Гироскоп на ядерном магнитном резонансе: предельные характеристики
https://doi.org/10.17285/0869-7035.2018.26.1.055-080
Аннотация
Приведены оценки основных предельных метрологических параметров ЯМГ – гироскопа на ядерном магнитном резонансе на изотопах ксенона. Перечислены принципиальные факторы, ограничивающие чувствительность, такие как атомный проекционный шум и дробовый шум света, и выведены формулы, позволяющие оценить предельную чувствительность ЯМГ и исследовать ее зависимость от параметров чувствительного элемента. Рассмотрены основные причины дрейфов ЯМГ и возможные пути улучшения его метрологических характеристик.
Об авторах
А. К. Вершовский
Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе РАН (С.-Петербург)
Россия
Россия
Вершовский Антон Константинович. Доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник
Ю. А. Литманович
АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор» (С.-Петербург)
Россия
Россия
Литманович Юрий Аронович. Доктор технических наук, ученый секретарь. Действительный член общественного объединения «Академия навигации и управления движением».
А. С. Пазгалёв
Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН (С.-Петербург)
Россия
Россия
Пазгалёв Анатолий Серафимович. Кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник
В. Г. Пешехонов
АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор» (С.-Петербург)
Россия
Россия
Пешехонов Владимир Григорьевич. Академик РАН, генеральный директор.
Президент общественного объединения «Академия навигации и управления движением».
Список литературы
1. Пешехонов В. Г. Навигационные системы // Вестник РАН. 1997. Том 67, № 1. С. 43.
2. Пешехонов В. Г. Современное состояние и перспективы развития гироскопических систем // Гироскопия и навигация. 2011. №1 (72). С. 3–16.
3. Karwacki, F.A., Nuclear magnetic resonance gyro development, J. Inst. Navigation, 1980, vol. 27, no.1, pp.72–78.
4. Goldstein, M.G., et al., Inertial Navigation, Proc. IEEE, 1983, vol. 71, pp. 1156–1176.
5. Härle, P., Wäckerle, G., and Mehring, M., A Nuclear-Spin Based Rotation Sensor Using Optical Polarization and Detection Methods, Appl. Magn. Reson, 1993, vol. 5. pp. 207–220.
6. Kornack, T.W., Ghosh, R.K., and Romalis, M.V., Nuclear spin gyroscope based on an atomic comagnetometer, Phys. Rev. Lett., 2005, vol. 95, p. 230801.
7. Kitching, J., Knappe, S., and Donley, E.A., Atomic Sensors – A Review, IEEE Sensors, 2011, vol. 11, no. 11, pp. 1749–1758.
8. Zhang, C., Yuan, H., Tang, Z., Quan, W., and Fang, J.C., Inertial rotation measurement with atomic spins: From angular momentum conservation to quantum phase theory, Appl. Phys. Reviews, 2016. vol. 3, p. 041305.
9. Мейер Д., Ларсен М. Гироскоп на ядерном магнитном резонансе для инерциальной навигации // Гироскопия и навигация. 2014. №1 (84). С. 3–13.
10. Walker, T.G., Larsen M.S., Spin-Exchange-Pumped NMR Gyros, Adv. At. Mol. Opt. Phys., 2016, vol. 65, pp. 377–405.
11. Grover, B.C., Noble-Gas NMR Detection through Noble-Gas-Rubidium Hyperfine Contact Interaction, Phys. Rev. Lett., 1978, vol. 40, no. 6, pp. 391–392.
12. Schaefer, S.R., Cates, G.D., Chien, T.-R., 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.
13. Liu, Y., Shi, M., and Wang, X., Progress on atomic gyroscope // Сборник докладов XXIV Санкт-Петербургской международной конференции по интегрированным навигационным системам. СПб: ЦНИИ «Электроприбор», 2017. С. 344–352.
14. Wang, S.G., Xu, C., Feng, Н.Н., and Wang, L.J., Progress on Novel Atomic Magnetometer and Gyroscope Based on Self-sustaining of Electron Spins, China Satellite Navigation Conference
15. (CSNS), 2017, Proceedings, vol. II, Lect. Notes in Electrical Engineering 438, pp. 535–541.
16. Happer, W., Jau, Y.-Y., and Walker, T., Optically Pumped Atoms, WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2011, p. 234.
17. Gemmel, C., Heil, W., Karpuk, S., et al., Ultra-sensitive magnetometry based on free precession of nuclear spins, Eur. Phys. J. D., 2010, vol. 57, pp. 303–320.
18. Budker, D., Romalis, M., Optical Magnetometry, Nature Physics, 2007, vol. 3, pp. 227–234.
19. Вентцель Е.С. Теория вероятностей: учеб. для вузов / Е.С.Венцель – 6-е изд. стер. М.: Высш. шк., 1999. 576 с.
20. IEEE Std 1554-2005. IEEE Recommended Practice for Inertial Sensor Test Equipment, Instrumentation, Data Acquisition, and Analysis. Approved 5 October 2005, Reaffirmed 16 April 2012 by American National Standards Institute. IEEE Aerospace and Electronic Systems Society. Chapter 19.7.2 – Velocity and angle random walk per root hour.
21. Cohen-Tannoudji, C., DuPont-Roc, J., Haroche, S., Laloe, F., Detection of the Static Magnetic Field Produced by the Oriented Nuclei of Optically Pumped 3He Gas, Phys. Rev. Lett., 1969, vol. 22, no. 15, pp. 758–760.
22. Armenise, M.N. et al., Advances in Gyroscope Technologies, Springer-Verlag, Berlin, 2010. (Eq.1.8).
23. Александров Е. Б., Вершовский А. К. Современные радиооптические методы квантовой магнитометрии // УФН. 2009. Т.179, №6. С. 605–637.
24. Kanegsberg, E., A Nuclear Magnetic Resonance (NMR) Gyro With Optical Magnetometer Detection, Proc. SPIE, 1978, vol. 157, Laser Inertial Rotation Sensors. pp. 73–80.
25. Вершовский А. К., Пазгалев А. С. Оптимизация фактора качества магнитного Mx-резонанса в условиях оптической накачки // ЖТФ. 2008. Т. 78. № 5. С. 116–124.
26. Pitz, G.A., Wertepny, D.E., and Perram, G.P., Pressure broadening and shift of the cesium D1 transition by the noble gases and N2, H2, HD, D2, CH4, C2H6, CF4, and 3He, Phys. Rev A, 2009, vol. 80, p. 062718.
27. Zeng, X., Wu, Z., Call, T., Miron, E., Schreiber, D., and Happer, W., Experimental determination of the rate constants for spin exchange between optically pumped K, Rb, and Cs atoms and Xe nuclei in alkali-metal–noble-gas van der Waals molecules, Phys. Review A, 1985, vol. 31, no. 1, pp. 260–278.
28. Happer, W., Spin Exchange - past, present, and future, Ann.Phys. Fr., 1985, vol. 10, pp. 645–657.
29. Happer, W., Miron, E., Schaefer, S., Schreiber, D., van Wijngaarden, W. A., and Zeng, X., Polarization of the nuclear spins of noble-gas atoms by spin exchange with optically pumped alkalimetal atoms, Phys. Rev. A, 1984, vol. 29, no. 6, pp. 3092–3110.
30. Cates, G.D., Fitzgerald, R.J., Barton, A.S., Bogorad, P., Gatzke, M., Newbury, N.R., and Saam, B. Rb129Xe spin-exchange rates due to binary and three-body collisions at high Xe pressures, Phys. Rev. A, 1992. vol. 45, no. 5, pp. 4631–4639.
31. Walker, T.G., Happer, W., Spin-exchange optical pumping of noble-gas nuclei, Reviews of Modern Physics, 1997, vol. 69, no. 2, pp. 529–642.
32. Cohen-Tannoudji, C., Dupont-Roc, J., Haroche, S., et Laloë, F., Diverses resonances de croisement de niveaux sur des atomes pompes optiquement en champ nul. I. Theorie, Rev.de Phys. Appl., 1970, vol. 5, pp. 95–101.
33. Bulatowicz, M., Griffith, R., Larsen, M., et al., Laboratory Search for a Long-Range T-Odd,P-Odd Interaction from Axionlike Particles Using Dual-Species Nuclear Magnetic Resonance with Polaized 129Xe and 131Xe Gas, Phys. Rev. Lett., 2013, vol. 111, p. 102001.
34. Salleras, M., Eklund, E.J., Prikhodko, I.P., and Shkel, A.M. Predictive thermal model for indirect temperature measurement inside atomic cell of nuclear magnetic resonance gyroscope, TRANSDUCERS 2009 – International Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems Conference, 2009, Denver. CO, USA. pp. 304–307.
35. Несмеянов А.Н. Давление пара химических элементов. М.: Изд-во АН СССР. 1961. 396 с.
Рецензия
Для цитирования:
Вершовский А.К., Литманович Ю.А., Пазгалёв А.С., Пешехонов В.Г. Гироскоп на ядерном магнитном резонансе: предельные характеристики. Гироскопия и навигация. 2018;26(1):55-80. https://doi.org/10.17285/0869-7035.2018.26.1.055-080
For citation:
Vershovskii A.K., Litmanovich Yu.A., Pazgalev A.S., Peshekhonov V.G. Nuclear Magnetic Resonance Gyro: Threshold Characteristics. Giroskopiya i Navigatsiya. 2018;26(1):55-80. (In Russ.) https://doi.org/10.17285/0869-7035.2018.26.1.055-080
Просмотров:
2
Послать статью по эл. почте 