WO2021110318A1 - Verfahren zur ermittlung einer änderung einer rotatorischen orientierung im raum eines nmr-gyroskops und nmr-gyroskop - Google Patents

Verfahren zur ermittlung einer änderung einer rotatorischen orientierung im raum eines nmr-gyroskops und nmr-gyroskop Download PDF

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WO2021110318A1
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nuclear spin
axis
frequency
nuclear
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PCT/EP2020/079605
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Tino Fuchs
Janine Riedrich-Moeller
Andreas Brenneis
Robert Roelver
Michael Curcic
Peter Degenfeld-Schonburg
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Robert Bosch Gmbh
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/58—Turn-sensitive devices without moving masses
    • G01C19/60—Electronic or nuclear magnetic resonance gyrometers
    • G01C19/62—Electronic or nuclear magnetic resonance gyrometers with optical pumping
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/032—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using magneto-optic devices, e.g. Faraday or Cotton-Mouton effect
    • G01R33/0322—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using magneto-optic devices, e.g. Faraday or Cotton-Mouton effect using the Faraday or Voigt effect
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    • G01R33/26—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance for measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using optical pumping

Definitions

  • the present invention relates to a method for determining the change in a rotational orientation in the space of an NMR gyroscope and an NMR gyroscope.
  • Rotation rate sensors or gyroscopes based on MEMS to determine a change in a rotational orientation in space. These are inexpensive and small. Its deviation is around 1 ”/ hour and its accuracy enables autonomous cars, for example, to stay in lane for around 40 seconds if all other driver assistance systems fail. For example, they can serve as a backup for radar positioning, video assistant positioning and GPS positioning.
  • Laser gyroscopes which can be used for aircraft navigation, are much more precise. They are based on the optical Sagnac effect and their deviation is only approx. 0.0035 ° / hour. However, they are relatively large and expensive and therefore hardly suitable for use in vehicles.
  • NMR gyroscopes ("Nuclear Magnetic Resonance"). These evaluate nuclear magnetic resonance signals from atomic nuclei with non-vanishing magnetic moments. These can be produced in miniature versions and show a deviation of approx. 0.02 ° / hour. This makes them up to 50 times more accurate than MEMS gyroscopes.
  • One way to provide an NMR gyroscope with an axis is to provide a vapor chamber with a mixture of, for example, xenon and rubi dium.
  • the rubidium electron spins in the vapor cell can be polarized by means of a polarized pump laser beam.
  • a strong coupling between rubidium and xenon leads to polarization of the xenon nuclear spins parallel to the rubidium electron spins.
  • a nuclear spin precession of the xenon nuclear spins around the static magnetic field can be generated by means of a static magnetic field in the direction of polarization.
  • the precession frequency is the Larmor frequency that is dependent on the static magnetic field.
  • a coherent precession of all nuclear spins can be achieved through an alternating magnetic field, the frequency of which corresponds to the Larmor frequency and which can be applied perpendicular to the static magnetic field. If a polarized sample or evaluation laser beam is now radiated through the steam cell perpendicular to the static magnetic field, the polarization of the sample laser beam is rotated periodically with the Larmor frequency due to the Faraday effect.
  • a polarizer or polarization filter and a detector can be used to observe an intensity fluctuation that is modulated with the Larmor frequency.
  • a rotation of the sensor about an axis of rotation parallel to the static magnetic field leads to a shift in the Larmor frequency proportional to the rate of rotation.
  • the invention makes use of the measure, in a steam cell which is filled at least with a gaseous first element and a gaseous second element with non-vanishing nuclear spin, a static magnetic field in a first direction, which corresponds to a polarization direction of the nuclear spin of the second element, to apply and to determine a nuclear spin component of the second element in each case in a second direction and in a third direction.
  • the second and third directions are different from each other and are both perpendicular to the first direction.
  • the second direction corresponds to the direction of an applied alternating magnetic field, the frequency of which corresponds to the Larmor frequency of the Larmor precession of the nuclear spins of the second element around the static magnetic field.
  • a rotational change in orientation can then be determined from the vector of the Larmor precession with an axis of rotation parallel to the first direction, with an axis of rotation parallel to the second direction and with an axis of rotation parallel to the third direction.
  • this measure can be used to determine a rotational change in orientation in all three spatial directions using just one steam cell and a few additional components. This minimizes the costs and the construction volume for providing an NMR gyroscope.
  • an alkali metal can be used as the first element, before given to rubidium or cesium.
  • the second element with non-vanishing nuclear spin can in particular be xenon, helium, krypton or neon or a special isotope mixture of the gases, for example Xe-129 and Xe-131.
  • a gas with a specially adjusted isotope mixture of for example xenon with at least one other gas such as helium, neon or krypton is also conceivable.
  • the first direction, the second direction and the third direction expediently each have an angle of 90 ° to one another. In this way, the rotational changes in orientation can be calculated particularly easily.
  • the rotational changes in orientation W ⁇ /) are preferred with an axis of rotation parallel to the first direction, W 2 (/) with an axis of rotation parallel to the second direction and W 3 (/) with an axis of rotation parallel to the third direction from the relationships nd won, where co drv corresponds to the frequency of the alternating magnetic field, B DC corresponds to the applied static magnetic field, B ⁇ C corresponds to the amplitude of the alternating magnetic field in the second direction, G 3 and G 2 correspond to the population and coherence decay rates, G ⁇ e the spin exchange Rate, which leads to the alignment of the nuclear spin of the second element via the exchange interaction with the electron spin s 3 of the first element, k 3 is the nuclear spin component of the second element in the first direction and y k describes the gyromagnetic ratio of the nuclear spin .
  • the axis of rotation parallel to the second direction is determined by applying a feedback magnetic field B FB 2 (t) in addition to the alternating magnetic field in the second direction by means of the first alternating magnetic field generator, which is controlled in such a way that an offset from the nuclear spin component k 2 ( t) the second element in the second direction with respect to the Larmor precession about the first
  • a rotational change in orientation W 3 (/) with an axis of rotation parallel to the third direction is expediently determined by applying a feedback magnetic field B FB 3 (t) in the third direction, which is controlled in such a way that an offset from the Nuclear spin component k 3 (t) of the second element in the third direction with respect to the Larmor precession about the first direction becomes zero,
  • a rotational change in orientation W 3 (/) with an axis of rotation parallel to the first direction is preferably determined by a frequency shift of the nuclear spin component of the second element in the second direction and / or the nuclear spin component in the third direction by changing the frequency of the Magnetic alternating field applied in the second direction is balanced in such a way that the frequency of the applied alternating magnetic field of the measured frequency of the nuclear spin component k 2 (t) of the second element in the second direction and / or the nuclear spin component k 3 (t) of the second
  • the frequency shift is determined in particular by a phase-locked loop or a phase-locked loop.
  • the nuclear spin component k 3 of the second is expediently measured
  • Element in the third direction in that a first linearly polarized evaluation laser beam from a first evaluation laser shines through the steam cell in the third direction, this evaluation laser beam striking a polarizing first beam splitter after shining through the steam cell, which divides the first evaluation laser beam into a transmitted and a reflected beam, a first and a second detector being provided so that the transmitted beam hits the first detector and the reflected beam hits the second detector.
  • This is advantageous because the rotation of the polarization plane as a function of the nuclear spin component k of the second element in the third direction allows the temporal course of this nuclear spin component k 3 to be measured very easily and precisely.
  • the steam cell is preferably kept constant to a value between 110 ° C. and 120 ° C., preferably 115 ° C., which is achieved in particular by means of an infrared laser. This is advantageous because in this way the measurement constants remain the same and measurement errors due to temperature changes are avoided.
  • FIG. 1 shows a steam cell with a mixture of a first gas and a second gas with non-vanishing nuclear spin under the action of a pump laser and a static magnetic field in a schematic view;
  • FIG. 2 shows the vapor cell from FIG. 1 after the nuclear spins of the gas with non-vanishing nuclear spin have aligned parallel to the electron spins of the first gas, in a schematic view;
  • FIG. 3 shows the steam cell from FIGS. 1 and 2, to which an alternating magnetic field is applied perpendicular to the static magnetic field, the frequency of which corresponds to the Larmor frequency of the Larmor precession of the nuclear spin of the gas with non-vanishing nuclear spin around the static magnetic field, in a schematic view;
  • FIG. 4 shows the vapor cell from FIG. 3, through which a polarized evaluation laser beam is irradiated perpendicular to the static magnetic field, the light of which is then detected by a detector with an upstream polarization filter, in a schematic view;
  • FIG. 5 shows a preferred embodiment of an NMR gyroscope according to the invention in a schematic perspective view.
  • Gyroscope and a method for determining the change in a rotary Orientation in space using such an NMR gyroscope described who the.
  • a vapor cell with a mixture of here rubidium as the first gaseous element and here xenon as the second gaseous element with non-vanishing nuclear spin is required.
  • FIG. A static magnetic field 30 is applied in the direction of said spatial axis. Furthermore, the vapor cell is irradiated parallel to the static magnetic field 30 by a pump laser with circularly polarized light 20 at a frequency that is suitable for polarizing the electron spins of the rubidium atoms 11, i.e. the rubidium electron spins, in the direction of the static magnetic field 30.
  • an alternating magnetic field 60 is applied in a direction perpendicular to the static magnetic field 30, the frequency of which corresponds to the Larmor frequency of the Larmor precession of the xenon nuclear spins 11 around the static magnetic field 30.
  • This state is shown in FIG. This results in a common magnetic moment 50 which is around the static magnetic field 30 with the Larmor frequency specified.
  • the precession movement of the common magnetic moment 50 is denoted by the reference symbol 51.
  • a detector 111 with an upstream polarizer designed as a polarization filter can therefore detect the evaluation laser beam which corresponds to an intensity signal that changes with the Larmo r frequency of the xenon nuclear spins 11.
  • the frequency of the intensity signal shifts with the rate of rotation.
  • This frequency shift can be detected by means of an evaluation unit, as a result of which the rotational change in orientation can be detected with an axis of rotation parallel to the static magnetic field.
  • FIG. 5 shows a preferred embodiment of an inventive NMR gyroscope in a schematic, perspective view.
  • the NMR gyroscope has a vapor cell 104 which here contains a mixture of gaseous rubidium as the first element and gaseous xenon as the second element.
  • the NMR gyroscope also has a pump laser 101. This is set up to emit a circularly polarized laser beam 101a in a first direction 1 in such a way that it irradiates the vapor cell 104 in the first direction 1 and the rubidium electron spins 11 in the first direction 1 po- larized. As a result of a strong electron-nuclear spin interaction, the xenon nuclear spins 12 are also polarized in the first direction.
  • the gyroscope has a magnetic field generator for generating a static magnetic field in the first direction 1.
  • this magnetic field generator has a pair of Helmholtz coils 501. If a static magnetic field of strength 5 ⁇ is applied in the first direction 1, the xenon nuclear spins 12 precess around the static magnetic field at the Larmor frequency.
  • the gyroscope has a first alternating magnetic field generator with a pair of Helmholtz coils 502 and a control device 205 which is designed to generate an alternating magnetic field in a second direction 2 perpendicular to the first direction 1.
  • the alternating magnetic field has the amplitude B AC .
  • the gyroscope here has a first evaluation laser 102 which is set up to emit a linearly polarized first evaluation laser beam 102a in the second direction 2 in such a way that it radiates through the steam cell 104 in the second direction 2.
  • This first evaluation laser beam 102a strikes a first polarizing beam splitter 201 after the vapor cell 104 in such a way that a transmitted beam with a first linear polarization direction strikes a first detector 202 and a reflected beam with a second linear polarization direction perpendicular to the first strikes one second detector 203 hits.
  • the polarizing beam splitter is designed here as a beam splitter cube.
  • the NMR gyroscope here also has a second evaluation laser 103 which is set up to irradiate the vapor cell 104 with a second evaluation laser beam 103a in a third direction 3.
  • the third direction 3 is perpendicular to the first 1 and second direction 2.
  • the second evaluation laser beam 103a strikes a second polarizing laser beam after the vapor cell 104 Beam splitter 301.
  • the second beam splitter 301 is designed as a beam splitter cube analogous to the first beam splitter 201.
  • the second beam splitter 301 is set up to continue a component of the second evaluation laser beam 103a with a first linear polarization direction in a transmitted beam which strikes a third detector 302.
  • the second beam splitter 301 is set up to continue a component of the second evaluation laser beam 103a with a second linear polarization direction perpendicular to the first polarization direction in a reflected beam which strikes a fourth detector 303.
  • the NMR gyroscope has a second alternating magnetic field generator with a Helmholtz coil pair 503 and a control device 305 which is set up to apply an alternating magnetic field in the third direction 3 to the steam cell.
  • the NMR gyroscope has an evaluation unit, which in this embodiment consists of a first 204 and second 304 evaluation module and the first 205 and second 305 control device of the first and second alternating magnetic field generator.
  • the first evaluation module 204 is set up to determine a time profile of the nuclear spin component k 2 (t) of the second element in the second direction as the difference between the intensities measured at the first 202 and second detector 203. If the time course has an offset, ie a shift in the signal zero or baseline, a feedback magnetic field B F B , 2 is output (by means of the first control device 205 and the first magnetic alternating field generator 502 that the measured offset ver The first evaluation module 204 can then be used from the relationship g,
  • the second evaluation module 304 is set up, as the difference between the intensities measured at the third 302 and fourth detector 303, a time profile of the nuclear spin component k 3 (t) of the second element in the third direction. to determine. If the time profile has an offset, a feedback magnetic field B FB (t) is output by means of the first control device 305 and the first alternating magnetic field generator 503 in such a way that the measured offset disappears.
  • W 3 (/) - - B FB J (t) a rotational change in orientation or
  • Rotation rate can be determined with an axis of rotation parallel to the third direction 3.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung einer rotatorischen Orientierungsänderung mittels eines NMR-Gyroskops sowie ein NMR-Gyroskop. Die Erfindung bedient sich der Maßnahme, bei einer Dampfzelle (104), welche zumindest mit einem gasförmigen ersten Element und einem gasförmigen zweiten Element mit nicht verschwindendem Kernspin gefüllt ist, eine Kernspinkomponente des zweiten Elements in der zweiten Richtung (2) und eine Kernspinkomponente des zweiten Elements in einer dritten Richtung (3) zu bestimmen. Hierbei unterscheiden sich die zweite (2) und dritte Richtung (3) voneinander. Außerdem sind beide Richtungen senkrecht zu einer ersten Richtung (1), die der Richtung des statischen Magnetfeldes und der Polarisationsrichtung der Kernspins des zweiten Elements entspricht. Weiterhin entspricht die zweite Richtung (2) der Richtung eines angelegten Magnetwechselfeldes, dessen Frequenz der Larmorfrequenz der Larmorpräzession der Kernspins des zweiten Elements um das statische Magnetfeld entspricht. Daraus können dann eine rotatorische Orientierungsänderung ermittelt werden mit einer Drehachse parallel zu der ersten Richtung (1), eine rotatorische Orientierungsänderung mit einer Drehachse parallel zu der zweiten Richtung (2) und eine rotatorische Orientierungsänderung mit einer Drehachse parallel zu der dritten Richtung (3).

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren zur Ermittlung einer Änderung einer rotatorischen Orientierung im
Raum eines NMR-Gyroskops und NMR-Gyroskop
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Änderung ei ner rotatorischen Orientierung im Raum eines NMR-Gyroskops sowie ein NMR- Gyroskop.
Stand der Technik
Man kann zur Ermittlung einer Änderung einer rotatorischen Orientierung im Raum Drehratensensoren bzw. Gyroskope auf MEMS-Basis verwenden. Diese sind kostengünstig und klein. Ihre Abweichung beträgt etwa 1 “/Stunde und deren Genauigkeit ermöglicht beispielsweise bei autonom fahrenden Autos ein Spurhal ten für etwa 40 Sekunden, wenn sämtliche anderen Fahrerassistenzsysteme ausfallen. Sie können beispielsweise als Backup für Radarpositionierung, Video assistenzpositionierung und GPS-Positionierung dienen.
Wesentlich genauer sind Laser-Gyroskope, die man für die Flugzeugnavigation einsetzen kann. Sie beruhen auf dem optischen Sagnac-Effekt und ihre Abwei chung beträgt nur ca. 0,0035°/Stunde. Sie sind jedoch relativ groß und teuer und daher für die Verwendung in Fahrzeugen kaum geeignet.
Eine alternative Möglichkeit ist, NMR-Gyroskope ("Nuclear Magnetic Reso- nance", also Kernspinresonanz) zu verwenden. Diese werten Kernspinresonanz signale von Atomkernen mit nicht verschwindendem magnetischem Moment aus. Diese lassen sich in Miniaturausführung hersteilen und weisen eine Abweichung von ca. 0,02°/Stunde auf. Damit sind sie bis zu 50 mal genauer als MEMS- Gyroskope.
Eine Möglichkeit, ein NMR-Gyroskop mit einer Achse bereitzustellen, besteht da rin, eine Dampfkammer mit einem Gemisch aus beispielsweise Xenon und Rubi dium bereitzustellen. Mittels eines polarisierten Pump-Laserstrahls können die Rubidium-Elektronenspins in der Dampfzelle polarisiert werden. Durch eine star ke Kopplung zwischen Rubidium und Xenon führt dies zu einer Polarisation der Xenon-Kernspins parallel zu den Rubidium-Elektronenspins. Mittels eines stati schen Magnetfeldes in Polarisationsrichtung kann eine Kernspinpräzession der Xenon-Kernspins um das statische Magnetfeld erzeugt werden. Die Präzessions frequenz ist dabei die vom statischen Magnetfeld abhängige Larmorfrequenz. Durch ein Magnetwechselfeld, dessen Frequenz der Larmorfrequenz entspricht und das senkrecht zum statischen Magnetfeld angelegt werden kann, kann eine kohärente Präzession aller Kernspins erreicht werden. Wird nun ein polarisierter Proben- oder Auswerte-Laserstrahl senkrecht zum statischen Magnetfeld durch die Dampfzelle gestrahlt, wird die Polarisation des Probenlaserstrahls aufgrund des Faraday- Effektes periodisch mit der Larmorfrequenz gedreht. Durch einen Polarisator bzw. Polarisationsfilter und einen Detektor kann so eine Intensitäts schwankung beobachtet werden, die mit der Larmorfrequenz moduliert ist. Eine Rotation des Sensors um eine Drehachse parallel zu dem statischen Magnetfeld führt zu einer Verschiebung der Larmorfrequenz proportional zu der Drehrate. Durch Auswertung des Intensitätssignals, das vom Detektor ausgegeben wird, kann so eine Änderung der rotatorischen Orientierung mit einer Drehachse paral lel zu der Polarisationsrichtung bestimmt werden.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zur Ermittlung der Änderung einer rota torischen Orientierung im Raum eines NMR-Gyroskops sowie ein NMR- Gyroskop mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschla gen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung. Die Erfindung bedient sich der Maßnahme, bei einer Dampfzelle, welche zumin dest mit einem gasförmigen ersten Element und einem gasförmigen zweiten Element mit nicht verschwindendem Kernspin gefüllt ist, ein statisches Magnet feld in einer ersten Richtung, welche einer Polarisationsrichtung der Kernspins des zweiten Elements entspricht, anzulegen und jeweils eine Kernspinkompo nente des zweiten Elements in einer zweiten Richtung und in einer dritten Rich tung zu bestimmen. Hierbei unterscheiden sich die zweite und dritte Richtung voneinander und sind beide senkrecht zu der ersten Richtung. Weiterhin ent spricht die zweite Richtung der Richtung eines angelegten Magnetwechselfeldes, dessen Frequenz der Larmorfrequenz der Larmorpräzession der Kernspins des zweiten Elements um das statische Magnetfeld entspricht. Aus dem Vektor der Larmorpräzession kann dann eine rotatorische Orientierungsänderung ermittelt werden mit einer Drehachse parallel zu der ersten Richtung, mit einer Drehachse parallel zu der zweiten Richtung und mit einer Drehachse parallel zu der dritten Richtung.
Wie später gezeigt wird, kann durch diese Maßnahme mittels nur einer Dampf zelle und wenigen Zusatzkomponenten eine rotatorische Orientierungsänderung in allen drei Raumrichtungen ermittelt werden. Somit werden die Kosten und das Bauvolumen für die Bereitstellung eines NMR-Gyroskops minimiert.
Als erstes Element kann insbesondere ein Alkalimetall verwendet werden, bevor zugt Rubidium oder Cäsium. Das zweite Element mit nicht verschwindendem Kernspin kann insbesondere Xenon, Helium, Krypton oder Neon oder ein spezi elles Isotopengemisch der Gase sein, zum Beispiel Xe-129 und Xe-131. Auch ein Gas mit speziell eingestelltem Isotopengemisch von zum Beispiel Xenon mit mindestens einem anderen Gas wie z.B. Helium, Neon oder Krypton ist denkbar.
Zweckmäßigerweise weisen die erste Richtung, die zweite Richtung und die drit te Richtung jeweils einen Winkel von 90° zueinander auf. Auf diese Weise lassen sich die rotatorischen Orientierungsänderungen besonders einfach berechnen.
Bevorzugt werden die rotatorischen Orientierungsänderungen W^/) mit einer Drehachse parallel zur ersten Richtung, W2(/) mit einer Drehachse parallel zur zweiten Richtung und W3(/) mit einer Drehachse parallel zur dritten Richtung aus den Beziehungen
Figure imgf000006_0001
nd gewonnen,
Figure imgf000006_0002
wobei codrv der Frequenz des Magnetwechselfeldes entspricht, BDC dem ange legten statischen Magnetfeld entspricht, BÄC der Amplitude des Magnetwechsel feldes in der zweiten Richtung entspricht, G3 und G2 den Populations- und Kohä renzzerfallsraten entsprechen, Gίe die Spin-Austausch-Rate beschreibt, die zur Ausrichtung des Kernspins des zweiten Elements über die Austauschwechsel wirkung mit dem Elektronenspin s3 des ersten Elements führt, k3 die Kernspin komponente des zweiten Elements in der ersten Richtung ist und yk das gy- romagnetische Verhältnis des Kernspins beschreibt. Durch die Messung der zeit lichen Verläufe von der Kernspinkomponente k2(t) des zweiten Elements in der zweiten Richtung und der Kernspinkomponente k3(t) des zweiten Elements in der dritten Richtung sind ausreichend Informationen vorhanden, um die rotatori schen Orientierungsänderungen bezüglich aller drei Raumachsen eindeutig zu ermitteln.
Insbesondere wird eine rotatorische Orientierungsänderung W2(/) mit einer
Drehachse parallel zu der zweiten Richtung ermittelt, indem zusätzlich zu dem Magnetwechselfeld in der zweiten Richtung mittels des ersten Magnetwechsel feldgenerators ein Feedback-Magnetfeld BFB 2(t) angelegt wird, das derart ge steuert wird, dass ein Offset von der Kernspinkomponente k2(t) des zweiten Elements in der zweiten Richtung bezüglich der Larmorpräzession um die erste
V
Richtung null wird, so dass über die Beziehung W2(/) = — — BFB 2(t ) die rotatori-
2p sehe Orientierungsänderung W2(/) bestimmbar ist. Auf diese Weise kann die ro tatorische Orientierungsänderung W2(/) mit einer Drehachse parallel zu der zweiten Richtung ohne großen Rechenaufwand ermittelt werden.
Zweckmäßigerweise wird eine rotatorische Orientierungsänderung W3(/) mit ei ner Drehachse parallel zu der dritten Richtung ermittelt, indem in der dritten Rich tung ein Feedback-Magnetfeld BFB 3 (t) angelegt wird, das derart gesteuert wird, dass ein Offset von der Kernspinkomponente k3(t ) des zweiten Elements in der dritten Richtung bezüglich der Larmorpräzession um die erste Richtung null wird,
V so dass über die Beziehung W3(/) = — —BFB 3(t) die rotatorische Orientierungs-
2p änderung W3(/) bestimmbar ist.
Bevorzugt wird eine rotatorische Orientierungsänderung W3(/) mit einer Dreh achse parallel zu der ersten Richtung ermittelt wird, indem eine Frequenzver schiebung der Kernspinkomponente des zweiten Elements in der zweiten Rich tung und/oder der Kernspinkomponente in der dritten Richtung durch Änderung der Frequenz des in der zweiten Richtung angelegten Magnetwechselfeldes der art ausgeglichen wird, dass die Frequenz des angelegten Magnetwechselfeldes der gemessenen Frequenz der Kernspinkomponente k2(t ) des zweiten Elements in der zweiten Richtung und/oder der Kernspinkomponente k3(t ) des zweiten
Elements in der dritten Richtung entspricht. Die Frequenzverschiebung wird da bei insbesondere von einer Phasenregelschleife bzw. einem Phase-Iocked-Ioop ermittelt.
Zweckmäßigerweise erfolgt das Messen der Kernspinkomponente k3 des zweiten
Elements in der dritten Richtung dadurch, dass ein erster linear polarisierter Auswerte-Laserstrahl von einem ersten Auswerte-Laser in der dritten Richtung die Dampfzelle durchstrahlt, wobei dieser Auswerte-Laserstrahl nach dem Durchstrahlen der Dampfzelle auf einen polarisierenden ersten Strahlteiler trifft, der den ersten Auswerte-Laserstrahl in einen transmittierten und einen reflektier ten Strahl teilt, wobei ein erster und zweiter Detektor vorgesehen sind, so dass der transmittierte Strahl auf den ersten Detektor trifft, der reflektierte Strahl auf den zweiten Detektor trifft. Dies ist vorteilhaft, da auf diese Weise durch die Rota tion der Polarisationsebene in Abhängigkeit von der Kernspinkomponente k des zweiten Elements in der dritten Richtung der zeitliche Verlauf dieser Kernspin komponente k3 sehr einfach und genau gemessen werden kann.
Insbesondere erfolgt das Messen der Kernspinkomponente k2(t ) des zweiten
Elements in der zweiten Richtung dadurch, dass ein linear polarisierter zweiter Auswerte-Laserstrahl von einem zweiten Auswerte-Laser in der zweiten Richtung die Dampfzelle durchstrahlt, wobei dieser Auswerte-Laserstrahl nach dem Durchstrahlen der Dampfzelle auf einen polarisierenden zweiten Strahlteiler trifft, der den zweiten Auswerte-Laserstrahl in einen transmittierten und einen reflek tierten Strahl teilt, wobei ein dritter und vierter Detektor vorgesehen sind, so dass der transmittierte Strahl auf den dritten Detektor trifft, der reflektierte Strahl auf den vierten Detektor trifft. Dies ist vorteilhaft, da auf diese Weise durch die Rota tion der Polarisationsebene in Abhängigkeit von der Kernspinkomponente 2des zweiten Elements in der zweiten Richtung der zeitliche Verlauf dieser Kernspin komponente &2sehr einfach und genau gemessen werden kann.
Bevorzugt wird die Dampfzelle konstant auf einen Wert zwischen 110°C und 120°C, bevorzugt 115°C, temperiert, was insbesondere mittels eines Infrarotla sers erreicht wird. Dies ist vorteilhaft, da auf diese Weise die Messkonstanten gleich bleiben und Messverfälschungen durch Temperaturänderungen vermieden werden.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Be schreibung und der beiliegenden Zeichnung. Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schema tisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Figur 1 zeigt eine Dampfzelle mit einem Gemisch aus einem ersten Gas und ei nem zweiten Gas mit nicht verschwindendem Kernspin unter Beauf schlagung mit einem Pumplaser und einem statischen Magnetfeld in ei ner schematischen Ansicht;
Figur 2 zeigt die Dampfzelle aus Figur 1 , nachdem die Kernspins des Gases mit nicht verschwindendem Kernspin sich parallel zu den Elektronenspins des ersten Gases ausgerichtet haben, in einer schematischen Ansicht;
Figur 3 zeigt die Dampfzelle aus Figuren 1 und 2, auf die ein Magnetwechselfeld senkrecht zu dem statischen Magnetfeld angewandt wird, dessen Fre quenz der Larmorfrequenz der Larmorpräzession der Kernspins des Ga ses mit nicht verschwindendem Kernspin um das statische Magnetfeld entspricht, in einer schematischen Ansicht;
Figur 4 zeigt die Dampfzelle aus Figur 3, die mit einem polarisierter Auswerte- Laserstrahl senkrecht zu dem statischen Magnetfeld durchstrahlt wird, dessen Licht anschließend von einem Detektor mit vorgeschaltetem Po larisationsfilter erfasst wird, in einer schematischen Ansicht;
Figur 5 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen NMR- Gyroskops in einer schematischen perspektivischen Ansicht.
Ausführungsformen der Erfindung
Anhand der Figuren 1 bis 4 soll nachfolgend das technische Prinzip eines NMR-
Gyroskops und eines Verfahrens zur Ermittlung der Änderung einer rotatorischen Orientierung im Raum mittels eines solchen NMR-Gyroskops beschrieben wer den.
Um eine Änderung einer rotatorischen Orientierung im Raum mittels eines NMR- Gyroskops mit einer Drehachse parallel zu einer Raumachse zu bestimmen, wird eine Dampfzelle mit einem Gemisch aus hier Rubidium als gasförmiges erstes Element und hier Xenon als gasförmiges zweites Element mit nicht verschwin dendem Kernspin benötigt.
Eine solche Dampfzelle ist in Figur 1 dargestellt. In Richtung der genannten Raumachse wird ein statisches Magnetfeld 30 angelegt. Weiterhin wird die Dampfzelle parallel zu dem statischen Magnetfeld 30 von einem Pumplaser mit zirkular polarisiertem Licht 20 in einer Frequenz durchstrahlt, die dazu geeignet ist, die Elektronenspins der Rubidiumatome 11, also die Rubidium- Elektronenspins, in Richtung des statischen Magnetfeldes 30 zu polarisieren.
Durch eine starke Wechselwirkung zwischen den Elektronenspins der Rubidiu matome 11 und den Kernspins der Xenonatome 12 werden die Kernspins der Xenonatome 12, also die Xenon-Kernspins, parallel zu den Elektronenspins der Rubidiumatome 11 polarisiert und beginnen, um das statische Magnetfeld 30 zu präzidieren. Dieser Zustand ist in Figur 2 dargestellt. Da die Phase der Präzessi on der Elektronenspins der Rubidiumatome 11 und der Kernspins der Xenona tome 12 sich von Atom zu Atom unterscheidet, resultiert daraus ein konstantes magnetisches Moment 50, das parallel zu der Polarisationsrichtung, der genann ten Raumachse, der Richtung des Pumplaserlichts 20 und der Richtung des sta tischen Magnetfeldes 30 ausgerichtet ist.
In einer Richtung senkrecht zu dem statischen Magnetfeld 30 wird in einem nächsten Schritt ein Magnetwechselfeld 60 angelegt, dessen Frequenz der Lar- morfrequenz der Larmorpräzession der Xenon-Kernspins 11 um das statische Magnetfeld 30 entspricht. Dies führt dazu, dass die Xenon-Kernspins 11 gleich phasig mit der Larmorfrequenz um das statische Magnetfeld 30 präzidieren. Die ser Zustand ist in Figur 3 dargestellt. Daraus resultiert ein gemeinsames magne tisches Moment 50, das mit der Larmorfrequenz um das statische Magnetfeld 30 präzidiert. Die Präzessionsbewegung des gemeinsamen magnetischen Moments 50 ist mit dem Bezugszeichen 51 bezeichnet.
Die durch die gleichphasige Xenon-Kernspinpräzession 51 hervorvorgerufene Magnetfeldänderung wirkt zurück auf die Rubidium-Elektronenspins 12, die ebenfalls mit der Larmorfrequenz der Xenon-Kernspins 11 um das statische Magnetfeld 30 präzidieren. Dieser Zustand ist in Figur 4 dargestellt.
Wird nun ein linear polarisierter Auswerte-Laserstrahl 70 senkrecht zu der Rich tung des statischen Magnetfeldes 30 durch die Dampfzelle gestrahlt, so dreht sich durch den Faraday-Effekt die Polarisationsrichtung des Auswerte- Laserstrahls 70 mit der Präzession der Elektronenspins des Rubidium 11 um das statische Magnetfeld 30. Durch einen Detektor 111 mit vorgeschaltetem, als Po larisationsfilter ausgebildetem Polarisator kann daher der Auswerte-Laserstrahl erfasst werden, der einem Intensitätssignal entspricht, das sich mit der Larmo rfrequenz der Xenon-Kernspins 11 ändert.
Bei einer rotatorischen Orientierungsänderung der Dampfzelle mit einer Dreh achse parallel zu dem statischen Magnetfeld 30 verschiebt sich die Frequenz des Intensitätssignals mit der Drehrate. Diese Frequenzverschiebung kann mittels ei ner Auswerteeinheit erfasst werden, wodurch die rotatorische Orientierungsände rung mit einer Drehachse parallel zu dem statischen Magnetfeld erfasst werden kann.
Figur 5 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen NMR- Gyroskops in einer schematischen, perspektivischen Ansicht. Das NMR- Gyroskop weist eine Dampfzelle 104 auf, die hier ein Gemisch aus gasförmigem Rubidium als erstes Element und gasförmigem Xenon als zweites Element bein haltet.
Weiterhin weist das NMR-Gyroskop einen Pumplaser 101 auf. Dieser ist dazu eingerichtet, in einer ersten Richtung 1 einen zirkular polarisierten Laserstrahl 101a derart zu emittieren, dass dieser die Dampfzelle 104 in der ersten Richtung 1 durchstrahlt und die Rubidium-Elektronenspins 11 in der ersten Richtung 1 po- larisiert. Durch eine starke Elektron-Kernspin-Wechselwirkung werden dadurch auch die Xenon-Kernspins 12 in der ersten Richtung polarisiert.
Zusätzlich weist das Gyroskop einen Magnetfeldgenerator zur Erzeugung eines statischen Magnetfeldes in der ersten Richtung 1 auf. Dieser Magnetfeldgenera tor weist in dieser Ausführungsform ein Helmholtz-Spulenpaar 501 auf. Wird in der ersten Richtung 1 ein statisches Magnetfeld der Stärke 5ß angelegt, präzidie- ren die Xenon-Kernspins 12 mit der Larmorfrequenz um das statische Magnet feld.
Weiterhin weist das Gyroskop einen ersten Magnetwechselfeldgenerator mit ei nem Helmholtz-Spulenpaar 502 und einem Ansteuergerät 205 auf, der dazu ein gerichtet ist, ein Magnetwechselfeld in einer zweiten Richtung 2 senkrecht zur ersten Richtung 1 zu erzeugen. Das Magnetwechselfeld hat die Amplitude BAC.
Es weist eine Kreisfrequenz oodrv auf, die der Larmorfrequenz der Larmorpräzes- sion der Xenon-Kernspins 12 um das statische Magnetfeld 30 entspricht.
Dadurch wird die Larmorpräzession der Xenon-Kernspins gleichphasig.
Darüber hinaus weist das Gyroskop hier einen ersten Auswerte-Laser 102 auf, der dazu eingerichtet ist, einen linear polarisierten ersten Auswerte-Laserstrahl 102a in der zweiten Richtung 2 derart zu emittieren, dass dieser die Dampfzelle 104 in der zweiten Richtung 2 durchstrahlt. Dieser erste Auswerte-Laserstrahl 102a trifft nach der Dampfzelle 104 derart auf einen ersten polarisierenden Strahlteiler 201 , dass ein transmittierter Strahl mit einer ersten linearen Polarisa tionsrichtung auf einen ersten Detektor 202 trifft und ein reflektierter Strahl mit ei ner zur ersten senkrechten zweiten linearen Polarisationsrichtung auf einen zwei ten Detektor 203 trifft. Der polarisierende Strahlteiler ist hier als Strahlteilerwürfel ausgebildet.
Das NMR-Gyroskop weist hier außerdem einen zweiten Auswerte-Laser 103 auf, der dazu eingerichtet ist, die Dampfzelle 104 mit einem zweiten Auswerte- Laserstrahl 103a in einer dritten Richtung 3 zu durchstrahlen. Die dritte Richtung 3 ist senkrecht zur ersten 1 und zweiten Richtung 2. Der zweite Auswerte- Laserstrahl 103a trifft nach der Dampfzelle 104 auf einen zweiten polarisierenden Strahlteiler 301. Der zweite Strahlteiler 301 ist in dieser Ausführungsform analog zum ersten Strahlteiler 201 als Strahlteilerwürfel ausgebildet. Der zweite Strahl teiler 301 ist dazu eingerichtet, eine Komponente des zweiten Auswerte- Laserstrahls 103a mit einer ersten linearen Polarisationsrichtung in einem trans- mittierten Strahl fortzusetzen, der auf einen dritten Detektor 302 trifft. Weiterhin ist der zweite Strahlteiler 301 dazu eingerichtet, eine Komponente des zweiten Auswerte-Laserstrahls 103a mit einer zweiten linearen Polarisationsrichtung senkrecht zur ersten Polarisationsrichtung in einem reflektierten Strahl fortzuset zen, der auf einen vierten Detektor 303 trifft.
Ferner weist das NMR-Gyroskop einen zweiten Magnetwechselfeldgenerator mit einem Helmholtz-Spulenpaar 503 und einem Ansteuergerät 305 auf, der dazu eingerichtet ist, ein Magnetwechselfeld in der dritten Richtung 3 an der Dampfzel le anzulegen.
Zur Auswertung der Detektorsignale weist das NMR-Gyroskop eine Auswer teeinheit auf, die in dieser Ausführungsform aus einem ersten 204 und zweiten 304 Auswertemodul und dem ersten 205 und zweiten 305 Ansteuergerät des ers ten und zweiten Magnetwechselfeldgenerators besteht.
Das erste Auswertemodul 204 ist dazu eingerichtet, als Differenz aus den ge messenen Intensitäten am ersten 202 und zweiten Detektor 203 einen zeitlichen Verlauf der Kernspinkomponente k2(t) des zweiten Elements in der zweiten Rich tung zu ermitteln. Wenn der zeitliche Verlauf einen Offset, d.h. eine Verschie bung der Signalnull- bzw. -grundlinie aufweist, wird ein Feedback-Magnetfeld BFB,2( derart mittels des ersten Ansteuergerätes 205 und des ersten Mag netwechselfeldgenerators 502 ausgegeben, dass der gemessene Offset ver schwindet. Mittels des ersten Auswertemoduls 204 kann dann aus der Beziehung g ,
W2(/) = — —BFB 2{t) eine rotatorische Orientierungsänderung bzw. Drehrate mit 2p einer Drehachse parallel zu der zweiten Richtung ermittelt werden.
Das zweite Auswertemodul 304 ist dazu eingerichtet, als Differenz aus den ge messenen Intensitäten am dritten 302 und vierten Detektor 303 einen zeitlichen Verlauf der Kernspinkomponente k3(t) des zweiten Elements in der dritten Rich- tung zu ermitteln. Wenn der zeitliche Verlauf einen Offset aufweist, wird ein Feedback-Magnetfeld BFB (t) derart mittels des ersten Ansteuergerätes 305 und des ersten Magnetwechselfeldgenerators 503 ausgegeben, dass der gemessene Offset verschwindet. Mittels des zweiten Auswertemoduls 304 kann dann aus der Beziehung W3(/) = —
Figure imgf000014_0001
— BFB J(t ) eine rotatorische Orientierungsänderung bzw.
2p
Drehrate mit einer Drehachse parallel zu der dritten Richtung 3 ermittelt werden.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Ermittlung einer Änderung einer rotatorischen Orientierung im Raum eines NMR-Gyroskops aufweisend eine Dampfzelle (104), die ein Gemisch aus wenigstens einem gasförmigen ersten Element und wenigs tens einem gasförmigen zweiten Elements mit nicht verschwindendem Kern spin enthält, umfassend die Schritte:
- Polarisieren von Elektronenspins (11) des ersten Elements in einer ers ten Richtung (1), sodass durch eine starke Elektron-Kernspin- Wechselwirkung zwischen dem ersten Element und dem zweiten Element die Kernspins (12) des zweiten Elements parallel zu den Elektronenspins (11) des ersten Elements polarisiert werden;
- Anlegen eines statischen Magnetfeldes (30) in Polarisationsrichtung der Kernspins (12) des zweiten Elements, sodass die Kernspins (12) des zweiten Elements mit einer ersten vom statischen Magnetfeld (30) abhängi gen Larmorfrequenz um das statische Magnetfeld präzidieren;
- Anlegen eines Magnetwechselfeldes (60) in einer zweiten Richtung (2) senkrecht zur Polarisationsrichtung (1) der Kernspins (12) des zweiten Ele ments, wobei das Magnetwechselfeld (60) eine Frequenz aufweist, die der Larmorfrequenz der Larmorpräzession der Kernspins (12) des zweiten Ele ments um das statische Magnetfeld entspricht, sodass die Larmorpräzession der Kernspins (12) des zweiten Elements innerhalb der Dampfzelle (104) gleichphasig wird;
- Messen einer Kernspinkomponente k2 des zweiten Elements in der zweiten Richtung (2) und einer Kernspinkomponente k des zweiten Element in einer dritten Richtung (3), die senkrecht zu der ersten Richtung (1) ist und sich von der zweiten Richtung (2) unterscheidet;
- Bestimmen einer rotatorischen Orientierungsänderung der Dampfzelle (104) mit einer Drehachse parallel zur ersten Richtung (1), mit einer Dreh achse parallel zur zweiten Richtung (2) und mit einer Drehachse parallel zur dritten Richtung (3) aus der Kernspinkomponente fedes zweiten Element in der zweiten Richtung (2) und der Kernspinkomponente k3 des zweiten Ele ments in der dritten Richtung (3).
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste Richtung (1), die zweite Rich tung (2) und die dritte Richtung (3) jeweils einen Winkel von 90° zueinander aufweisen.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die rotatorischen Orientierungsänderun gen W3(/) mit einer Drehachse parallel zur ersten Richtung (1), W2(/) mit einer Drehachse parallel zur zweiten Richtung (2) und W3(/) mit einer Dreh achse parallel zur dritten Richtung (3) aus den Beziehungen wonnen
Figure imgf000016_0001
werden, wobei codrv der Frequenz des Magnetwechselfeldes entspricht,
BDC dem angelegten statischen Magnetfeld entspricht,
BAC der Amplitude des Magnetwechselfeldes in der zweiten Richtung entspricht,
G und G2 den Populations- und Kohärenzzerfallsraten entsprechen,
Gίe die Spin-Austausch-Rate beschreibt, die zur Ausrichtung des Kern spins des zweiten Elements über die Austauschwechselwirkung mit dem Elektronenspin s3 des ersten Elements führt, k3 die Kernspinkomponente des zweiten Elements in der ersten Rich tung (1) ist und
Yk das gyromagnetische Verhältnis des Kernspins beschreibt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei eine rotatorische Orientierungsänderung W2(/) mit einer Drehachse parallel zu der zweiten Richtung (2) ermittelt wird, indem zusätzlich zu dem Magnetwechselfeld (60) in der zweiten Rich tung (2) ein Feedback-Magnetfeld BFB 2(t ) angelegt wird, das derart gesteu- ert wird, dass ein Offset der Kernspinkomponente k2 des zweiten Elements in der zweiten Richtung (2) null wird, so dass über die Beziehung g ,
W2(/) = — —BFB 2{t)d\e rotatorische Orientierungsänderung W2(/) be- 2p stimmbar ist.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei eine rotatorische Orientierungsän derung W3(/) mit einer Drehachse parallel zu der dritten Richtung (3) ermit telt wird, indem in der dritten Richtung (3) ein Feedback-Magnetfeld BFB 3(t) angelegt wird, das derart gesteuert wird, dass ein Offset der Kernspinkom ponente k3 des zweiten Elements in der dritten Richtung (3) null wird, so
V dass über die Beziehung W3(/) = — —BFB 3(t) die rotatorische Orientie-
2p rungsänderung W3(/) bestimmbar ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei eine rotatorische Orien tierungsänderung W3(/) mit einer Drehachse parallel zu der ersten Richtung
(1) ermittelt wird, indem eine Frequenzverschiebung der Kernspinkomponen te k2 des zweiten Elements in der zweiten Richtung (2) und/oder der Kern spinkomponente k in der dritten Richtung (3) durch Änderung der Frequenz des in der zweiten Richtung (2) angelegten Magnetwechselfeldes derart ausgeglichen wird, dass die Frequenz des angelegten Magnetwechselfeldes der gemessenen Frequenz der Kernspinkomponente k2 des zweiten Ele ments in der zweiten Richtung (2) und/oder der Kernspinkomponente k des zweiten Elements in der dritten Richtung (3) entspricht.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei das Messen der Kern spinkomponente k des zweiten Elements in der dritten Richtung (3) dadurch erfolgt, dass ein erster linear polarisierter Auswerte-Laserstrahl (103a) in der dritten Richtung (3) die Dampfzelle (104) durchstrahlt, wobei der Auswerte-Laserstrahl (103a) nach dem Durchstrahlen der Dampfzelle (104) auf einen polarisierenden Strahlteiler (301) trifft, der den ersten Aus werte-Laserstrahl (103a) in einen transmittierten und einen reflektierten Strahl teilt, wobei ein erster und zweiter Detektor (302, 303) vorgesehen sind, so dass der transmittierte Strahl auf den ersten Detektor (302) trifft, der reflektierte Strahl auf den zweiten Detektor (303) trifft und die Signaldifferenz ermittelt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei das Messen der Kern spinkomponente k2 des zweiten Elements in der zweiten Richtung (2) dadurch erfolgt, dass ein linear polarisierter zweiter Auswerte-Laserstrahl (103a) in der zweiten Richtung (2) die Dampfzelle (104) durchstrahlt, wobei dieser Auswerte-Laserstrahl (103a) nach dem Durchstrahlen der Dampfzelle (104) auf einen polarisierenden Strahlteiler (201) trifft, der den zweiten Aus werte-Laserstrahl (103a) in einen transmittierten und einen reflektierten Strahl teilt, wobei ein dritter (202) und vierter Detektor (203) vorgesehen sind, so dass der transmittierte Strahl auf den dritten Detektor (202) trifft, der reflektierte Strahl auf den vierten Detektor (203) trifft und die Signaldifferenz ermittelt wird..
9. NMR-Gyroskop, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach ei nem der vorstehenden Ansprüche, das folgendes aufweist:
- eine Dampfzelle (104), die ein Gemisch aus wenigstens einem gasför migen ersten Element und wenigstens einem gasförmigen zweiten Element mit nicht verschwindendem Kernspin beinhaltet;
- einen Pumplaser (101) zum Polarisieren von Elektronenspins (11) des ersten Elements, der dazu eingerichtet ist, die Elektronenspins (11) des ers ten Elements in der Dampfzelle (104) mittels eines Pumplaserstrahls (101a) in einer ersten Richtung (1) zu polarisieren;
- einen Magnetfeldgenerator (501) zur Erzeugung eines statischen Mag netfeldes in Richtung der Polarisation der Elektronenspins (11) des ersten Elements;
- einen ersten Magnetwechselfeldgenerator (502), der dazu eingerichtet ist, ein Magnetfeld in einer zweiten Richtung (2) senkrecht zu der ersten Richtung (1) mit einer Frequenz zu erzeugen, die der Larmorfrequenz der Larmorpräzession der Kernspins (12) des zweiten Elements um das stati sche Magnetfeld (30) entspricht;
- eine Messeinrichtung, die dazu eingerichtet ist, eine Kernspinkompo nente k2 des zweiten Elements in der zweiten Richtung (2) zu messen und eine Kernspinkomponente k3 des zweiten Elements in einer dritten Richtung
(3) zu messen, die senkrecht zu der ersten Richtung (1) ist und sich von der zweiten Richtung unterscheidet;
- eine Auswerteeinrichtung, die dazu eingerichtet ist, eine rotatorische Orientierungsänderung mit einer Drehachse parallel zu der ersten Richtung, eine rotatorische Orientierungsänderung mit einer Drehachse parallel zu der zweiten Richtung und eine rotatorische Orientierungsänderung mit einer
Drehachse parallel zu einer dritten Richtung aus der Kernspinkomponente k2 des zweiten Elements in der zweiten Richtung (2) und aus der Kernspin komponente k3 des zweiten Elements in der dritten Richtung (3) zu bestim men.
10. NMR-Gyroskop nach Anspruch 9, wobei die erste Richtung (1), die zweite Richtung (2) und die dritte Richtung (3) jeweils einen Winkel von 90° zuei nander aufweisen.
11. NMR-Gyroskop nach Anspruch 10, das ferner einen zweiten Magnetwech selfeldgenerator (503) zum Anlegen eines Feedback-Magnetfeldes in der dritten Richtung (3) aufweist, wobei die Auswerteeinheit dazu eingerichtet ist, ein Feedback-Magnetfeld BFB 3 derart in der dritten Richtung (3) anzulegen, dass ein Offset der Kernspinkomponente k3 des zweiten Elements in der drit-
V ten Richtung (3) null wird, so dass über die Beziehung W3(/) = — —BFB 3(t)
Ίp die rotatorische Orientierungsänderung W3(/) bestimmbar ist.
12. NMR-Gyroskop nach einem der Ansprüche 10 bis 11, wobei die Auswer teeinheit dazu eingerichtet ist, mittels des ersten Magnetwechselfeldgenera tors (502) ein Feedback-Magnetfeld BFB 2 zusätzlich zu dem Magnetwech selfeld derart in der zweiten Richtung (2) anzulegen, dass ein Offset der Kernspinkomponente k2(t) in der zweiten Richtung (2) null wird, so dass
V über die Beziehung W2(/) = — —BFB 2(t) die rotatorische Orientierungsän-
2p derung W2(/) bestimmbar ist.
13. NMR-Gyroskop nach einen der Ansprüche 10 bis 12, wobei die Auswer teeinheit ferner eine Phasenregelschleifenanordnung aufweist, die dazu ein gerichtet ist, eine rotatorische Orientierungsänderung W^/) mit einer Dreh achse parallel zu der ersten Richtung (1) zu ermitteln, indem eine Frequenz verschiebung der Kernspinkomponente k2 des zweiten Elements in der zweiten Richtung (2) und/oder der Kernspinkomponente k des zweiten Ele ments in der dritten Richtung (3) durch Änderung der Frequenz des in der zweiten Richtung (2) angelegten Magnetwechselfeldes derart ausgeglichen wird, dass die Frequenz des angelegten Magnetwechselfeldes der gemes senen Frequenz von der Kernspinkomponente k2(t) des zweiten Elements in der zweiten Richtung (2) und/oder von der Kernspinkomponente k3(t) des zweiten Elements in der dritten Richtung (3) entspricht.
14. NMR-Gyroskop nach einem der Ansprüche 10 bis 13, das ferner einen ers ten Auswerte-Laser (103) zum Durchstrahlen der Dampfzelle (104) mittels eines linear polarisierten ersten Auswerte-Laserstrahls (103a) in der dritten Richtung (3) aufweist, wobei dieser Auswerte-Laserstrahl (103a) nach dem Durchstrahlen der Dampfzelle (104) auf einen polarisierenden ersten Strahl teiler (301) trifft, der den ersten Auswerte-Laserstrahl (103a) in einen trans- mittierten und einen reflektierten Strahl teilt, wobei ein erster (302) und ein zweiter Detektor (303) vorgesehen sind, so dass der transmittierte Strahl auf den ersten Detektor (302) trifft, der reflektierte Strahl auf den zweiten Detek tor (303) trifft.
15. NMR-Gyroskop nach einem der Ansprüche 10 bis 14, das ferner einen zwei ten Auswerte-Laser (102) zum Durchstrahlen der Dampfzelle (104) mittels eines linear polarisierten zweiten Auswerte-Laserstrahls (102a) in der zwei ten Richtung (2) aufweist, wobei dieser Auswerte-Laserstrahl (102a) nach dem Durchstrahlen der Dampfzelle (104) auf einen polarisierenden ersten Strahlteiler (201) trifft, der den ersten Auswerte-Laserstrahl (102a) in einen transmittierten und einen reflektierten Strahl teilt, wobei ein dritter (202) und ein vierter Detektor (203) vorgesehen sind, so dass der transmittierte Strahl auf den dritten Detektor (202) trifft, der reflektierte Strahl auf den vierten De tektor (203) trifft.
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