RU2802341C1 - Method for simultaneous generation of a magnetic field and thermal stabilization of a quantum rotation sensor and a device for its implementation - Google Patents

Method for simultaneous generation of a magnetic field and thermal stabilization of a quantum rotation sensor and a device for its implementation Download PDF

Info

Publication number
RU2802341C1
RU2802341C1 RU2023101423A RU2023101423A RU2802341C1 RU 2802341 C1 RU2802341 C1 RU 2802341C1 RU 2023101423 A RU2023101423 A RU 2023101423A RU 2023101423 A RU2023101423 A RU 2023101423A RU 2802341 C1 RU2802341 C1 RU 2802341C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
solenoid
magnetic field
currents
temperature
controller
Prior art date
Application number
RU2023101423A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Антон Константинович Вершовский
Владимир Игоревич Петров
Original Assignee
Акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор"
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" filed Critical Акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор"
Application granted granted Critical
Publication of RU2802341C1 publication Critical patent/RU2802341C1/en

Links

Abstract

FIELD: gyroscopes.
SUBSTANCE: invention is based on the phenomenon of nuclear magnetic resonance, namely to a means of simultaneous generation of a magnetic field and thermal stabilization of a quantum rotation sensor. The device contains a solenoid, gas cells (GC), a temperature sensor, transverse field receiving coils, a transverse field signal amplifier, a temperature sensor error signal amplifier, a controller for controlling temperature and Larmor precession frequency in transverse coils. Two DC sources are connected to the controller output, loaded on the windings of direct and reverse currents (i1, i2) of the solenoid to provide total and differential currents for stabilizing the temperature and magnetic field. As a result of processing input signals, controller 9 generates control signals at outputs 1 and 2 such that DC sources 10 and 11 generate currents i1 and i2, respectively, allowing in total (i1+i2) to heat cell 2 to temperature T0 with retention it at the level of accuracy required for a quantum system, and the difference current (i1-i2) to create and maintain a constant magnetic field Bz at the required level of accuracy.
EFFECT: getting rid of parasitic magnetism created by the heater and uncontrolled heating created by magnetic coils.
3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к гироскопам на основе явления ядерного магнитного резонанса (далее - ЯМР) и предназначено для контроля и поддержания необходимого постоянного магнитного поля и заданной температуры в объеме рабочей газовой ячейки (далее - ГЯ).The invention relates to gyroscopes based on the phenomenon of nuclear magnetic resonance (hereinafter referred to as NMR) and is intended to control and maintain the necessary constant magnetic field and a given temperature in the volume of a working gas cell (hereinafter referred to as HC).

Известен способ поддержания стабильного равномерного магнитного поля при помощи соленоида, расположенного соосно с осью чувствительности квантового датчика вращения (далее - КДВ) гироскопа на ЯМР [1, 2]. Также известен способ термостатирования ГЯ при помощи термоконтроллера, использующего отдельный немагнитный нагреватель [3]. Недостатками раздельного термостатирования и стабилизации магнитного поля является усложнение схемы построения КДВ, неконтролируемый нагрев, вызванный током, протекающим по соленоиду магнитной системы, неуправляемое паразитное магнитное поле, создаваемое нагревателем системы термостатирования ГЯ, необходимость иметь отдельно соленоид и нагреватель. Для подавления паразитного магнитного поля нагревателя применяется нагрев переменным током и бифилярная намотка с возможностью перевивания проводников или встречно-параллельная разводка печатных проводников нагревателя ГЯ [3 - 6]. Однако применение переменного тока в нагревателе приводит к возникновению наводки на частоте тока нагрева и её гармониках. Эта наводка взаимодействует с сигналами прецессии магниточувствительных атомов квантовой системы ГЯ и создаёт перекрёстные помехи, которые могут вносить вклад в погрешность КДВ гироскопа.A known method of maintaining a stable uniform magnetic field using a solenoid located coaxially with the sensitivity axis of the quantum rotation sensor (hereinafter referred to as QDV) of the NMR gyroscope [1, 2]. Also known is a method of temperature control of HH using a temperature controller using a separate non-magnetic heater [3]. The disadvantages of separate temperature control and stabilization of the magnetic field are the complication of the KDV construction scheme, uncontrolled heating caused by the current flowing through the solenoid of the magnetic system, uncontrolled parasitic magnetic field created by the heater of the temperature control system of the GY, the need to have a separate solenoid and heater. To suppress the parasitic magnetic field of the heater, heating with alternating current and bifilar winding with the possibility of interlacing conductors or anti-parallel wiring of the printed conductors of the HJ heater are used [3–6]. However, the use of alternating current in the heater leads to pickup at the frequency of the heating current and its harmonics. This pickup interacts with the precession signals of the magnetically sensitive atoms of the GY quantum system and creates crosstalk, which can contribute to the QDV error of the gyroscope.

В составе аналогичных КДВ в настоящее время функцию нагревателя газовой ячейки выполняет отдельное устройство, содержащее максимально немагнитный нагреватель, например предложенный в патенте [3] и термодатчик, под управлением термоконтроллера, обеспечивающего высокоточное поддержание заданной температуры.As part of similar KDVs, the function of the gas cell heater is currently performed by a separate device containing a maximally non-magnetic heater, for example, proposed in the patent [3] and a temperature sensor controlled by a temperature controller that ensures high-precision maintenance of the set temperature.

За прототип предлагаемого устройства принят соленоид, описанный в [7 - 11]. Такой соленоид, состоящий из одной обмотки (катушки), создаёт максимально однородное магнитное поле во внутреннем объёме. Соленоид прототипа не поддерживает функцию нагревателя. Предусматривается нагрев газовой ячейки КДВ отдельным нагревателем [3], входящим в систему управления температурой наряду с термодатчиком и контроллером.The solenoid described in [7 - 11] was adopted as a prototype of the proposed device. Such a solenoid, consisting of one winding (coil), creates the most uniform magnetic field in the internal volume. Prototype solenoid does not support heater function. It is planned to heat the KDV gas cell with a separate heater [3], which is included in the temperature control system along with a temperature sensor and a controller.

На фиг.1 показаны варианты построения соленоида, совмещающего функции нагревателя и источника магнитного поля с однослойной обмоткой, выполненной витой парой из проводников для тока прямого и обратного направления:Figure 1 shows options for constructing a solenoid that combines the functions of a heater and a magnetic field source with a single-layer winding made of a twisted pair of conductors for forward and reverse current:

a) соленоид на основе прототипа [7 - 11] с максимально однородным внутренним полем, a ) solenoid based on the prototype [7 - 11] with the most homogeneous internal field,

b) соленоид на основе прототипа [7 - 11] на цилиндрическом каркасе с переменным шагом намотки, b ) solenoid based on the prototype [7 - 11] on a cylindrical frame with a variable winding pitch,

c) соленоид Ампера [12], c ) Ampère solenoid [12],

d) соленоид на основе катушки Баркера [12]. d ) a solenoid based on a Barker coil [12].

Во всех случаях пунктирная линия обозначает вертикальную центральную ось.In all cases, the dotted line represents the vertical central axis.

Соленоид, создающий магнитное поле, может включать в себя проводящую катушку, радиус которой вокруг центральной оси определяется составным выражением в каждой точке центральной оси (фиг. 1a). Таким образом, магнитный соленоид может быть по существу симметричным относительно плоскости в средней точке магнитного соленоида вдоль внутренней оси.The solenoid producing the magnetic field may include a conductive coil whose radius around the central axis is determined by a compound expression at each point of the central axis (Fig. 1a ). Thus, the magnetic solenoid may be substantially symmetrical about a plane at the midpoint of the magnetic solenoid along the internal axis.

Может быть применён соленоид, имеющий цилиндрическую поверхность образующей, но переменную плотность намотки по длине (фиг. 1b). Максимальное значение расстояния между витками примерно соответствует центральной точке. Например, последовательное расстояние между витками может быть симметричным относительно центральной точки по длине магнитного соленоида. В результате неравномерного расстояния между витками магнитный соленоид может иметь по существу однородное магнитное поле во внутреннем объеме образующей поверхности. Оба этих варианта конструкции соленоида [7 - 11] могут быть рассмотрены в качестве прототипа. A solenoid can be used that has a cylindrical generatrix surface, but a variable winding density along the length (Fig. 1b ). The maximum value of the distance between the turns approximately corresponds to the center point. For example, the series spacing between turns may be symmetrical about a center point along the length of the magnetic solenoid. As a result of the uneven spacing between the turns, the magnetic solenoid can have a substantially uniform magnetic field within the inner volume of the generating surface. Both of these design options for the solenoid [7 - 11] can be considered as a prototype.

Также известны соленоид Ампера, состоящий из протяжённой цилиндрической катушки (фиг. 1с), секционированный соленоид в виде катушки Баркера (фиг. 1d), и ряд других, рассмотренных в [12].Also known are the Ampere solenoid, consisting of an extended cylindrical coil (Fig. 1c ), a sectioned solenoid in the form of a Barker coil (Fig. 1d ), and a number of others considered in [12].

Недостатки прототипа: необходимость раздельного термостатирования и стабилизации магнитного поля приводит к усложнению схемы построения КДВ, неконтролируемому нагреву, вызванному током, протекающим по соленоиду магнитной системы, неуправляемой паразитной магнитной индукции, создаваемой нагревателем системы термостатирования ГЯ, необходимость иметь отдельно соленоид и нагреватель. Кроме того, для подавления паразитной магнитной индукции нагревателя применяется нагрев переменным током, приводящий к возникновению помех на частоте нагрева и её гармониках, что может служить источником систематической погрешности КДВ.Disadvantages of the prototype: the need for separate temperature control and stabilization of the magnetic field leads to a complication of the KDV construction scheme, uncontrolled heating caused by the current flowing through the solenoid of the magnetic system, uncontrolled parasitic magnetic induction created by the heater of the DH thermostating system, the need to have a separate solenoid and heater. In addition, to suppress the parasitic magnetic induction of the heater, alternating current heating is used, which leads to interference at the heating frequency and its harmonics, which can serve as a source of a systematic error in the KDV.

Решаемая техническая проблема - улучшение условий функционирования квантовой системы ГЯ, сопровождающееся упрощением схемы КДВ.The technical problem being solved is the improvement of the conditions for the functioning of a quantum system of GY, accompanied by a simplification of the QDV scheme.

Достигаемый технический результат: избавление от паразитных магнитных наводок, созданных нагревателем, и неконтролируемого нагрева, созданного магнитными катушками. Кроме того, исключается необходимость использования переменного тока для нагрева и необходимость отдельного нагревателя.Technical result achieved: getting rid of parasitic magnetic pickups created by the heater and uncontrolled heating created by magnetic coils. It also eliminates the need for AC heating and the need for a separate heater.

Предлагаемый способ: способ одновременной генерации магнитного поля и термостабилизации квантового датчика вращения, заключающийся в выработке соленоидом под управлением контроллера необходимых для функционирования квантовой системы газовой ячейки температуры газовой смеси и магнитного поля, задающего ось чувствительности, отличающийся тем, что соленоид имеет две обмотки, предназначенные для пропускания двух противонаправленных токов, при этом обмотки соленоида питаются постоянным током, а сумма этих токов определяет тепловыделение системы и используется для нагрева внутреннего объёма соленоида, включая газовую ячейку.The proposed method: a method for the simultaneous generation of a magnetic field and thermal stabilization of a quantum rotation sensor, which consists in the development by a solenoid under the control of a controller of the temperature of the gas mixture necessary for the functioning of the quantum system of the gas cell and the magnetic field that sets the axis of sensitivity, characterized in that the solenoid has two windings designed for transmission of two opposite currents, while the solenoid windings are fed with direct current, and the sum of these currents determines the heat release of the system and is used to heat the internal volume of the solenoid, including the gas cell.

Реализация предлагаемого способа и устройства достигается путем совмещения функций источника постоянного магнитного поля, задающего ось чувствительности КДВ, и нагревательного элемента системы термостатирования ГЯ в одном конструктивном узле ‒ соленоиде с особой организацией обмоток. Implementation of the proposed method and device is achieved by combining the functions of a source of a constant magnetic field, which sets the sensitivity axis of the KDV, and a heating element of the temperature control system of the HJ in one structural unit - a solenoid with a special arrangement of windings.

На фиг.2 представлены: a) - принципиальная схема соленоида, b) - предлагаемая конструкция организации обмоток соленоида. Обозначения на фиг. 2: Figure 2 shows: a) - a schematic diagram of the solenoid, b) - the proposed design of the organization of the solenoid windings. The designations in Figs. 2:

М - магнитная связь между обмотками;M - magnetic connection between the windings;

i 1 - постоянный ток первой обмотки; i 1 - direct current of the first winding;

i 2 - постоянный ток второй обмотки. i 2 - direct current of the second winding.

Предлагается выполнить намотку соленоида из двух взаимосвязанных, встречно включенных обмоток - фиг. 2а. При этом обмотки соленоида питаются постоянным током, что исключает создание наводок на частоте переменного тока нагрева и её гармониках.It is proposed to wind the solenoid from two interconnected, back-to-back windings - Fig. 2 a . In this case, the solenoid windings are fed with direct current, which eliminates the creation of pickups at the frequency of the heating alternating current and its harmonics.

Такое включение обмоток соленоида позволяет одновременно реализовать две функции:This inclusion of the solenoid windings allows you to simultaneously implement two functions:

- источника магнитного поля, пропорционального разности протекающих токов (i 1 -i 2 ).- source of magnetic field, proportional to the difference of flowing currents ( i 1 - i 2 ).

- нагревателя, тепловыделение которого, пропорционально суммарному току в обмотках (i 1 +i 2 ), сумма этих токов определяет тепловыделение системы и используется для нагрева внутреннего объёма соленоида, включая газовую ячейку;- a heater, the heat release of which is proportional to the total current in the windings ( i 1 +i 2 ), the sum of these currents determines the heat release of the system and is used to heat the internal volume of the solenoid, including the gas cell;

В предлагаемой конструкции организации обмоток соленоида (фиг. 2b), создающего максимально однородное магнитное поле, число слоёв намотки обмоток должно соответствовать 2 N , где N - целое число, ≥ 0, что обеспечит снижение паразитных наводок нагревателя.In the proposed design of the organization of the solenoid windings (Fig. 2b), which creates the most uniform magnetic field, the number of winding layers of the windings should correspond to 2 N , where N is an integer, ≥ 0, which will reduce the parasitic interference of the heater.

На фиг. 3 представлена структурная схема предлагаемого устройства одновременной генерации магнитного поля и термостабилизации КДВ, функционирующего на предлагаемом способе, где:In FIG. 3 shows a block diagram of the proposed device for the simultaneous generation of a magnetic field and thermal stabilization of the KDV, operating on the proposed method, where:

1 - соленоид, состоящий из двух обмоток с магнитной связью;1 - solenoid, consisting of two windings with magnetic coupling;

2 - газовая ячейка КДВ (далее - газовая ячейка);2 - gas cell KDV (hereinafter referred to as the gas cell);

3 - термодатчик;3 - temperature sensor;

4 - катушка приёма сигнала поперечной проекции вектора магнитного поля на ось x;4 - coil for receiving a signal of the transverse projection of the magnetic field vector on the x axis;

5 - катушка приёма сигнала поперечной проекции вектора магнитного поля на ось y;5 - coil for receiving a signal of the transverse projection of the magnetic field vector onto the y axis;

6 - усилитель сигнала поперечной проекции вектора магнитного поля на ось x;6 - signal amplifier of the transverse projection of the magnetic field vector on the x axis;

7 - усилитель сигнала поперечной проекции вектора магнитного поля на ось y;7 - signal amplifier of the transverse projection of the magnetic field vector on the y axis;

8 - усилитель сигнала ошибки термодатчика;8 - temperature sensor error signal amplifier;

9 - контроллер;9 - controller;

10 - источник постоянного тока i 1 (далее - ИПТ1);10 - direct current source i 1 (hereinafter - IPT1);

11 - источник постоянного тока i 2 (далее - ИПТ2);11 - DC source i 2 (hereinafter - IPT2);

M - магнитная связь;M - magnetic connection;

z - ось чувствительности КДВ, совпадающая с продольной осью предлагаемого соленоида 1 и осью квантования квантовой системы ГЯ 2; z - axis of QDV sensitivity, coinciding with the longitudinal axis of the proposed solenoid 1 and the quantization axis of the quantum system GYa 2;

x, y - поперечные оси магнитной системы КДВ; x, y - transverse axes of the KDV magnetic system;

S x , S y - входные сигналы контроллера, необходимые для стабилизации магнитного поля; S x , S y - controller input signals required to stabilize the magnetic field;

T 0 - предустановленное значение рабочей температуры ГЯ; T 0 - preset value of the operating temperature HJ;

ΔT - сигнал ошибки по температуре.Δ T - temperature error signal.

Управление источником магнитного поля и нагревателем осуществляется контроллером, входящим в состав электронной части схемы КДВ. Данный контроллер управляет двумя источниками постоянного тока (ИПТ), суммарный выходной ток которых обеспечивает нагрев катушек соленоида до температуры, необходимой для функционирования ГЯ. Разность токов поддерживается на значении, необходимом для создания постоянного продольного магнитного поля, создающего ось квантования гироскопа на ЯМР. Контроллер поддерживает в замкнутом состоянии управление нагревом и магнитным полем и обеспечивает необходимый уровень стабилизации соответствующих параметров в соответствии с требованиями квантовой системы гироскопа на ЯМР.The control of the magnetic field source and the heater is carried out by the controller, which is part of the electronic part of the KDV circuit. This controller controls two direct current sources (DCS), the total output current of which provides heating of the solenoid coils to the temperature required for the operation of the HV. The current difference is maintained at a value necessary to create a constant longitudinal magnetic field that creates the quantization axis of the NMR gyroscope. The controller maintains the control of heating and magnetic field in a closed state and provides the necessary level of stabilization of the corresponding parameters in accordance with the requirements of the quantum NMR gyroscope system.

В качестве предлагаемого соленоида, совмещающего две функции (источника магнитного поля и нагревательного элемента) одновременно, может применяться протяжённая катушка или группа соосных узких колец (катушка Баркера), имеющая обмотку из 2 N (где N - целое число, ≥ 0) количества слоёв намотки с созданием витой пары или параллельных линий в случае печатного способа изготовления из проводников для прямого и обратного направления тока (i 1 , i 2 ). При выполнении намотки или проектировании обмотки методом печатного монтажа (напыление, травление и т.п.) следует учитывать рекомендации по сочетанию проводников для прямого и обратного направления тока [3]. При полном совпадении прямого и обратного тока в такой катушке отсутствует магнитное поле. Однако при независимом управлении указанными токами такая катушка генерирует магнитное поле, пропорциональное разности питающих её токов.As the proposed solenoid, which combines two functions (a source of a magnetic field and a heating element) at the same time, an extended coil or a group of coaxial narrow rings (Barker coil) can be used, having a winding of 2 N (where N is an integer, ≥ 0) the number of winding layers with the creation of a twisted pair or parallel lines in the case of a printed method of manufacturing from conductors for the forward and reverse directions of current ( i 1 , i 2 ). When winding or designing a winding using the printed wiring method (sputtering, etching, etc.), recommendations on the combination of conductors for the forward and reverse current directions should be taken into account [3]. With the complete coincidence of the forward and reverse current, there is no magnetic field in such a coil. However, with independent control of the indicated currents, such a coil generates a magnetic field proportional to the difference in the currents feeding it.

Предлагаемый способ заключается в следующем:The proposed method is as follows:

1. Соленоид, построенный по схеме фиг. 2a, имеющий две магнитосвязанные обмотки, варианты конструкции которого представлены на фиг. 1(a-d), и 2b, вырабатывает постоянное однородное магнитное поле, пропорциональное разности питающих его обмотки электрических токов (i 1 -i 2 ).1. The solenoid, built according to the scheme of Fig. 2 a , having two magnetically coupled windings, the design variants of which are shown in FIG. 1 (ad) , and 2 b , generates a constant uniform magnetic field proportional to the difference of the electric current windings feeding it ( i 1 -i 2 ).

2. Соленоид вырабатывает тепловое излучение, пропорциональное сумме питающих его обмотки электрических токов (i 1 +i 2 ), обеспечивающее функционирование ГЯ при заданной температуре, необходимой для организации квантовой системы внутри ГЯ. 2. The solenoid generates thermal radiation proportional to the sum of the electric current windings feeding it ( i 1 + i 2 ), which ensures the functioning of the GW at a given temperature, necessary for the organization of a quantum system inside the GW.

3. Управление нагревом и магнитным полем осуществляется контроллером. Для высокоточного поддержания необходимых значений индукции магнитного поля и температуры осуществляется поддержание магнитного и теплового контуров в замкнутом состоянии при помощи сигналов поперечной проекции вектора магнитного поля на оси x и y КДВ и термодатчика, участвующих в формировании входных сигналов контроллера S x , S y и ΔT.3. Heating and magnetic field are controlled by the controller. For high-precision maintenance of the required values of the magnetic field induction and temperature, the magnetic and thermal circuits are maintained in a closed state using the signals of the transverse projection of the magnetic field vector on the x and y axes of the KDV and the temperature sensor involved in the formation of the input signals of the controller S x , S y and Δ T .

4. Термодатчик выполняет функцию измерения температуры ГЯ. Располагается вблизи технологического отростка ГЯ, служащего резервуаром щелочного металла (ЩМ), температура которого конструктивно обеспечивается минимальной по отношению к остальным частям ГЯ. Градиент температур не превышает 0,1°C, но он должен быть, для того чтобы при остывании ячейки в неактивном состоянии КДВ, ЩМ, содержащийся в ней конденсировался обратно в технологический отросток, предупреждая тем самым нежелательную металлизацию стенок ГЯ. Стабилизатор температуры поддерживает температуру именно отростка, обеспечивая точно выверенное испарение атомов ЩМ в рабочий объём ГЯ. В качестве термодатчика могут быть применены различные немагнитные терморезисторы, например, платиновые, полупроводниковые или специально изготовленные проволочные термодатчики, намотанные с соблюдением правил подавления создаваемого ими магнитного поля, предложенным в [4, 5].4. The temperature sensor performs the function of measuring the temperature of the GY. It is located near the technological offshoot of the HH, which serves as a reservoir of alkali metal (AL), the temperature of which is structurally ensured to be minimal in relation to the rest of the HH. The temperature gradient does not exceed 0.1°C, but it must be so that when the cell cools in the inactive state, the KDV, SM contained in it condenses back into the technological process, thereby preventing unwanted metallization of the walls of the DH. The temperature stabilizer maintains the temperature of the offshoot, ensuring precisely adjusted evaporation of alkali metal atoms into the working volume of the HW. As a temperature sensor, various non-magnetic thermistors can be used, for example, platinum, semiconductor, or specially made wire temperature sensors wound in compliance with the rules for suppressing the magnetic field they create, proposed in [4, 5].

5. Поперечные составляющие сигналов прецессии квантовой системы ГЯ. Внутри работающей ГЯ создаются макроскопические магнитные моменты атомов, составляющих рабочую газовую смесь - паров ЩМ и инертных газов. Каждый из них в магнитном поле прецессирует на своей частоте. Под действием внешнего вращения корпуса КДВ относительно оси чувствительности z наблюдаемая частота прецессии магнитных моментов, соответствующих инертным газам смещается, что является основой для определения скорости вращения. Однако сумма частот этой прецессии остаётся неизменной и используется для стабилизации продольного магнитного поля B z . Сигналы, содержащие информацию о прецессирующих магнитных моментах считываются специальными катушками, сориентированными по поперечным осям x и y ГЯ и соленоида.5. Transverse components of the precession signals of a quantum system of quantum wells. Macroscopic magnetic moments of the atoms that make up the working gas mixture - alkali metal vapors and inert gases - are created inside a working HJ. Each of them precesses at its own frequency in a magnetic field. Under the action of external rotation of the KDV body relative to the sensitivity axis z , the observed frequency of the precession of magnetic moments corresponding to inert gases is shifted, which is the basis for determining the rotation speed. However, the sum of the frequencies of this precession remains unchanged and is used to stabilize the longitudinal magnetic field B z . Signals containing information about precessing magnetic moments are read by special coils oriented along the transverse x and y axes of the HJ and the solenoid.

Для высокоточной стабилизации магнитного поля на необходимом значении осуществляется поддержание магнитной системы в замкнутом состоянии при помощи контроллера, использующего входные сигналы S x и S y . For high-precision stabilization of the magnetic field at the required value, the magnetic system is maintained in a closed state using a controller using input signals S x and S y .

Реализующее способ устройство (фиг.3) содержит: предлагаемый соленоид; термодатчик, расположенный вблизи самой холодной части ГЯ - отростка для хранения щелочного металла; приёмные катушки поперечных (x и y) полей, усилители сигналов поперечных составляющих магнитного поля; усилитель сигнала ошибки термодатчика; контроллер управления температурой и магнитным полем соленоида; два ИПТ, подключенные к выходу контроллера и нагруженные на обмотки прямого и обратного токов соленоида для обеспечения суммарного и разностного токов для стабилизации температуры и магнитного поля.Implementing the method device (figure 3) contains: the proposed solenoid; a temperature sensor located near the coldest part of the GY - an offshoot for storing alkali metal; receiving coils of transverse ( x and y ) fields, signal amplifiers of the transverse components of the magnetic field; temperature sensor error signal amplifier; solenoid temperature and magnetic field control controller; two IPTs connected to the controller output and loaded on the windings of the direct and reverse currents of the solenoid to provide total and differential currents to stabilize the temperature and magnetic field.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.The proposed device works as follows.

Соленоид 1 образует магнитное поле B z в направлении z; на перпендикулярных направлениях x и y возникают сигналы проекций прецессии магнитного момента атомов, составляющих квантовую систему ГЯ. Квантовая система, образующаяся в газовой среде ГЯ 2, при соответствии рабочей температуры ячейки необходимому значению, под действием магнитного поля B z , задающего ось чувствительности КДВ и измеряемого вращения вокруг этой оси генерирует сигналы прецессии квантовых объектов (атомов, ядер содержащихся в ней газов), которые воспринимаются поперечными катушками 4 и 5. После необходимого усиления усилителями 6, 7 эти сигналы S x , S y поступают на соответствующие входы контроллера 9 для стабилизации магнитного поля. На третий вход контроллера 9 поступает сигнал ошибки по температуре ΔT, сформированный усилителем сигнала температурной ошибки 8 на основе сравнения сигнала термодатчика 3 с предустановленным значением рабочей температуры газовой ячейки T 0. В результате обработки входных сигналов контроллер 9 формирует сигналы управления на выходах 1 и 2 такие, что ИПТ 10 и 11 формируют токи i 1 и i 2 соответственно, позволяющие в сумме (i 1 +i 2 ) нагреть ячейку 2 до температуры T 0 с удержанием её на требуемом для квантовой системы уровне точности, а разностному току (i 1 -i 2 ) создать постоянное магнитное поле B z и удерживать его на необходимом уровне точности.Solenoid 1 generates a magnetic field B z in the z direction; on the perpendicular directions x and y , signals of projections of the precession of the magnetic moment of the atoms that make up the quantum system of the GY arise. The quantum system formed in the gaseous medium of HH 2, when the operating temperature of the cell corresponds to the required value, under the action of a magnetic field B z , which sets the QDV sensitivity axis and the measured rotation around this axis, generates precession signals of quantum objects (atoms, nuclei of the gases contained in it), which are perceived by transverse coils 4 and 5. After the necessary amplification by amplifiers 6, 7, these signals S x , S y are fed to the corresponding inputs of the controller 9 to stabilize the magnetic field. The third input of the controller 9 receives the temperature error signal ΔT generated by the temperature error signal amplifier 8 based on the comparison of the temperature sensor signal 3 with the preset value of the operating temperature of the gas cell T 0 . As a result of processing the input signals, the controller 9 generates control signals at outputs 1 and 2 such that the IPT 10 and 11 generate currents i 1 and i 2 , respectively, allowing in total ( i 1 + i 2 ) to heat cell 2 to a temperature T 0 with retention it at the level of accuracy required for a quantum system, and the difference current ( i 1 - i 2 ) to create a constant magnetic field B z and keep it at the required level of accuracy.

Возможность достижения технического результата обеспечивается конструкцией соленоида. Каждая катушка из двух, составляющих предлагаемый соленоид, создаёт магнитное поле направленное во взаимно противоположных направлениях. Векторное суммирование этих полей даёт равнодействующий вектор поля Bz , направленный в направлении, соответствующем направлению большего по модулю из векторов B 1 или B 2 , соответствующим токам i 1 и i 2 . Разностный ток (i 1 -i 2 ) нигде физически не протекает, нагрева и магнитного поля не создаёт. Следовательно, полностью исключается неконтролируемый нагрев, создаваемый магнитными катушками. Следящая система автоматического регулирования контролирует всё остаточное магнитное поле Bz и может быть построена таким образом, что благодаря применению интегрирующего звена в контроллере, ошибка сводится к нулю. Аналогично, всё тепловыделение обеих составляющих соленоид катушек, соответствующее сумме токов i 1 и i 2 (i 1 +i 2 ) оказывается под управлением своей следящей системы в структуре контроллера, включающей интегрирующее звено, сводящее к нулю ошибку по температуре.The possibility of achieving a technical result is provided by the design of the solenoid. Each of the two coils that make up the proposed solenoid creates a magnetic field directed in mutually opposite directions. The vector summation of these fields gives the resultant field vector Bz , directed in the direction corresponding to the direction of the greater modulus of the vectors B 1 or B 2 , corresponding to the currents i 1 and i 2 . The differential current ( i 1 - i 2 ) does not physically flow anywhere, does not create heating and magnetic field. Therefore, the uncontrolled heating created by the magnetic coils is completely eliminated. The tracking automatic control system controls the entire residual magnetic field Bz and can be built in such a way that, due to the use of an integrating link in the controller, the error is reduced to zero. Similarly, the entire heat dissipation of both coils that make up the solenoid, corresponding to the sum of currents i 1 and i 2 ( i 1 + i 2 ), is controlled by its tracking system in the controller structure, which includes an integrating link that reduces the temperature error to zero.

При построении КДВ по обычной схеме, предусматривающей раздельную организацию однообмоточного соленоида, создающего магнитное поле и нагревательного элемента, ответственного за функцию нагрева ГЯ возникают неконтролируемый нагрев и паразитное магнитное поле. Ниже приводятся возможные числовые значения параметров при организации датчика:When constructing a KDV according to the usual scheme, which provides for the separate organization of a single-winding solenoid that creates a magnetic field and a heating element responsible for the HW heating function, uncontrolled heating and a parasitic magnetic field occur. The following are the possible numerical values of the parameters when organizing the sensor:

- продольное магнитное поле B z = 10 мкТл;- longitudinal magnetic field B z = 10 μT;

- рабочая температура ГЯ T = 80°C;- working temperature HY T = 80°C;

- постоянная катушки соленоида (коэффициент преобразования тока в магнитное поле) - solenoid coil constant (coefficient of current to magnetic field conversion)

K L = 2·10-3 Тл/А; K L = 2·10 -3 T/A;

- постоянная нагревательного элемента (коэффициент преобразования тока в магнитное поле) K T = 5·10-7 Тл/А;- constant of the heating element (coefficient of conversion of current into a magnetic field) K T = 5·10 -7 T/A;

- средний ток соленоида I L = 5 мА;- average solenoid current I L = 5 mA;

- максимальный ток нагревательного элемента I T = 0,5 А;- maximum current of the heating element I T = 0.5 A;

- тепловая мощность, выделяемая катушкой соленоида P L = 275 мкВт;- thermal power released by the solenoid coil P L = 275 μW;

- индукция магнитного поля, создаваемая нагревательным элементом при питании постоянным током B T = 250 нТл.- magnetic field induction created by the heating element when powered by direct current B T = 250 nT.

Паразитные параметры, возникающие при раздельном создании магнитного поля и нагреве ячейки (тепловая мощность и индукция магнитного поля) не управляются регуляторами температуры и магнитного поля соответственно и служат причиной неконтролируемой систематической погрешности КДВ. Индукцию магнитного поля, создаваемую нагревательным элементом, можно в значительной степени подавить, используя для нагрева переменный ток, но при этом возникают перекрёстные биения частоты тока нагрева, её гармоник и частот прецессии квантовой системы внутри ГЯ, также приводящие к систематической погрешности датчика. Применение предлагаемого соленоида, состоящего из двух взаимосвязанных обмоток, позволяет полностью избежать этих проблем.The parasitic parameters arising from the separate creation of a magnetic field and cell heating (thermal power and magnetic field induction) are not controlled by the temperature and magnetic field controllers, respectively, and cause an uncontrolled systematic error of the QDV. The magnetic field induction created by the heating element can be largely suppressed by using alternating current for heating, but in this case, cross beats of the heating current frequency, its harmonics and the precession frequencies of the quantum system inside the GW occur, also leading to a systematic error of the sensor. The use of the proposed solenoid, consisting of two interconnected windings, allows you to completely avoid these problems.

Таким образом достигается заявляемый технический результат.Thus, the claimed technical result is achieved.

Источники информации:Information sources:

1. Патент EP 2666037. Gyroscope System Magnetic Field Error Compensation 1. Patent EP 2666037. Gyroscope System Magnetic Field Error Compensation

2. Патент US 8600691 B2. Gyroscope System Magnetic Field Error Compensation 2. Patent US 8600691 B2. Gyroscope System Magnetic Field Error Compensation

3. Патент US 8138760 B2. Temperature System with Magnetic Field Suppression.3. Patent US 8138760 B2. Temperature System with Magnetic Field Suppression.

4. Патент US 5410127. Electric Blanket System with Reduced Electromagnetic Field.4. Patent US 5410127. Electric Blanket System with Reduced Electromagnetic Field.

5. Патент US 5572451. Ordering of Network Line Segments, in Particular for Calculation of Interferences Between Lines in an Electrical Network.5. Patent US 5572451. Ordering of Network Line Segments, in Particular for Calculation of Interferences Between Lines in an Electrical Network.

6. Патент RU 2319138. Устройство термостатирования образца в датчике магнитного резонанса.6. Patent RU 2319138. Sample temperature control device in a magnetic resonance sensor.

7. Патент US 8487729 B2. Magnetic Solenoid for Generating a Substantially Uniform Magnetic Field.7. Patent US 8487729 B2. Magnetic Solenoid for Generating a Substantially Uniform Magnetic Field.

8. Патент US 8330566 B2. Magnetic Solenoid for Generating a Substantially Uniform Magnetic Field.8. Patent US 8330566 B2. Magnetic Solenoid for Generating a Substantially Uniform Magnetic Field.

9. Патент EP 2392015. Magnetic Solenoid for Generating a Substantially Uniform Magnetic Field 9. Patent EP 2392015. Magnetic Solenoid for Generating a Substantially Uniform Magnetic Field

10. Патент WO 2012/177503 A1. Magnetic Solenoid for Generating a Substantially Uniform Magnetic Field.10. Patent WO 2012/177503 A1. Magnetic Solenoid for Generating a Substantially Uniform Magnetic Field.

11. Патент WO 2010/088675 A1. Magnetic Solenoid for Generating a Substantially Uniform Magnetic Field.11. Patent WO 2010/088675 A1. Magnetic Solenoid for Generating a Substantially Uniform Magnetic Field.

12. Ю.В. Афанасьев, Н.В. Студенцов, В.Н. Хорев, Е.Н. Чечурина, А.П. Щелкин. Средства измерений параметров магнитного поля // Л.: Энергия, Ленинградское отделение, 1979, с. 41-50.12. Yu.V. Afanasiev, N.V. Studentsov, V.N. Khorev, E.N. Chechurin, A.P. Shchelkin. Instruments for measuring the parameters of the magnetic field // L.: Energia, Leningrad branch, 1979, p. 41-50.

Claims (2)

1. Способ одновременной генерации магнитного поля и термостабилизации квантового датчика вращения, заключающийся в выработке соленоидом под управлением контроллера необходимых для функционирования квантовой системы газовой ячейки температуры газовой смеси и магнитного поля, задающего ось чувствительности, отличающийся тем, что соленоид имеет две обмотки, предназначенные для пропускания двух противонаправленных токов, при этом обмотки соленоида питаются постоянным током, а сумма этих токов определяет тепловыделение системы и используется для нагрева внутреннего объёма соленоида, включая газовую ячейку.1. A method for the simultaneous generation of a magnetic field and thermal stabilization of a quantum rotation sensor, which consists in the development by a solenoid under the control of the controller of the gas mixture temperature and the magnetic field necessary for the functioning of the quantum system of the gas cell, which sets the axis of sensitivity, characterized in that the solenoid has two windings designed to transmit two oppositely directed currents, while the solenoid windings are fed with direct current, and the sum of these currents determines the heat release of the system and is used to heat the internal volume of the solenoid, including the gas cell. 2. Устройство для реализации способа одновременной генерации магнитного поля и термостабилизации квантового датчика вращения, состоящее из соленоида, нагревательного элемента и контроллера, отличающееся тем, что соленоид содержит две обмотки, предназначенные для пропускания двух противонаправленных постоянных токов, при этом соленоид создаёт магнитное поле, пропорциональное разности токов прямого и обратного направления, сумма этих токов определяет тепловыделение устройства и используется для нагрева внутреннего объёма соленоида, включая газовую ячейку, а контроллер управляет суммой и разностью токов в обмотках.2. A device for implementing a method for the simultaneous generation of a magnetic field and thermal stabilization of a quantum rotation sensor, consisting of a solenoid, a heating element and a controller, characterized in that the solenoid contains two windings designed to pass two opposing direct currents, while the solenoid creates a magnetic field proportional to the difference between forward and reverse currents, the sum of these currents determines the heat dissipation of the device and is used to heat the internal volume of the solenoid, including the gas cell, and the controller controls the sum and difference of currents in the windings.
RU2023101423A 2023-01-24 Method for simultaneous generation of a magnetic field and thermal stabilization of a quantum rotation sensor and a device for its implementation RU2802341C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2802341C1 true RU2802341C1 (en) 2023-08-25

Family

ID=

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU881594A1 (en) * 1979-11-15 1981-11-15 Белорусский Ордена Трудового Красного Знамени Государственный Университет Им.В.И.Ленина Electron paramagnetic resonance spectrometer thermostatting device
US5572451A (en) * 1992-04-24 1996-11-05 Sextant Avionique Ordering of network line segments, in particular for calculation of interferences between lines in an electrical network
RU2319138C1 (en) * 2006-05-04 2008-03-10 Общество с ограниченной ответственностью "Идея-Резонанс" Device for thermostatting a sample in magnetic resonance sensor
US20100088675A1 (en) * 2008-10-06 2010-04-08 Sap Ag System and method of using pooled thread-local character arrays
US8138760B2 (en) * 2008-06-23 2012-03-20 Northrop Grumman Guidance And Electronics Company, Inc. Temperature system with magnetic field suppression
US20120177503A1 (en) * 2011-01-06 2012-07-12 Ching-Pang Lee Component cooling channel
US8330566B2 (en) * 2009-02-02 2012-12-11 Northrop Grumman Guidance And Electronics Company, Inc. Magnetic solenoid for generating a substantially uniform magnetic field
US8487729B2 (en) * 2009-02-02 2013-07-16 Northrop Grumman Guidance & Electronics Magnetic solenoid for generating a substantially uniform magnetic field

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU881594A1 (en) * 1979-11-15 1981-11-15 Белорусский Ордена Трудового Красного Знамени Государственный Университет Им.В.И.Ленина Electron paramagnetic resonance spectrometer thermostatting device
US5572451A (en) * 1992-04-24 1996-11-05 Sextant Avionique Ordering of network line segments, in particular for calculation of interferences between lines in an electrical network
RU2319138C1 (en) * 2006-05-04 2008-03-10 Общество с ограниченной ответственностью "Идея-Резонанс" Device for thermostatting a sample in magnetic resonance sensor
US8138760B2 (en) * 2008-06-23 2012-03-20 Northrop Grumman Guidance And Electronics Company, Inc. Temperature system with magnetic field suppression
US20100088675A1 (en) * 2008-10-06 2010-04-08 Sap Ag System and method of using pooled thread-local character arrays
US8330566B2 (en) * 2009-02-02 2012-12-11 Northrop Grumman Guidance And Electronics Company, Inc. Magnetic solenoid for generating a substantially uniform magnetic field
US8487729B2 (en) * 2009-02-02 2013-07-16 Northrop Grumman Guidance & Electronics Magnetic solenoid for generating a substantially uniform magnetic field
EP2392015B1 (en) * 2009-02-02 2019-07-03 Northrop Grumman Guidance and Electronics Company, Inc. Magnetic solenoid for generating a substantially uniform magnetic field
US20120177503A1 (en) * 2011-01-06 2012-07-12 Ching-Pang Lee Component cooling channel

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Афанасьев Ю.В. и др., Средства измерений параметров магнитного поля // Л.: Энергия, Ленинградское отделение, 1979, с. 41-50. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4794338A (en) Balanced self-shielded gradient coils
US5278503A (en) Configuration for the compensation of external magnetic field interferences in a nuclear resonance spectrometer with superconducting magnet coil
KR880001362B1 (en) Axial magnetic field gradient coil suitable for use with nmr apparatus
EP2989416B1 (en) Magnetic field trimming in an atomic sensor system
US8008914B2 (en) Low field SQUID MRI devices, components and methods
KR100694952B1 (en) Temperature compensated nmr magnet and method of operation therefor
EP0304126B1 (en) Magnetic resonance apparatus comprising an improved gradient coil system
FI92256B (en) Device based on nuclear magnetic resonance
US5426366A (en) Magnetic resonance apparatus comprising a superconducting magnet
JPH0335814B2 (en)
US4658229A (en) Magnet system providing a region of substantially homogeneous field strength
US11957472B2 (en) Brain measurement apparatus and brain measurement method
CN113796864A (en) Brain magnetometer and method for measuring brain magnetic field
GB2382144A (en) Temperature control of mri shims
RU2802341C1 (en) Method for simultaneous generation of a magnetic field and thermal stabilization of a quantum rotation sensor and a device for its implementation
US11914012B2 (en) Brain measurement apparatus and brain measurement method
US4644277A (en) NMR tomography apparatus
Siebold Design optimization of main, gradient and RF field coils for MR imaging
JP2000147082A (en) Persistent current superconducting magnet
US4799017A (en) Background field magnet for image generating devices using nuclear spin resonance
Shifrin et al. Experimental determination of the gyromagnetic ratio of the helium-4 atom in terms of that of the helium-3 nucleus
JP5752711B2 (en) Static magnetic field coil apparatus and nuclear magnetic resonance imaging apparatus
JPH0268038A (en) Superconducting magnet of magnetic resonance imaging device
Shifrin et al. Atomic magnetic resonance based current source
CN111947638A (en) Nuclear magnetic resonance gyroscope with discrete working media