendicular, the optical axis of the second optical path is parallel to the axis of the radio frequency coil, and the axis of the magnetic of the coils is parallel to the optical axis of the first optical path and passes through a point located in the middle of the distance between the centers of the first and second absorption chambers.