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 (п_е)и против (п_g)поля: n_e/n_g = 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 (п_е-n_g)_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 w_L₀ = | j|H₀, где j-магнита механическое отношение. Если Я. г. вращается вокруг направления поля Н₀ с угл. скоростью +W, то частота прецессии w_L определяется выражением

Измеряя w_L 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 спин-спиновой релаксации Т_{2 эф}, и отношение S/N являются осн. факторами, определяющими точность измерения угл. скорости вращения Я. г.: DW~ ~(S/N)^-1Т^-1_{2
эф}. Так, для Я. г. на изотопах ртути при T_{2 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 w_L_l, w_L₂.

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 w_L₁ и w_L₂ (при Н₀1,3 Э, w_L₁1000 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 w_L₁, w_L₂; 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 w_L₁, w_L₂ 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 Н^I, Н^II, угл. скорость W может быть определена без знания величин H, j₁/j₂:

Здесь w^I_L_1,L2, w^II_L_1,L2 - частоты прецессии ядер в первой и второй ячейках. Следует, однако, иметь в виду, что при |Н^I| = |Н^II| и достаточно большой связи СГ возможен захват их частот (w^I_L₁ =w^II_L₁, w^I_L₂ = w^II_L₂)- Поэтому в общем случае Н^II= -КН^I. При этом процесс измерения W состоит в суммировании разности фаз между сигналами с частотами Kw^I_L₁, w^II_L₁ и частотами Кw^I_L₂, w^II_L₂ от обеих ячеек и формировании сигнала ошибки. Этот сигнал управляет величиной одного из магн. полей, напр. Н^II. 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 w^I_L₁, w^I_L2; 3, 4 - умножители частоты Кw; 5, 6-фильтры на частоты w^II_L₁, w^II_L₂; 7, 8-датчики разностей фаз Dj₁ (между частотами w^I_L₁ и Kw^II_L₁) и Dj₂ (между частотами w^I_L₂ и Кw^II_L₂); 9 - схема суммирования разностей фаз Dj₁ + Dj₂; 10-схема управления полем H^II; 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 ядерным гироскопам

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

Знаете ли Вы, что в 1974 - 1980 годах профессор Стефан Маринов из г. Грац, Австрия, проделал серию экспериментов, в которых показал, что Земля движется по отношению к некоторой космической системе отсчета со скоростью 360±30 км/с, которая явно имеет какой-то абсолютный статус. Естественно, ему не давали нигде выступать и он вынужден был начать выпуск своего научного журнала "Deutsche Physik", где объяснял открытое им явление. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

НОВОСТИ ФОРУМА

Рыцари теории эфира