gyroscopyГироскопия и навигацияGiroskopiya i Navigatsiya0869-70352075-0927AO «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор»10.17285/0869-7035.0089gyroscopy-67Research ArticleСтатьиМетод подавления изотопического сдвига в балансном квантовом датчике вращения на эффекте ядерного магнитного резонансаThe Isotope Shift Suppression in NMR-based Balanced Quantum Rotation SensorПетровВ. И.PetrovV. I.

Петров Владимир Игоревич. Научный сотрудник

С.-Петербург

St. Petersburg

https://orcid.org/0000-0002-9740-1104ВершовскийА. К.VershovskiiA. K.

Вершовский Антон Константинович. Доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник

С.-Петербург

St. Petersburg

АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор»РоссияConcern CSRI ElektropriborRussian FederationФТИ им. А.Ф. ИоффеРоссияIoffe InstituteRussian Federation2022190520253023442Copyright © Петров В.И., Вершовский А.К., 20252025Петров В.И., Вершовский А.К.Petrov V.I., Vershovskii A.K.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.gyroscopy.ru/jour/article/view/67

Создание компактного балансного квантового датчика вращения (гироскопа) на эффекте ядерного магнитного резонанса в ксеноне представляет собой одну из наиболее насущных и перспективных задач современной метрологии. Предельная точность такого датчика преимущественно ограничена эффектом изотопического сдвига, который, в свою очередь, обусловлен разницей времен релаксации двух изотопов ксенона в условиях пространственно неоднородной спин-обменной накачки ядерных магнитных моментов. В работе предложен метод подавления изотопического сдвига и его частных производных посредством создания внешнего магнитного поля, характеризующегося нелинейным пространственным градиентом. Представленные результаты численного моделирования на основе экспериментальных данных позволяют утверждать, что предложенный метод применим к газовым ячейкам малого размера, в которых пространственная нелинейность параметров накачки особенно велика.

Designing a compact balanced quantum rotation sensor (gyroscope) based on nuclear magnetic resonance in xenon is one of the most urgent and promising tasks in modern metrology. The ultimate accuracy of the sensor is mostly constrained by the isotope shift conditioned by the difference in relaxation rates of two xenon isotopes under spatially nonuniform spin-exchange pumping of nuclear magnetic moments. The proposed method for suppressing the isotope shift and its partial derivatives is based on creating the external magnetic field with nonlinear spatial gradient. The simulation results based on experimental data demonstrate that the method can be applied to small gas cells with higher spatial nonlinearity of pumping parameters.

ядерный магнитный резонанспрецессия ядерного моментаизотопический сдвигстабильность сдвига нуляnuclear magnetic resonanceprecession of nuclear momentisotope shiftbias instabilityReferencesBloch, F., Hansen, W.W., Packard, M., Nuclear Induction, Phys. Rev., 1946, 69, pp. 127–128.Bloch, F., Hansen, W.W., Packard, M., Nuclear Induction, Phys. Rev., 1946, 69, pp. 127–128.Purcell, E.M., Torrey, H.C., Pound, R. V., Resonance Absorption by Nuclear Magnetic Moments in a Solid, Phys. Rev., 1946, 69, pp. 37–38.Purcell, E.M., Torrey, H.C., Pound, R. V., Resonance Absorption by Nuclear Magnetic Moments in a Solid, Phys. Rev., 1946, 69, pp. 37–38.Kanegsberg, E., A Nuclear Magnetic Resonance (NMR) Gyro with optical magnetometer detection, SPIE, 1978, vol. 157, no. Laser Inertial Rotation Sensors, pp. 73–80.Kanegsberg, E., A Nuclear Magnetic Resonance (NMR) Gyro with optical magnetometer detection, SPIE, 1978, vol. 157, no. Laser Inertial Rotation Sensors, pp. 73–80.Вершовский А.К., Литманович Ю.А., Пазгалёв А.С., Пешехонов В.Г. Гироскоп на ядерном магнитном резонансе: предельные характеристики // Гироскопия и навигация. 2018. Т.26. №1 (100). С. 55–80. DOI 10.17285/0869-7035.2018.26.1.055-080.Вершовский А.К., Литманович Ю.А., Пазгалёв А.С., Пешехонов В.Г. Гироскоп на ядерном магнитном резонансе: предельные характеристики // Гироскопия и навигация. 2018. Т.26. №1 (100). С. 55–80. DOI 10.17285/0869-7035.2018.26.1.055-080.Bell, W.E., Bloom, A.L., Optical Detection of Magnetic Resonance in Alcaly Metal Vapor, Phys. Rev., 1957, vol. 107, no. 6, pp. 1559–1565.Bell, W.E., Bloom, A.L., Optical Detection of Magnetic Resonance in Alcaly Metal Vapor, Phys. Rev., 1957, vol. 107, no. 6, pp. 1559–1565.Pat. 4157495 United States, Int. Cl. G01C 19/58 (20060101); G01C 19/62 (20060101); G01R 33/24 (20060101); G01R 33/24 (20060101); G01R 033/08. Nuclear magnetic resonance gyro / Grover; Bruce C. (Thousand Oaks, CA), Kanegsberg; Edward (Pacific Palisades, CA), Mark; John G. (Pasadena, CA), Meyer; Roger L. (Canoga Park, CA); Assignee Litton Systems, Inc. (Woodland Hills, CA). Appl. No.: 05/842,368; Filed: October 14, 1977; Pub. June 5, 1979.Pat. 4157495 United States, Int. Cl. G01C 19/58 (20060101); G01C 19/62 (20060101); G01R 33/24 (20060101); G01R 33/24 (20060101); G01R 033/08. Nuclear magnetic resonance gyro / Grover; Bruce C. (Thousand Oaks, CA), Kanegsberg; Edward (Pacific Palisades, CA), Mark; John G. (Pasadena, CA), Meyer; Roger L. (Canoga Park, CA); Assignee Litton Systems, Inc. (Woodland Hills, CA). Appl. No.: 05/842,368; Filed: October 14, 1977; Pub. June 5, 1979.Herman, R. M., Theory of Spin Exchange between Optically Pumped Rubidium and Foreign Gas Nuclei, Phys. Rev., 1965, vol. 137, no. 4A, pp. A1062–A1065.Herman, R. M., Theory of Spin Exchange between Optically Pumped Rubidium and Foreign Gas Nuclei, Phys. Rev., 1965, vol. 137, no. 4A, pp. A1062–A1065.Grover, B.C., Noble-Gas NMR Detection through Noble-Gas-Rubidium Hyperfine Contact Interaction, PRL, 1978, vol.40, no.6, pp. 391–392.Grover, B.C., Noble-Gas NMR Detection through Noble-Gas-Rubidium Hyperfine Contact Interaction, PRL, 1978, vol.40, no.6, pp. 391–392.Баранцев К.А., Попов Е.Н., Литвинов А.Н. Теоретическое моделирование сигнала в схеме гироскопа на атомном спине с оптическим детектированием // Квантовая электроника. 2019. Т. 49. №2. С. 169.Баранцев К.А., Попов Е.Н., Литвинов А.Н. Теоретическое моделирование сигнала в схеме гироскопа на атомном спине с оптическим детектированием // Квантовая электроника. 2019. Т. 49. №2. С. 169.Попов Е.Н., Баранцев К.А., Ушаков Н.А., Литвинов А.Н., Лиокумович Л.Б., Шевченко А.Н., Скляров Ф.В., Медведев А.В. Характер сигнала оптической схемы квантового датчика вращения на основе ядерного магнитного резонанса // Гироскопия и навигация. 2018. Т. 26. №1 (100). С. 93–106. DOI 10.17285/0869-7035.2018.26.1.093-106.Попов Е.Н., Баранцев К.А., Ушаков Н.А., Литвинов А.Н., Лиокумович Л.Б., Шевченко А.Н., Скляров Ф.В., Медведев А.В. Характер сигнала оптической схемы квантового датчика вращения на основе ядерного магнитного резонанса // Гироскопия и навигация. 2018. Т. 26. №1 (100). С. 93–106. DOI 10.17285/0869-7035.2018.26.1.093-106.Shaefer, S.R., Cates, G.D., Chien Ting-Ray, Gonatas, D., Happer, W., and Walker, T.G., Frequency shifts of the magnetic-resonance spectrum of mixtures of nuclear spin-polarized noble gases and vapors of spin-polarized alkali-metal atoms, Phys. Rev. A, 1989, vol. 39, no. 11, pp. 5613–5623.Shaefer, S.R., Cates, G.D., Chien Ting-Ray, Gonatas, D., Happer, W., and Walker, T.G., Frequency shifts of the magnetic-resonance spectrum of mixtures of nuclear spin-polarized noble gases and vapors of spin-polarized alkali-metal atoms, Phys. Rev. A, 1989, vol. 39, no. 11, pp. 5613–5623.Sheng, D., Kabcenell, A., and Romalis, M.V., New Classes of Systematic Effects in Gas Spin Comagnetometers, PRL, 2014, vol. 113, pp. 163002.Sheng, D., Kabcenell, A., and Romalis, M.V., New Classes of Systematic Effects in Gas Spin Comagnetometers, PRL, 2014, vol. 113, pp. 163002.Bulatowicz, M., Griffith, R., Larsen, M., Mirijanian, J., Fu, C. B., Smith, E., Snow, W.M., Yan, H., and Walker, T.G., Laboratory Search for a Long-Range T-Odd, P-Odd Interaction from Axionlike Particles Using Dual-Species Nuclear Magnetic Resonance with Polarized 129Xe and 131Xe Gas, PRL, 2013, vol. 111, pp.102001.Bulatowicz, M., Griffith, R., Larsen, M., Mirijanian, J., Fu, C. B., Smith, E., Snow, W.M., Yan, H., and Walker, T.G., Laboratory Search for a Long-Range T-Odd, P-Odd Interaction from Axionlike Particles Using Dual-Species Nuclear Magnetic Resonance with Polarized 129Xe and 131Xe Gas, PRL, 2013, vol. 111, pp.102001.Walker, T., Larsen, M., Chapter eight – Spin-exchange-pumped NMR gyros, Adv. At. Mol. Opt. Phys., 2016, vol. 65, pp. 373–401.Walker, T., Larsen, M., Chapter eight – Spin-exchange-pumped NMR gyros, Adv. At. Mol. Opt. Phys., 2016, vol. 65, pp. 373–401.Вершовский А.К., Пазгалёв А.С., Петров В.И. Природа эффекта рассогласования частот прецессии ядер 129Xe и 131Xe при спин-обменной накачке атомами щелочного металла // Журнал технической физики. 2018. Т. 44. №7. С. 88.Вершовский А.К., Пазгалёв А.С., Петров В.И. Природа эффекта рассогласования частот прецессии ядер 129Xe и 131Xe при спин-обменной накачке атомами щелочного металла // Журнал технической физики. 2018. Т. 44. №7. С. 88.Petrov, V.I., Pazgalev, A.S., Vershovskii, A.K., Isotope Shift of Nuclear Magnetic Resonances in 129Xe and 131Xe Caused by Spin-Exchange Pumping by Alkali Metal Atoms, IEEE Sensors Journal, 2020, vol. 20, no. 2, pp. 760–766.Petrov, V.I., Pazgalev, A.S., Vershovskii, A.K., Isotope Shift of Nuclear Magnetic Resonances in 129Xe and 131Xe Caused by Spin-Exchange Pumping by Alkali Metal Atoms, IEEE Sensors Journal, 2020, vol. 20, no. 2, pp. 760–766.Вершовский А.К., Петров В.И. Моделирование размерных зависимостей изотопического сдвига ЯМР в ксеноне // Гироскопия и навигация. 2020. Т.28. №2 (109). С. 11–24. DOI 10.17285/0869-7035.0030.Вершовский А.К., Петров В.И. Моделирование размерных зависимостей изотопического сдвига ЯМР в ксеноне // Гироскопия и навигация. 2020. Т.28. №2 (109). С. 11–24. DOI 10.17285/0869-7035.0030.Happer, W. et al., Polarization of the nuclear spins of noble-gas atoms by spin exchange with optically pumped alkali-metal atoms, Phys. Rev. A, 1984, vol. 29, no. 6, pp. 3092–3110.Happer, W. et al., Polarization of the nuclear spins of noble-gas atoms by spin exchange with optically pumped alkali-metal atoms, Phys. Rev. A, 1984, vol. 29, no. 6, pp. 3092–3110.Zeng, X. et al., Experimental determination of the rate constants for spin exchange between optically pumped K, Rb, and Cs atoms and 129Xe nuclei in alkali-metal – noble-gas van der Waals molecules, Phys. Rev. A, 1985, vol. 31, no. 1, pp. 260–278.Zeng, X. et al., Experimental determination of the rate constants for spin exchange between optically pumped K, Rb, and Cs atoms and 129Xe nuclei in alkali-metal – noble-gas van der Waals molecules, Phys. Rev. A, 1985, vol. 31, no. 1, pp. 260–278.Hsu, J., Wu, Z., Happer, W., Cs induced 129Xe nuclear spin relaxation in N2 and He buffer gases, Physics Letters A, 1985, vol. 112, no. 3., pp. 141–145.Hsu, J., Wu, Z., Happer, W., Cs induced 129Xe nuclear spin relaxation in N2 and He buffer gases, Physics Letters A, 1985, vol. 112, no. 3., pp. 141–145.Wu, Z. et al., Coherent interactions of the polarized nuclear spins of gaseous atoms with the container walls, Phys. Rev. A, 1988, vol. 37, no. 4, pp. 1161–1175.Wu, Z. et al., Coherent interactions of the polarized nuclear spins of gaseous atoms with the container walls, Phys. Rev. A, 1988, vol. 37, no. 4, pp. 1161–1175.Wu, Z. et al., Experimental studies of wall interactions of adsorbed spin-polarized 131Xe nuclei, Phys. Rev. A, 1990, vol. 42, no. 5, pp. 2774–2784.Wu, Z. et al., Experimental studies of wall interactions of adsorbed spin-polarized 131Xe nuclei, Phys. Rev. A, 1990, vol. 42, no. 5, pp. 2774–2784.Вершовский А.К., Пазгалёв А.С. Оптимизация фактора качества магнитного Mx-резонанса в условиях оптической накачки // Журнал технической физики. 2008. №5. C. 116–124.Вершовский А.К., Пазгалёв А.С. Оптимизация фактора качества магнитного Mx-резонанса в условиях оптической накачки // Журнал технической физики. 2008. №5. C. 116–124.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.