к библиотеке  к оглавлению  FAQ по эфирной физике  ТОЭЭ  ТЭЦ  ТПОИ  ТИ  

РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА

Глоссарий по физике
А  Б  В  Г  Д  Е  Ж  З  И  К  Л  М  Н  О  П  Р  С  Т  У  Ф  Х  Ц  Ч  Ш  Э  Ю  Я  

Ядерный гироскоп
Ядерный гироскоп - квантовый гироскоп ,чувствительным элементом к-рого является ансамбль ориентированных атомных ядер, обладающий макроскопич. магн. моментом М (см. Ядерный парамагнетизм ).Принцип действия Я. г. основан на зависимости частоты прецессии вектора М в пост. магн. поле Н от угл. скорости вращения ядерного гироскопа. Так как ядра с чётными числами протонов Z и нейтронов N имеют нулевой магн. момент (см. Ядро атомное ),то в Я. г. используются изотопы с нечётным массовым числом A = N+Z-32He, 8336Кr, 12954Хе, 19980Hg, 20180Hg. Эти атомы имеют также замкнутую электронную оболочку, и их полный магн. момент определяется только магн. моментом ядра. Для ослабления влияния релаксац. процессов в Я. г. используются газообразные активные среды.

В криогенных моделях ядерного гироскопа ядерные спины ориентируются однородным пост. магн. полем Н при температуре Т4,2 К. Макроскопич. магн. момент М определяется разностью числа спинов, ориентированных вдоль (пе )и против (пg)поля: ne/ng = exp(2mH/kT), где m-магн. момент атома. Момент М существует и после снятия магн. поля в течение времени ~T1, где T1- время продольной релаксации. Напр., для 32Не (практически единственного вещества, остающегося газообразным при 4,2 К) T1 > 1 дня. Сверхпроводящие магн. экраны из Nb позволяют получить высокую стабильность и однородность поля (<10-8 Э/см). Однако при статич. методе ориентации величина (пе-ng)отн = th(mH/kT)невелика (~0,01%), что препятствует получению высокого отношения сигнала к шуму S/N. Увеличение же М за счёт увеличения давления газа (>7 атм) уменьшает время поперечной спин-спиновой релаксации Т2, что также уменьшает величину S/N.

В большинстве моделей ядерного гироскопа применяется динамич. ориентация ядер, заключающаяся в изменении равновесной населённости в системе ядерных спинов с помощью оптической накачки циркулярно-поляризованным излучением на частоте, соответствующей переходу между зеема-новскими подуровнями электронов, находящихся в слабом пост. поле Н (см. Зеемана эффект). Ориентация ядерных спинов происходит за счёт передачи момента импульса фотонов от электронов к ядрам (см. Ориентированные ядра ).При лазерной накачке степень ориентации ядер может достигать 70%, что даёт высокое отношение сигнала к шуму S/N(>75 дБ).

Регистрация изменений М, вызванных вращением ядерного гироскопа, также осуществляется с помощью динамич. методов- явления ядерного магнитного резонанса и эффектов модуляции величины поглощения или фарадеевского вращения плоскости поляризации оптич. излучения, проходящего через активную среду ядерного гироскопа с прецессирующим магн. моментом М. Процесс прецессии обеспечивается за счёт работы Я. г. в режиме спинового генератора (СГ). Для этого Я. г. помещают в перем. магн. поле Н~, перпендикулярное пост. полю Н0. В результате в ядерном гироскопе возбуждается Лармора прецессия магн. момента М. В инерц. системе координат вектор М прецессирует вокруг поля Н0 с частотой wL0 = | j|H0, где j-магнита механическое отношение. Если Я. г. вращается вокруг направления поля Н0 с угл. скоростью +W, то частота прецессии wL определяется выражением

Измеряя wL и зная j, можно определить W. Существенно, что масштабный коэф. Я. г. не зависит от его размеров, геометрии и в данном случае равен 1.

Расфазировка прецессирующих ядер, определяемая эфф. временем с п и н-с п и н о в о й р е л а к с а ц и и Т2 эф, и отношение S/N являются осн. факторами, определяющими точность измерения угл. скорости вращения Я. г.: DW~ ~(S/N)-1Т-12 эф. Так, для Я. г. на изотопах ртути при T2 эф~23 с S/N~106 (60 дБ), DW0,05 град/ч (хаотич. дрейф ~0,01 град/).

Прецезионное измерение W ядерного гироскопа с одним типом ядер требует высокой стабильности поля Н0. Использование в одной ячейке Я. г. двух типов ядер с разл. магнитомеха-нич. отношениями j1,  j2 позволяет снизить требования к стабильности поля Н0. В этом случае W определяется отношением

а отношение j2/j1 должно определяться с такой же высокой точностью, как и частоты прецессии wLl, wL2.

Схема ядерного гироскопа с одной ячейкой, работающего на базе двух СГ с оптич. ориентацией ядер, показана на рис. 1. В нём используются стабильные изотопы ртути 19980Hg (j1761,20 Гц/Э) и 20180Hg (j2-280,99 Гц/Э) в виде пара при низком давлении (10-4 мм рт. ст.), заключённые в капсулу из плавленого кварца. Капсула помещается во взаимно перпендикулярные магн. поля: постоянное Н0 и переменное Н~, модулированное на частотах wL1 и wL2 (при Н01,3 Э, wL11000 Гц для 19980Hg и 369 Гц для 20180Hg). Для ориентации ядер используется оптич. накачка на частоте, соответствующей резонансным линиям Hg (l= 253,7 нм для l99Hg и l= 185,0 нм для 201Hg). Цирку-лярно-поляризованное излучение получают от газоразрядной лампы на парах 20480Hg с помощью поляризатора и пластинки l/4. Луч накачки распространяется вдоль поля Н0 по т. н. оси чувствительности oz ядерного гироскопа.

Рис. 1. Схема ядерного гироскопа на базе двух СГ с одной ячейкой на изотопах ртути 19980Hg, 20180Hg с оптической ориентацией ядер: 1- кварцевая капсула с изотопами ртути; 2-катушки, создающие постоянное поле Н0; 3-катушки, создающие переменное поле Н~; 4-защитный магнитостатический экран; 5-газоразрядная лампа на изотопе ртути 20480Hg для ориентирования ядер; 6-газоразрядная лампа на изотопе 20280Hg, создающая "луч опроса"; 7-поляризаторы; 8-пластинка l/4; 9-анализатор; 10-фотоприёмник; 11 - усилитель; 12, 13 - каналы обратной связи по сигналам wL1, wL2; 14-система регистрации и обработки выходного сигнала.

Для измерения малых разностей частот (~10-8Гц) и фаз (~5.10-8рад) прецессии сигналы сравниваются с опорными сигналами от рубидиевых или цезиевых квантовых стандартов частоты. Измерение частот и фаз прецессии магн. моментов М1 М2 двух ансамблей ориентированных ядер ртути осуществляется путём регистрации амплитудно-модулированного излучения, проходящего через ячейку вдоль оси ох (т. н. луча опроса). Обычно используется резонансное циркулярно-поляризованное излучение от газоразрядной лампы на парах 20480Hg или нерезонансное линейно-поляризованное излучение от лампы на парах 20280Hg. Прецессия магн. моментов М1 М2 модулирует или поглощение циркулярно-поляризованного света, или поворот плоскости поляризации линейно-поляризованного света (см. Фарадея эффект). Интенсивность циркулярно-поляризованного излучения должна быть меньше интенсивности луча накачки, т. к. луч опроса уменьшает степень оптич. ориентации и укорачивает времена жизни зееманов-ских подуровней. Интенсивность луча опроса и, следовательно, отношение S/N могут быть увеличены в случае нерезонансного линейно-поляризованного излучения. Луч опроса должен быть стабильным по интенсивности, т. к. сдвиги энергетич. уровней зависят от интенсивности световой волны (Штарка эффект). Частоты wL1, wL2 и фазы j1,j2 модуляции луча опроса детектируются фотоприёмником. Его сигнал подаётся в измерит. устройство и через цепи обратной связи на катушку, создающую перем. поле Н~. Это обеспечивает устойчивую работу ядерного гироскопа.

При использовании двух ячеек I, II (рис. 2) с двумя типами ядер, помещаемых в равные, но противоположно направленные пост. магн. поля НI,   НII, угл. скорость W может быть определена без знания величин H, j1/j2:

Здесь wIL1,L2, wIIL1,L2 - частоты прецессии ядер в первой и второй ячейках. Следует, однако, иметь в виду, что при |НI| = |НII| и достаточно большой связи СГ возможен захват их частот (wIL1 =wIIL1, wIL2 = wIIL2)- Поэтому в общем случае НII= -КНI. При этом процесс измерения W состоит в суммировании разности фаз между сигналами с частотами KwIL1, wIIL1 и частотами КwIL2, wIIL2 от обеих ячеек и формировании сигнала ошибки. Этот сигнал управляет величиной одного из магн. полей, напр. НII. Выходным сигналом служит разность обеих разностей фаз, соответствующая (при К=1)4W.

Рис. 2. Схема дифференциального ядерного гироскопа на базе четырёх СГ с двумя ячейками на изотопах ртути 19980Hg, 20180Hg: 1, 2-фильтры на частоты wIL1, wIL2; 3, 4-умножители частоты Кw; 5, 6-фильтры на частоты wIIL1, wIIL2; 7, 8-датчики разностей фаз Dj1 (между частотами wIL1 и KwIIL1)и Dj2 (между частотами wIL2 и КwIIL2); 9-схема суммирования разностей фаз Dj1 + Dj2; 10-схема управления полем HII; 11-схема вычитания разностей фаз Dj1 -Dj2; 12-система регистрации и обработки выходного сигнала.

Достигнутая точность ядерного гироскопа г.- DW10-2 град/ч. Теоре-тич. точность Я. г.- DW<=10-4 град/ч - ограничивается флуктуациями ядерной намагниченности среды, степенью ориентации ядер и шумами. В нек-рых типах ядерного гироскопа (напр., на изотопах 8336Kr, 12954Xe) возникают ограничения на дина-мич. диапазон измеряемых угл. скоростей, связанные с тем, что скорости вращения Я. г. и находящегося в нём газа могут стать не равными. Достоинства ядерного гироскопа - нечувствительность к перегрузкам, большой срок службы, цифровой вид информации.

Наряду с ядерными гироскопами возможны электронные гироскопы, в к-рых активной средой служат обычные парамагнетики (напр., стабильные свободные радикалы, атомы щелочных металлов). При одинаковых условиях вектор электронной намагниченности значительно больше вектора ядерной намагниченности, что позволяет получить большую точность; однако малые времена релаксации спинов затрудняют практич. реализацию.

Литература по 

1. Малеев П. И., Новые типы гироскопов, Л., 1971; Померанцев Н. М., Рыжков В. М., Скроцкий Г. В., Физические основы квантовой магнитометрии, М., 1972; Курицки М. М., Голдстайн М. С., Инерциальная навигация, [пер. с англ.], "ТИИЭР", 1983, т. 71, № 10, с. 47; Woodman К. F., Franks P. W., Richards M. D., The nuclear magnetic resonance gyroscope: a review, "J. of Navigation", 1987, v. 40, № 3, p. 366.

A. H. Шелаев.

к библиотеке  к оглавлению  FAQ по эфирной физике  ТОЭЭ  ТЭЦ  ТПОИ  ТИ