一种核磁共振陀螺仪工作介质的极化和探测方法[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 CN 106289222 A(43)申请公布日 2017.01.04

(21)申请号 201610609155.4(22)申请日 2016.07.28

(71)申请人 北京航天控制仪器研究所

地址 100854 北京市海淀区北京142信箱

403分箱(72)发明人 石猛　王巍　王学锋　刘院省　

邓意成　李新坤　王妍　周维洋　(74)专利代理机构 中国航天科技专利中心

11009

代理人 陈鹏(51)Int.Cl.

G01C 19/62(2006.01)

权利要求书1页 说明书3页 附图1页

(54)发明名称

一种核磁共振陀螺仪工作介质的极化和探测方法(57)摘要

一种核磁共振陀螺仪工作介质的极化和探测方法，包括下列步骤：将两种碱金属加热至由固态变为气态，并保持该工作温度，向碱金属气体和惰性气体(3)发射泵浦光(1)，该泵浦光的频率调到第二碱金属原子(5)的共振吸收线附近，在垂直于泵浦光方向加一束线偏振的探测光，该探测光的频率调至第一碱金属原子(4)的共振吸收线附近，探测光(2)通过与第一碱金属气体的相互作用而偏振面发生偏转，探测射出的探测光得到其偏转角度θ，通过偏转角度θ计算得到惰性气体核磁矩转动频率ωL1，再根据转动频率的变化得到载体的角速ωR＝ΔωL＝ωL0-ωL1。本发明利用两种碱金属工作介质分别极化和检测，避免泵浦光和探测激光的相互干扰。

CN 106289222 ACN 106289222 A

权　利　要　求　书

1/1页

1.一种核磁共振陀螺仪工作介质的极化和探测方法，其特征在于：包括下列步骤：将两种碱金属加热至由固态变为气态，并保持该工作温度，向碱金属气体和惰性气体(3)发射泵浦光(1)，该泵浦光的频率调到第二碱金属原子(5)的共振吸收线附近，

在垂直于泵浦光方向加一束线偏振的探测光，该探测光的频率调至第一碱金属原子(4)的共振吸收线附近，探测光(2)通过与第一碱金属气体的相互作用而偏振面发生偏转，

探测射出的探测光从而得到其偏转角度θ，通过偏转角度θ计算得到惰性气体核磁矩转动频率ωL1，再根据转动频率的变化得到载体的角速ωR＝ΔωL＝ωL0-ωL1，其中,ωL0＝γB0，γ为惰性气体的旋磁比，B0为静磁场的大小。

2.根据权利要求1所述的核磁共振陀螺仪工作介质的极化和探测方法，其特征在于：作为极化介质的第二碱金属原子(5)的原子量比作为探测介质的第一碱金属原子(4)的原子量大。

2

CN 106289222 A

说　明　书

一种核磁共振陀螺仪工作介质的极化和探测方法

1/3页

技术领域

[0001]本发明涉及核磁共振陀螺仪领域，特别涉及一种核磁共振陀螺仪工作介质的极化和探测方法。[0002]背景介绍

[0003]核磁共振陀螺具有小体积、低功耗、高性能、大动态范围等特性，可应用于战略、战术武器装备、微型空间飞行器的制导与控制，已成为新型惯性器件研究的热点。Preprint submitted to Advances in Atomic,Molecular,and Optical Physics April 15,2016，T.G.Walker,M.S.Larsen.Spin-Exchange Pumped NMR Gyros.arXiv:1604.03982[physics.atom-ph]公开了一种核磁共振陀螺仪，其关键器件主要包括泵浦激光器、探测激光器、原子气室、加热系统。核磁共振陀螺仪利用碱金属气体和惰性气体作为工作介质，原子气室中的碱金属经过加热系统加热至碱金属原子由固态变为气态，并保持在该工作温度。泵浦激光器发出使碱金属原子极化的圆偏振光，当激光频率与碱金属原子的共振吸收线接近时，碱金属原子会强烈吸收泵浦光，实现碱金属原子的自旋极化，再通过自旋交换将自旋极化传递给惰性气体核子自旋。惰性气体的作用是达到核磁共振状态，实现核子自旋进动，进而敏感载体转动角速度。当惰性气体核自旋极化后，所有原子自旋指向同一方向形成宏观极化磁矩，在恒定静磁场作用下会绕着磁场作Larmor进动，进动频率为ωL＝γB0，其中γ为惰性气体的旋磁比，B0为静磁场的大小。在恒定静磁场的横向方向加相应的交变磁场使得宏观磁矩保持稳定的进动。当载体在恒定静磁场方向有角速度ωR，惰性气体核磁矩Larmor进动的频率会发生变化，变为ωL＝γB0-ωR。惰性气体的核自旋极化通过自旋交换将自旋极化再传递给碱金属原子。探测激光器发出的探测光是偏振光，其频率与碱金属原子的共振吸收线接近，且当其偏振面在射出原子气室时会偏转一个角度θ，偏转角度的大小与碱金属原子感受到的惰性气体核磁矩在探测光方向的投影相关，而进动的核子磁矩在探测光投影是一个正旋函数，从而有θ∝Mx∝sin(ωLt)。探测射出的探测光从而得到其偏转角度θ，通过偏转角度θ计算得到惰性气体核磁矩转动频率ωL1，再根据转动频率的变化得到载体的角速度ωR＝ΔωL＝ωL0-ωL1。

[0004]现有核磁共振陀螺仪只选用一种碱金属介质实现极化和探测两种作用，这使得泵浦光和探测光因为同一种介质而频率接近，导致二者相互干扰，进一步的，无法兼顾快速极化和保持惰性气体核磁矩进动稳定。

发明内容

[0005]本发明解决的技术问题是：提供一种核磁共振陀螺仪工作介质的极化和探测方法，避免泵浦光和探测激光的相互干扰。

[0006]本发明进一步解决的技术问题是：兼顾快速极化和保持惰性气体核磁矩进动稳定。

[0007]本发明所采用的技术方案是：一种核磁共振陀螺仪工作介质的极化和探测方法，包括下列步骤：

3

CN 106289222 A[0008]

说　明　书

2/3页

将两种碱金属加热至由固态变为气态，并保持该工作温度，

[0009]向碱金属气体和惰性气体发出泵浦光，该泵浦光的频率调到第二碱金属原子的共振吸收线附近，

[0010]在垂直于泵浦光方向加一束线偏振的探测光，该探测光的频率调至第一碱金属的共振吸收线附近，探测光通过与第一碱金属气体的相互作用而偏振面发生偏转，[0011]探测射出的探测光得到其偏转角度θ，[0012]通过偏转角度θ计算得到惰性气体核磁矩转动频率ωL1，再根据转动频率的变化得到载体的角速ωR＝ΔωL＝ωL0-ωL1，其中,ωL0＝γB0，γ为惰性气体的旋磁比，B0为静磁场的大小。

[0013]作为极化介质的第二碱金属原子的原子量比作为探测介质的第一碱金属原子的原子量大。

[0014]本发明与现有技术相比的优点在于：本发明保持一般的核磁共振陀螺仪结构不变，巧妙地利用两种碱金属分别实现极化和探测核自旋转动信息，探测激光与泵浦激光由于与不同的碱金属作用，因而取不同的工作频率，(1)避免了探测激光对泵浦激光干扰，产生退极化作用。(2)极化工作介质和检测工作介质分开，可进行单独控制。

[0015]还可以通过选用原子量较大自旋交换快的碱金属作为极化介质可以加快核磁共振陀螺仪的启动时间，选用原子量较小自旋交换慢的碱金属作为探测介质使得自旋极化保持的时间更长，有利于增加探测介质的稳定性。附图说明

[0016]图1为本发明装置示意图。

[0017]图2为气室内原子自旋交换示意图。[0018]1为泵浦激光，2为探测激光，3为惰性气体，4为第一碱金属原子，5为第二碱金属原子。

具体实施方式

[0019]下面结合附图对本发明作具体说明。[0020]如图1所示，一种核磁共振陀螺仪工作介质的极化和探测方法，包括下列步骤：[0021]将两种碱金属加热至由固态变为气态，并保持该工作温度，[0022]向碱金属气体和惰性气体3发射泵浦光1，该泵浦光的频率调到第二碱金属原子5的共振吸收线附近，

[0023]在垂直于泵浦光方向加一束线偏振的探测光，该探测光的频率调至第一碱金属原子4的共振吸收线附近，探测光2通过与第一碱金属气体的相互作用而偏振面发生偏转，[0024]探测射出的探测光从而得到其偏转角度θ，[0025]通过偏转角度θ计算得到惰性气体核磁矩转动频率ωL1，再根据转动频率的变化得到载体的角速ωR＝ΔωL＝ωL0-ωL1，其中,ωL0＝γB0，γ为惰性气体的旋磁比，B0为静磁场的大小。

[0026]作为极化介质的第二碱金属原子5的原子量比作为探测介质的第一碱金属原子4的原子量大。

4

CN 106289222 A[0027]

说　明　书

3/3页

实施例1

[0028]在原子气室中充入惰性气体129Xe 3和第一碱金属87Rb 4、第二碱金属133Cs 5。通过加热系统将气室加热到工作温度，一般选取为100℃左右，使两种碱金属由固态原子变为气态原子，并保持该工作温度。

[0029]向原子气室中碱金属气体和惰性气体发出一束圆偏振的泵浦光1，泵浦光1的频率调至第二碱金属133Cs 5的共振吸收线处。

[0030]在垂直于泵浦光1方向原子气室中加一束线偏振的探测光2，探测光2的频率调至第一碱金属87Rb 4的共振吸收线附近。探测光通过与第一碱金属气体87Rb 4的相互作用而偏振面发生偏转，

[0031]探测射出原子气室的探测光从而得到其偏振面的偏转角度θ，[0032]通过偏转角度θ计算得到惰性气体核磁矩转动频率ωL1，再根据转动频率的变化得到载体的角速ωR＝ΔωL＝ωL0-ωL1，其中,ωL0＝γB0，γ为惰性气体的旋磁比，B0为静磁场的大小。工作过程如图2所示：

[0033]气态的第二碱金属原子5吸收泵浦光1，使该第二碱金属原子5自旋极化。因为泵浦光1的频率不在第一碱金属原子4的共振吸收线附近，因而第一碱金属原子4不会被泵浦光极化。自旋极化的第二碱金属原子5通过自旋交换将自旋极化传递给惰性气体3，使其核自旋极化，实现核自旋进动，敏感载体转动角速度，惰性气体3的核自旋极化通过自旋交换将自旋极化传递给第一碱金属原子4，使得第一碱金属原子4也被自旋极化。探测光2经过气室时，与第一碱金属原子4相互作用，探测光2偏振面发生偏振，探测射出原子气室的探测光从而得到其偏振面的偏转角度，通过偏转角度计算得到惰性气体核磁矩转动频率ωL1，再根据转动频率的变化得到载体的角速度ωR＝ΔωL＝ωL0-ωL1，其中,ωL0＝γB0，γ为惰性气体的旋磁比，B0为静磁场的大小。[0034]实施例2

[0035]第一碱金属是133Cs、第二碱金属是87Rb，步骤与实施例1相同。[0036]实施例3

[0037]惰性气体为氪83Ke，第一碱金属是87Rb、第二碱金属是133Cs，步骤与实例1相同。[0038]实施例4

[0039]惰性气体为129Xe，第一碱金属是钾39K，第二碱金属是87Rb，工作温度为120℃左右，其它条件、步骤与实施例1相同。

[0040]本发明未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

5

CN 106289222 A

说　明　书　附　图

1/1页

图1

图2

6