本發(fā)明涉及核磁共振陀螺儀領(lǐng)域，特別涉及一種核磁共振陀螺儀工作介質(zhì)的極化和探測(cè)方法。

背景介紹

核磁共振陀螺具有小體積、低功耗、高性能、大動(dòng)態(tài)范圍等特性，可應(yīng)用于戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)武器裝備、微型空間飛行器的制導(dǎo)與控制，已成為新型慣性器件研究的熱點(diǎn)。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]公開了一種核磁共振陀螺儀，其關(guān)鍵器件主要包括泵浦激光器、探測(cè)激光器、原子氣室、加熱系統(tǒng)。核磁共振陀螺儀利用堿金屬氣體和惰性氣體作為工作介質(zhì)，原子氣室中的堿金屬經(jīng)過(guò)加熱系統(tǒng)加熱至堿金屬原子由固態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，并保持在該工作溫度。泵浦激光器發(fā)出使堿金屬原子極化的圓偏振光，當(dāng)激光頻率與堿金屬原子的共振吸收線接近時(shí)，堿金屬原子會(huì)強(qiáng)烈吸收泵浦光，實(shí)現(xiàn)堿金屬原子的自旋極化，再通過(guò)自旋交換將自旋極化傳遞給惰性氣體核子自旋。惰性氣體的作用是達(dá)到核磁共振狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)核子自旋進(jìn)動(dòng)，進(jìn)而敏感載體轉(zhuǎn)動(dòng)角速度。當(dāng)惰性氣體核自旋極化后，所有原子自旋指向同一方向形成宏觀極化磁矩，在恒定靜磁場(chǎng)作用下會(huì)繞著磁場(chǎng)作Larmor進(jìn)動(dòng)，進(jìn)動(dòng)頻率為ω_L＝γB₀，其中γ為惰性氣體的旋磁比，B₀為靜磁場(chǎng)的大小。在恒定靜磁場(chǎng)的橫向方向加相應(yīng)的交變磁場(chǎng)使得宏觀磁矩保持穩(wěn)定的進(jìn)動(dòng)。當(dāng)載體在恒定靜磁場(chǎng)方向有角速度ω_R，惰性氣體核磁矩Larmor進(jìn)動(dòng)的頻率會(huì)發(fā)生變化，變?yōu)棣?sub>L＝γB₀-ω_R。惰性氣體的核自旋極化通過(guò)自旋交換將自旋極化再傳遞給堿金屬原子。探測(cè)激光器發(fā)出的探測(cè)光是偏振光，其頻率與堿金屬原子的共振吸收線接近，且當(dāng)其偏振面在射出原子氣室時(shí)會(huì)偏轉(zhuǎn)一個(gè)角度θ，偏轉(zhuǎn)角度的大小與堿金屬原子感受到的惰性氣體核磁矩在探測(cè)光方向的投影相關(guān)，而進(jìn)動(dòng)的核子磁矩在探測(cè)光投影是一個(gè)正旋函數(shù)，從而有θ∝M_x∝sin(ω_Lt)。探測(cè)射出的探測(cè)光從而得到其偏轉(zhuǎn)角度θ，通過(guò)偏轉(zhuǎn)角度θ計(jì)算得到惰性氣體核磁矩轉(zhuǎn)動(dòng)頻率ω_L1，再根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的變化得到載體的角速度ω_R＝Δω_L＝ω_L0-ω_L1。

現(xiàn)有核磁共振陀螺儀只選用一種堿金屬介質(zhì)實(shí)現(xiàn)極化和探測(cè)兩種作用，這使得泵浦光和探測(cè)光因?yàn)橥环N介質(zhì)而頻率接近，導(dǎo)致二者相互干擾，進(jìn)一步的，無(wú)法兼顧快速極化和保持惰性氣體核磁矩進(jìn)動(dòng)穩(wěn)定。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題是：提供一種核磁共振陀螺儀工作介質(zhì)的極化和探測(cè)方法，避免泵浦光和探測(cè)激光的相互干擾。

本發(fā)明進(jìn)一步解決的技術(shù)問(wèn)題是：兼顧快速極化和保持惰性氣體核磁矩進(jìn)動(dòng)穩(wěn)定。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種核磁共振陀螺儀工作介質(zhì)的極化和探測(cè)方法，包括下列步驟：

將兩種堿金屬加熱至由固態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，并保持該工作溫度，

向堿金屬氣體和惰性氣體發(fā)出泵浦光，該泵浦光的頻率調(diào)到第二堿金屬原子的共振吸收線附近，

在垂直于泵浦光方向加一束線偏振的探測(cè)光，該探測(cè)光的頻率調(diào)至第一堿金屬的共振吸收線附近，探測(cè)光通過(guò)與第一堿金屬氣體的相互作用而偏振面發(fā)生偏轉(zhuǎn)，

探測(cè)射出的探測(cè)光得到其偏轉(zhuǎn)角度θ，

通過(guò)偏轉(zhuǎn)角度θ計(jì)算得到惰性氣體核磁矩轉(zhuǎn)動(dòng)頻率ω_L1，再根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的變化得到載體的角速ω_R＝Δω_L＝ω_L0-ω_L1，其中,ω_L0＝γB₀，γ為惰性氣體的旋磁比，B₀為靜磁場(chǎng)的大小。

作為極化介質(zhì)的第二堿金屬原子的原子量比作為探測(cè)介質(zhì)的第一堿金屬原子的原子量大。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：本發(fā)明保持一般的核磁共振陀螺儀結(jié)構(gòu)不變，巧妙地利用兩種堿金屬分別實(shí)現(xiàn)極化和探測(cè)核自旋轉(zhuǎn)動(dòng)信息，探測(cè)激光與泵浦激光由于與不同的堿金屬作用，因而取不同的工作頻率，(1)避免了探測(cè)激光對(duì)泵浦激光干擾，產(chǎn)生退極化作用。(2)極化工作介質(zhì)和檢測(cè)工作介質(zhì)分開，可進(jìn)行單獨(dú)控制。

還可以通過(guò)選用原子量較大自旋交換快的堿金屬作為極化介質(zhì)可以加快核磁共振陀螺儀的啟動(dòng)時(shí)間，選用原子量較小自旋交換慢的堿金屬作為探測(cè)介質(zhì)使得自旋極化保持的時(shí)間更長(zhǎng)，有利于增加探測(cè)介質(zhì)的穩(wěn)定性。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明裝置示意圖。

圖2為氣室內(nèi)原子自旋交換示意圖。

1為泵浦激光，2為探測(cè)激光，3為惰性氣體，4為第一堿金屬原子，5為第二堿金屬原子。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作具體說(shuō)明。

如圖1所示，一種核磁共振陀螺儀工作介質(zhì)的極化和探測(cè)方法，包括下列步驟：

將兩種堿金屬加熱至由固態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，并保持該工作溫度，

向堿金屬氣體和惰性氣體3發(fā)射泵浦光1，該泵浦光的頻率調(diào)到第二堿金屬原子5的共振吸收線附近，

在垂直于泵浦光方向加一束線偏振的探測(cè)光，該探測(cè)光的頻率調(diào)至第一堿金屬原子4的共振吸收線附近，探測(cè)光2通過(guò)與第一堿金屬氣體的相互作用而偏振面發(fā)生偏轉(zhuǎn)，

探測(cè)射出的探測(cè)光從而得到其偏轉(zhuǎn)角度θ，

通過(guò)偏轉(zhuǎn)角度θ計(jì)算得到惰性氣體核磁矩轉(zhuǎn)動(dòng)頻率ω_L1，再根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的變化得到載體的角速ω_R＝Δω_L＝ω_L0-ω_L1，其中,ω_L0＝γB₀，γ為惰性氣體的旋磁比，B₀為靜磁場(chǎng)的大小。

作為極化介質(zhì)的第二堿金屬原子5的原子量比作為探測(cè)介質(zhì)的第一堿金屬原子4的原子量大。

實(shí)施例1

在原子氣室中充入惰性氣體¹²⁹Xe 3和第一堿金屬⁸⁷Rb 4、第二堿金屬¹³³Cs 5。通過(guò)加熱系統(tǒng)將氣室加熱到工作溫度，一般選取為100℃左右，使兩種堿金屬由固態(tài)原子變?yōu)闅鈶B(tài)原子，并保持該工作溫度。

向原子氣室中堿金屬氣體和惰性氣體發(fā)出一束圓偏振的泵浦光1，泵浦光1的頻率調(diào)至第二堿金屬¹³³Cs 5的共振吸收線處。

在垂直于泵浦光1方向原子氣室中加一束線偏振的探測(cè)光2，探測(cè)光2的頻率調(diào)至第一堿金屬⁸⁷Rb 4的共振吸收線附近。探測(cè)光通過(guò)與第一堿金屬氣體⁸⁷Rb 4的相互作用而偏振面發(fā)生偏轉(zhuǎn)，

探測(cè)射出原子氣室的探測(cè)光從而得到其偏振面的偏轉(zhuǎn)角度θ，

通過(guò)偏轉(zhuǎn)角度θ計(jì)算得到惰性氣體核磁矩轉(zhuǎn)動(dòng)頻率ω_L1，再根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的變化得到載體的角速ω_R＝Δω_L＝ω_L0-ω_L1，其中,ω_L0＝γB₀，γ為惰性氣體的旋磁比，B₀為靜磁場(chǎng)的大小。工作過(guò)程如圖2所示：

氣態(tài)的第二堿金屬原子5吸收泵浦光1，使該第二堿金屬原子5自旋極化。因?yàn)楸闷止?的頻率不在第一堿金屬原子4的共振吸收線附近，因而第一堿金屬原子4不會(huì)被泵浦光極化。自旋極化的第二堿金屬原子5通過(guò)自旋交換將自旋極化傳遞給惰性氣體3，使其核自旋極化，實(shí)現(xiàn)核自旋進(jìn)動(dòng)，敏感載體轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，惰性氣體3的核自旋極化通過(guò)自旋交換將自旋極化傳遞給第一堿金屬原子4，使得第一堿金屬原子4也被自旋極化。探測(cè)光2經(jīng)過(guò)氣室時(shí)，與第一堿金屬原子4相互作用，探測(cè)光2偏振面發(fā)生偏振，探測(cè)射出原子氣室的探測(cè)光從而得到其偏振面的偏轉(zhuǎn)角度，通過(guò)偏轉(zhuǎn)角度計(jì)算得到惰性氣體核磁矩轉(zhuǎn)動(dòng)頻率ω_L1，再根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的變化得到載體的角速度ω_R＝Δω_L＝ω_L0-ω_L1，其中,ω_L0＝γB₀，γ為惰性氣體的旋磁比，B₀為靜磁場(chǎng)的大小。

實(shí)施例2

第一堿金屬是¹³³Cs、第二堿金屬是⁸⁷Rb，步驟與實(shí)施例1相同。

實(shí)施例3

惰性氣體為氪⁸³Ke，第一堿金屬是⁸⁷Rb、第二堿金屬是¹³³Cs，步驟與實(shí)例1相同。

實(shí)施例4

惰性氣體為¹²⁹Xe，第一堿金屬是鉀³⁹K，第二堿金屬是⁸⁷Rb，工作溫度為120℃左右，其它條件、步驟與實(shí)施例1相同。

本發(fā)明未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。