Квантовый гироскоп

прибор, позволяющий обнаруживать вращение тела и определять его угловую скорость, основанный на гироскопических свойствах электронов, атомных ядер или фотонов.

Лазерный (оптический) гироскоп. Датчиком оптического гироскопа служит кольцевой Лазер, генерирующий две бегущие навстречу друг другу световые волны, которые распространяются по общему световому каналу в виде узких монохроматических световых пучков. Резонатор кольцевого лазера (рис. 1) состоит из трёх (или больше) зеркал 1, 2,3,смонтированных на жёстком основании и образующих замкнутую систему. Часть света проходит через полупрозрачное зеркало 3 и попадает на фотодетектор 5. Длина волны, генерируемая кольцевым лазером (в пределах ширины спектральной линии рабочего вещества), определяется условием, согласно которому бегущая волна, обойдя контур резонатора, должна прийти в исходную точку с той же фазой, которую имела вначале. Если прибор неподвижен, то это имеет место, когда в периметре Р контура укладывается целое число n длин волн λ₀, т. е. Р = nλ₀. В этом случае лазер генерирует 2 встречные волны, частоты которых одинаковы и равны:

ν₀ = c/λ₀ = cn/P,

(с — скорость света).

Если же весь прибор вращается с угловой скоростью Ω вокруг направления, составляющего угол ϑ с перпендикуляром к его плоскости (рис. 2), то за время обхода волной контура последний успеет повернуться на некоторый угол. В зависимости от направления распространения волны путь, проходимый ею до совмещения фазы, будет больше или меньше Р (см. Доплера эффект). В результате этого частоты встречных волн становятся неодинаковыми. Можно показать, что эти частоты ν_– и ν₊ не зависят от формы контура и связаны с частотой Ω вращения прибора соотношением:

Здесь S — площадь, охватываемая контуром резонатора. Фотодетектор, чувствительный к интенсивности света, в этом случае зарегистрирует Биенияс разностной частотой:

где F= Ω/2π, а k = Например, для квадратного гелий-неонового К. г. (см. Газовый лазер) со стороной 25 смλ₀ =6․10^–5 см, откуда k= 2,5․10⁶. При этом суточное вращение Земли, происходящее с угловой скоростью Ω = 15 град/ч, на широте ϑ = 60° должно приводить к частоте биений Δν = 15 гц. Если ось К. г. направить на Солнце, то, измеряя частоту биений и считая угловую скорость Ω вращения Земли известной, можно с точностью до долей град определить широту ϑ места, на которой расположен К. г.

Интегрирование угловой скорости вращающегося тела по времени (которое может выполняться автоматически) позволяет определить угол поворота, как функцию времени. Предел чувствительности оптических К. г. теоретически определяется спонтанным излучением (См. Спонтанное излучение) атомов активной среды лазера. Если частоте биений Δν = 1 гц соответствует угол поворота в 1 град/ч, то предел точности К. г. равен 10^–3 град/ч. В существующих оптических К. г. этот предел ещё далеко не достигнут.

Ядерные и электронные гироскопы. В ядерных К. г. используются вещества с ядерным Парамагнетизмом (вода, органические жидкости, газообразный гелий, пары́ ртути). Атомы или молекулы таких веществ в основном (невозбуждённом) состоянии обладают моментами количества движения, обусловленными только Спинами ядер (электронные же спиновые моменты у них скомпенсированы, т. е. все электроны спарены). Со спинами ядер связаны их магнитные моменты. Если ориентировать магнитные моменты ядер, например при помощи внешнего магнитного поля, а затем ориентирующее поле выключить, то в отсутствие др. магнитных полей (например, земного) возникший суммарный магнитный момент Мбудет некоторое время сохранять своё направление в пространстве, независимо от изменения ориентации датчика. Такой статический К. г. позволяет определить изменение положения тела, связанного с датчиком гироскопа.

Т. к. величина момента М будет постепенно убывать благодаря релаксации (См. Релаксация),то для К. г. выбирают вещества с большими временами релаксации, например некоторые органические жидкости, для которых время релаксации τ составляет несколько мин, жидкий ³He (около 1 ч) или раствор жидкого ³He (10—3%) в ⁴He (около года).

В К. г., работающем по методу ядерной индукции, вращение с угловой скоростью Ω датчика К. г., который содержит ядра с ориентированными магнитными моментами, эквивалентно действию на ядра магнитного поля с напряжённостью Н= Ω/γ_я, где γ_я—Гиромагнитное отношение для ядер. Прецессия магнитных моментов ядер вокруг направления поля Н приводит к появлению переменной эдс в катушке L, охватывающей рабочее вещество К. г. (рис. 3). Определение частоты Ω вращения тела, связанного с датчиком К. г., сводится к измерению частоты электрического сигнала, которая пропорциональна Ω (см. Ядерный магнитный резонанс).

В динамическом ядерном гироскопе суммарный ядерный магнитный момент М датчика прецессирует вокруг постоянного магнитного поля Н,жестко связанного с устройством. Вращение датчика вместе с полем Н с угловой скоростью Ω приводит к изменению частоты прецессии магнитного момента М, приблизительно равному проекции вектора Ω на Н. Это изменение регистрируется в виде электрического сигнала. Для получения высокой чувствительности и точности в этих приборах требуется высокая стабильность и однородность магнитного поля Н.Например, для обнаружения изменения частоты прецессии, вызванного суточным вращением Земли, необходимо, чтобы ΔН/Н ≤ 10^–9. Для экранировки прибора от действия внешних магнитных полей применяются сверхпроводники (см. Сверхпроводимость). Например, если поворот датчика обусловлен суточным вращением Земли, то остаточное поле в экране не должно превышать 3․10^–9э.

Электронные К. г. аналогичны ядерным, но в них применяются вещества, атомы или молекулы которых содержат неспаренные электроны (например, устойчивые свободные радикалы, атомы щелочных металлов). Хотя времена релаксации электронных спинов малы, электронные К. г. перспективны, так как гиромагнитное отношение γ_эл для электронов в сотни раз больше, чем для ядер, и, следовательно, выше частота прецессии, что важно для многих применений.

Несмотря на то что К. г., особенно оптические, непрерывно совершенствуются, их точность и чувствительность ещё уступают лучшим образцам механических Гироскопов. Однако К. г. обладают рядом существенных преимуществ перед механическими гироскопами: они не содержат движущихся частей (безынерционны), не требуют арретирования, обладают высокой надёжностью и стабильностью, приводятся в действие в течение короткого промежутка времени, могут выдержать значительные ускорения и работать при низких температурах. Некоторые типы К. г. уже применяются не только как высокочувствительные индикаторы вращения, ориентаторы и гирометры, но и как Гирокомпасы,гиробуссоли и секстанты.

Лит.: Привалов В. Е., Фридрихов С. А., Кольцевой газовый лазер, «Успехи физических наук», 1969, т. 97, в. 3, с. 377; Померанцев Н. М., Скроцкий Г. В., Физические основы квантовой гироскопии, там же, 1970, т. 100, в. 3, с. 361.

Г. В. Скроцкий.

Рис. 1. Схема лазерного гироскопа: 1, 2, 4 — непрозрачные зеркала; 3 — полупрозрачное зеркало; 5 — фотодетектор.

Рис. 2 к ст. Квантовый гироскоп.

Рис. 3. Схематическое изображение ядерного позиционного гироскопа: М — суммарный магнитный момент вещества; СПЭ — сверхпроводящий магнитный экран; L₁, L₂ — катушки индуктивности.

КВАНТОВЫЙ ГИРОСКОП

прибор для обнаружения вращения тела и определения его угл. скорости, основанный на свойствах эл-нов, ат. ядер и фотонов, поведение к-рых описывается законами квант. механики. Существует неск. типов К. г.

Лазерный (оптический) гироскоп. Датчиком служит кольцевой лазер, генерирующий две бегущие навстречу друг другу световые волны, к-рые распространяются по общему световому каналу в виде узких монохроматических световых пучков. Открытый резонатор лазера (рис. 1) состоит из трёх (или больше) зеркал, смонтированных на жёстком основании и образующих замкнутую систему. Часть света проходит через полупрозрачное зеркало и попадает на фотодетектор.

Рис. 1. Схема лазерного гироскопа: 1,2,4 — непрозрачные зеркала; 3 — полупрозрачное зеркало; 5 — фотодетектор.

Длина волны l, генерируемая лазером, определяется условием, согласно к-рому бегущая волна, обойдя контур резонатора, должна прийти в исходную точку с той же фазой. Если прибор неподвижен, это условие будет выполнено, когда периметр контура P=nl (n — целое число). В этом случае лазер генерирует две встречные волны, частоты к-рых одинаковы и равны:

n0=nc/P.

Если же весь прибор вращается с угл. скоростью W вокруг направления, составляющего угол q с перпендикуляром к его плоскости, то за время обхода волной контура последний успеет повернуться на нек-рый угол (рис. 2). В зависимости от направления распространения волны, путь, проходимый ею до совмещения фазы, будет больше или меньше Р (см. ДОПЛЕРА ЭФФЕКТ).

Рис. 2. Схематич. изображение лазерного гироскопа.

В результате этого частоты встречных волн становятся неодинаковыми. Эти частоты n1 и n2 не зависят от формы контура и связаны соотношением:

Здесь S — площадь, охватываемая контуром резонатора. Фотодетектор зарегистрирует биения с разностной частотой:

Dn=n+-n-=kFcosq, (2)

где F=W/2p, a k=8pS/l0P. Напр., для квадратного гелий-неонового К. г. (см. ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР) со стороной 25 см l=6
• 10-5 см, откуда k=2,5
• 106. При этом суточное вращение Земли, происходящее с угл. скоростью W=15 град/ч, на широте q=60° должно приводить к частоте биений Dn=15 Гц. Если ось К. г. направить на Солнце, то, измеряя частоту биений и считая угл. скорость W известной, можно с точностью до долей градуса определить широту места, на к-рой расположен К. г.

Предел чувствительности оптич. К. г. обусловлен спонтанным излучением атомов активной среды лазера. Если частоте биений Dn=1 Гц соответствует угол поворота 1 град/ч, то предел точности К. г. равен 10-3 град/ч. В существующих оптич. К. г. этот предел не достигнут.

Ядерные гироскопы. В ядерных К. г. используются в-ва с ядерным парамагнетизмом (вода, органич. жидкости, газообразный гелий, пары ртути). Атомы или молекулы таких в-в в осн. состоянии обладают магн. моментами, обусловленными спинами ядер. Если ориентировать магн. моменты ядер (см. ОРИЕНТИРОВАННЫЕ ЯДРА), напр. при помощи поля Н, а затем поле выключить, то при отсутствии др. магн. полей (напр., земного) возникший суммарный магн. момент М ядра будет нек-рое время сохранять своё направление в пр-ве, независимо от изменения ориентации датчика. Такой статич. К. г. позволяет определить изменение положения тела, жёстко связанного с датчиком. Т. к. величина момента М будет постепенно убывать благодаря релаксации, то для К. г. выбирают в-ва с большими временами релаксации, напр. нек-рые органич. жидкости, для к-рых время релаксации составляет неск. мин, жидкий 3Не (ок. 1 ч) или р-р жидкого 3Не (10—3%) в 4Не (ок. 1 года).

Рис. 3. Схематич. изображение яд. гироскопа: М — датчик: СПЭ — сверхпроводящий магн. экран.

В К. г., работающем по методу яд. индукции, вращение с угл. скоростью W датчика, содержащего ориентиров. ядра, эквивалентно действию на ядра магн. поля с напряжённостью Н=W/gя> где gя—гиромагнитное отношение для ядер. Прецессия магн. моментов ядер вокруг поля Н приводит к появлению перем. эдс в катушке, охватывающей в-во К. г. (рис. 3). Измерение частоты вращения тела, связанного с датчиком К. г., сводится к измерению частоты электрич. сигнала, к-рая пропорц. W (см. ЯДЕРНЫЙ МАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС), В динамич. яд. гироскопе суммарный яд. магн. момент М датчика прецессирует вокруг пост. магн. поля H, связанного с устройством. Вращение датчика вместе с полем Н0 с угл. скоростью W приводит к изменению частоты прецессии М, приблизительно равному проекции вектора W на Н. Это изменение регистрируется в виде электрич. сигнала. Для получения высокой чувствительности и точности в этих приборах требуется высокая стабильность и однородность поля Н. Напр., для обнаружения изменения частоты прецессии, вызванного суточным вращением Земли, необходимо, чтобы DH/H?10-9. Для экранировки прибора от действия внеш. магн. полей применяются сверхпроводники. Напр., если поворот датчика обусловлен суточным вращением Земли, то остаточное поле в экране не должно превышать 3
• 10-9Э.

Электронные К. г. аналогичны ядерным, в них используются парамагнетики (напр., устойчивые свободные радикалы, атомы щелочных металлов). Хотя времена релаксации электронных спинов малы, электронные К. г. перспективны, т. к. гиромагнитное отношение для эл-нов gэл в сотни раз больше gя, и, следовательно, частота прецессии выше. По точности и чувствительности К. г. пока уступают лучшим образцам механич. гироскопов. Однако К. г. обладают рядом преимуществ: безынерционностью, стабильностью, возможностью работать при низких темп-рах.