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 релятивистское объяснение феномену CMB (космическому микроволновому излучению) придумал человек выдающейся фантазии Иосиф Шкловский (помните книжку миллионного тиража "Вселенная, жизнь, разум"?). Он выдвинул совершенно абсурдную идею, заключавшуюся в том, что это есть "реликтовое" излучение, оставшееся после "Большого Взрыва", то есть от момента "рождения" Вселенной. Хотя из простой логики следует, что Вселенная есть всё, а значит, у нее нет ни начала, ни конца... Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

НОВОСТИ ФОРУМА

Рыцари теории эфира