ЯДЕРНЫЙ ГИРОСКОП

-квантовый гироскоп,чувствительным элементом к-рого является ансамбль ориентированных атомных ядер, обладающий макроскопич. магн. моментомМ(см.Ядерный парамагнетизм).Принцип действия Я. г. основан на зависимости частоты прецессии вектораМв пост. магн. полеНот угл. скорости вращения Я. г. Так как ядра с чётными числами протонов Z и нейтроновNимеют нулевой магн. момент (см.Ядро атомное),то в Я. г. используются изотопы с нечётным массовым числомA = 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 Я. г. ядерные спины ориентируются однородным пост. магн. полемНпри темп-реТ4,2 К. Макроскопич. магн. моментМопределяется разностью числа спинов, ориентированных вдоль (п_е)и против (п_g)поля:n_e/n_g=exp(2mH/kT),где m-магн. момент атома. МоментМсуществует и после снятия магн. поля в течение времени ~T₁, гдеT₁-время продольной релаксации.Напр., для³₂Не (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^-8Э/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 шумуS/N.Увеличение жеМза счёт увеличения давления газа (>7 атм) уменьшает время поперечной спин-спиновой релаксацииТ₂,что также уменьшает величинуS/N.

В большинстве моделей Я. г. применяется динамич. ориентация ядер, заключающаяся в изменении равновесной населённости в системе ядерных спинов с помощьюоптической накачкициркулярно-поляризованным излучением на частоте, соответствующей переходу между зеема-новскими подуровнями электронов, находящихся в слабом пост. полеН(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 шумуS/N(>75 дБ).

Регистрация измененийМ,вызванных вращением Я. г., также осуществляется с помощью динамич. методов- явленияядерного магнитного резонансаи эффектов модуляции величины поглощения или фарадеевского вращения плоскости поляризации оптич. излучения, проходящего через активную среду Я. г. с прецессирующим магн. моментомМ.Процесс прецессии обеспечивается за счёт работы Я. г. в режиме спинового генератора (СГ). Для этого Я. г. помещают в перем. магн. полеН_~,перпендикулярное пост. полюН₀.В результате в Я. г. возбуждаетсяЛармора прецессиямагн. моментаМ.В инерц. системе координат векторМпрецессирует вокруг поляН₀.с частотой w_L₀= | j|H₀,гдеj-магнита механическое отношение.Если Я. г. вращается вокруг направления поляН₀с угл. скоростью+W, то частота прецессии w_Lопределяется выражением

Измеряя w_Lи знаяj,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 иТ_{2 эф},и отношениеS/Nявляются осн. факторами, определяющими точность измерения угл. скорости вращения Я. г.: DW~~(S/N)^-1Т^-1_{2 эф}.Так, для Я. г. на изотопах ртути приT_{2 эф}~23 сS/N~10⁶(60 дБ), DW0,05 град/ч (хаотич. дрейф ~0,01 град/).

Прецезионное измерение W Я. г. с одним типом ядер требует высокой стабильности поляН₀.Использование в одной ячейке Я. г. двух типов ядер с разл. магнитомеха-нич. отношениямиj₁, j₂позволяет снизить требования к стабильности поляН₀.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 Я. г. с одной ячейкой, работающего на базе двух СГ с оптич. ориентацией ядер, показана на рис. 1. В нём используются стабильные изотопы ртути¹⁹⁹₈₀Hg (j₁761,20 Гц/Э) и²⁰¹₈₀Hg (j₂-280,99 Гц/Э) в виде пара при низком давлении (10^-4мм рт. ст.), заключённые в капсулу из плавленого кварца. Капсула помещается во взаимно перпендикулярные магн. поля: постоянноеН₀и переменноеН_~,модулированное на частотах w_L₁и w_L₂(приН₀1,3 Э, w_L₁1000 Гц для¹⁹⁹₈₀Hg и 369 Гц для²⁰¹₈₀Hg). Для ориентации ядер используется оптич. накачка на частоте, соответствующей резонансным линиям Hg (l= 253,7 нм для^l99Hg и l= 185,0 нм для²⁰¹Hg). Цирку-лярно-поляризованное излучение получают от газоразрядной лампы на парах²⁰⁴₈₀Hg с помощью поляризатора и пластинки l/4. Луч накачки распространяется вдоль поляН₀по т. н. оси чувствительностиozЯ. г.

Рис. 1. Схема ядерного гироскопа на базе двух СГ содной ячейкой на изотопах ртути¹⁹⁹₈₀Hg,²⁰¹₈₀Hg соптической ориентацией ядер:1- кварцевая капсула с изотопами ртути;2-катушки, создающие постоянное полеН₀; 3-катушки, создающие переменное полеН_~; 4-защитный магнитостатический экран;5-газоразрядная лампа на изотопе ртути²⁰⁴₈₀Hg для ориентирования ядер;6-газоразрядная лампа на изотопе²⁰²₈₀Hg, 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 цезиевыхквантовых стандартов частоты.Измерение частот и фаз прецессии магн. моментовМ₁М₂двух ансамблей ориентированных ядер ртути осуществляется путём регистрации амплитудно-модулированного излучения, проходящего через ячейку вдоль осиох(т. н. луча опроса). Обычно используется резонансное циркулярно-поляризованное излучение от газоразрядной лампы на парах²⁰⁴₈₀Hg или нерезонансное линейно-поляризованное излучение от лампы на парах²⁰²₈₀Hg. Прецессия магн. моментовМ₁М₂.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, отношениеS/Nмогут 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_L₂и фазы j₁,j₂модуляции луча опроса детектируются фотоприёмником. Его сигнал подаётся в измерит. устройство и через цепи обратной связи на катушку, создающую перем. полеН_~.Это обеспечивает устойчивую работу Я. г.

При использовании двух ячеек I, II (рис. 2) с двумя типами ядер, помещаемых в равные, но противоположно направленные пост. магн. поляН^I, Н^II,угл. скорость W может быть определена без знания величинH, 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|идостаточно большой связи СГ возможен захват их частот (w^I_L₁=w^II_L₁, w^I_L₂= w^II_L₂)- Поэтому в общем случаеН^II= -КН^I.При этом процесс измерения W состоит в суммировании разности фаз между сигналами с частотамиKw^I_L₁, w^II_L₁и частотамиКw^I_L₂,w^II_L₂от 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 (приК=1)4W.

Рис. 2. Схема дифференциального ядерного гироскопана базе четырёх СГ с двумя ячейками на изотопах ртути¹⁹⁹₈₀Hg,²⁰¹₈₀Hg:1,2-фильтры на частоты w^I_L₁, w^I_L2;3, 4-умножители частотыКw; 5, 6-фильтры на частоты w^II_L₁,w^II_L₂; 7,8-датчики разностей фаз Dj₁(между частотами w^I_L₁иKw^II_L₁)и Dj₂(между частотами w^I_L₂иКw^II_L₂); 9-схема суммирования разностей фаз Dj₁+ Dj₂;10-схема управления полемH^II;11-схема вычитанияразностей фаз Dj₁-Dj₂;12-система регистрации иобработки выходного сигнала.

Достигнутая точность Я. г.- DW10^-2град/ч. Теоре-тич. точность Я. г.- DW<=10^-4град/ч - ограничивается флуктуациями ядерной намагниченности среды, степенью ориентации ядер и шумами. В нек-рых типах Я. г. (напр., на изотопах⁸³₃₆Kr,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 Я. г.-нечувствительность к перегрузкам, большой срок службы, цифровой вид информации.

Наряду с Я. г. возможны э л е к т р о н н ы е г и р о с к оп ы, в к-рых активной средой служат обычныепарамагнетики(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.

Лит.: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.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия.Главный редактор А. М. Прохоров.1988.

ядерный гироскоп—nuclear gyro...Русско-английский политехнический словарь
ядерный гироскоп—nuclear gyroscope...Русско-английский словарь по физике
ядерный гироскоп—giroscopio a comando nucleare...Русско-итальянский политехнический словарь