"Dispositif de détection de résonance magnétique nucléaire" La présente invention concerne la génération et la détection d'une résonance magnétique nucléaire. Plus particulièrement, la présente invention concerne l'application de la résonance magnétique nucléaire à un gyroscope.
Dans la technique antérieure, il a été proposé à plusieurs reprises de mettre en oeuvre le principe fondamental d'un gyroscope à résonance magnétique nucléaire. En général, ces propositions utilisent un oscillateur commandé par résonance magnétique nucléaire et tirent une information de rotation des phases des signaux de précession de Larmor d'un moment nucléaire par un circuit convenable de comparaison de phase et de commande du champ magnétique.
En général, ces dispositifs présentent des inconvénients importants qui entravent la mise au point d'un instrument utile. Par exemple, ces dispositifs ont été limités par les durées de relaxation relativement courtes des gaz qui ont été utilisées. Egalement, le puissant couplage direct entre ces gaz et la lumière qui est utilisée comme moyen d'alignement ou de détection du moment magnétique, peut limiter à la fois les durées de relaxation et le rapport signal/bruit et, par conséquent, peut aussi limiter l'utilité potentielle de ces instruments.
Le présent mémoire décrit un gyroscope à résonance
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fonctionne en se basant sur le principe de la mesure d'une vitesse angulaire inertielle ou d'un déplacement angulaire autour d'un axe sensible de l'appareil, sous la forme, respectivement, d'une variation de la fréquence ou de la phase d'une précession de Larmor de un ou plusieurs isotopes qui possèdent des moments magnétiques nucléaires. Ce gyroscope est constitué par un capteur de rotation angulaire et un appareillage électronique associé. Les principaux éléments de ce capteur sont une source de lumière, une cellule à résonance magnétique nucléaire, un détecteur photosensible, une série d'écrans magnétiques et une série d'enroulements engendrant des champs magnétiques.
Les principaux éléments de l'appareillage électro-nique sont des circuits de traitement des signaux pour extraire les informations concernant la fréquence et la phase de la précession de Larmor, ainsi que des circuits pour produire et commander divers champs magnétiques, aussi bien stationnaires
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cessaires à un bon fonctionnement de l'appareil.
La cellule à résonance magnétique nucléaire est montée à l'intérieur d'un groupe d'écrans magnétiques pour affaiblir les champs magnétiques extérieurs jusqu'à de bas niveaux acceptables. Des bobines produisant des champs sont utilisées pour appliquer des champs magnétiques très uniformes à la cellule à résonance magnétique nucléaire. Un champ stationnaire et un champ magnétique alternatif à fréquence porteuse sont appliqués suivant l'axe sensible de l'appareil et des champs magnétiques alternatifs de réinjection sont appliqués suivant un des axes orthogonaux ou transversaux. Les champs magnétiques stationnaires appliqués le long de ces deux axes transversaux sont réglés de façon à être pratiquement nuls.
La cellule à résonance magnétique nucléaire contient une vapeur de métal alcalin, tel que du rubidium, associé à deux isotopes de un ou plusieurs gaz rares tels que le krypton 83 et le xénon 129. La cellule peut aussi contenir un gaz tampon tel que l'hélium.
La cellule à résonance magnétique nucléaire peut être éclairée par un faisceau de lumière polarisée circulairement émis par une source telle qu'une lampe au rubidium et qui traverse la cellule sous un angle déterminé par rapport au champ magnétique constant. L'absorption d'une fraction de cette lumière provoque un alignement partiel des moments magnétiques atomiques des atomes de rubidium dans la direction du champ magnétique stationnaire. Cet alignement est transmis en partie aux moments magnétiques nucléaires des gaz. rares 3t ces moments sont amenés à précessionner autour de la direction du champ magnétiques stationnaire, ce qui à son tour crée des champs magnétiques qui tournent à des vitesses correspondant aux fréquences respectives de précession de Larmor des deux gaz rares.
Ces champs tournants modulent les mouvements de pré-cession des moments magnétiques du rubidium, qui produisent à leur tour des modulations correspondantes de la lumière transmise, donnant ainsi la possibilité de mesurer optiquement les fréquences de précession de Larmor des deux gaz rares.
Les modulations de l'intensité de la lumière sont converties en signaux électriques par un détecteur photosensible et ces signaux sont ensuite démodulés et filtrés électroniquement pour produire des signaux aux fréquences de précession de Larmor des deux gaz rares. La différence entre les deux fréquences de précession est utilisée pour régler avec précision le champ magnétique stationnaire de façon qu'il soit constant. Une des fréquences de précession de gaz rare est comparée à une fréquence de référence définie avec précision et la différence des pulsations w(w=2nf) correspondant à l'écart f entre ces deux fréquences est la vitesse angulaire de rotation du gyroscope.
Les deux signaux de précession de gaz rare détectés sont aussi utilisés pour produire deux champs magnétiques alternatifs de réinjection aux fréquences de précession de Larmor des gaz rares et ceux-ci sont responsables de l'entretien de la précession des moments magnétiques nucléaires des gaz rares. L'utilisation d'un champ magnétique alternatif à fréquence porteuse facilite la détection optique des moments de précession des gaz rares et fournit également des moyens de commande des champs magnétiques à courant continu suivant les deux axes transversaux du gyroscope.
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éléments pour l'alignement simultané des moments magnétiques nucléaires d'au moins deux gaz avec un moment magnétique nucléaire, constituant ainsi un dispositif d'alignement des moments magnétiques nucléaires; des éléments pour réaliser une précession entretenue de ces moments, constituant ainsi un oscillateur à résonance magnétique nucléaire capable d'exécuter des oscillations entretenues ; des éléments pour la détection optique desdits-moments nucléaires qui précessionnent, constituant ainsi un dispositif de détection d'une résonance magné-tique nucléaire ; des éléments pour réguler avec précision
le champ magnétique intérieur de l'appareil et des éléments pour la mesure précise de la fréquence ou de la phase des signaux détectés de précession du moment nucléaire d'au moins un des gaz à moment nucléaire pour réaliser une mesure de la vitesse de rotation angulaire ou du déplacement angulaire, respectivement, de l'appareil par rapport à l'espace inertiel, constituant ainsi un gyroscope à résonance magnétique nucléaire.
Plus particulièrement, un champ magnétique stationnaire est appliqué à une cellule à résonance magnétique nucléaire qui est à peu près complètement protégée vis-à-vis des autres champs magnétiques stationnaires. La cellule à résonance magnétique nucléaire contient une substance on phase gazeuse qui possède un moment magnétique qui peut être aligné par pompage optique, en même temps qu'un ou plusieurs gaz additionnels dont chacun possède un moment magnétique nucléaire. La cellule à résonance magnétique nucléaire est éclairée par une lumière de pompage optique qui a une composante de direction parallèle à la direction du champ magnétique stationnaire et qui a une longueur d'onde appropriée pour être absorbée par la substance optiquement pompable, et aligner partiellement les moments magnétiques de cette substance.
Les moments magnétiques des gaz à moment nucléaire sont amenés à s'aligner et
à précessionner à leurs fréquences de précession de Larmor respectives autour de la direction du champ magnétique stationnaire. Un champ magnétique alternatif à une fréquence porteuse appropriée est aussi appliqué à la cellule à résonance magnétique nucléaire et cette cellule est éclairée par la lumière soumise à la détection qui a une composante de direction orthogonale à la direction du champ magnétique alternatif à fréquence porteuse et qui a une longueur d'onde à peu près égale à celle du rayonnement de pompage optique. L'intensité de la partie du rayonnement de détection qui est transmise par la cellule est modulée en conformité avec la totalité des champs magnétiques présents dans la cellule, y compris les champs magnétiques qui sont produits par la pré-cession de moments magnétiques nucléaires.
Ces modulations de l'intensité du rayonnement transmis sont détectées par un détecteur photosensible, et ensuite démodulées électroniquement pour obtenir des signaux aux fréquences de précession de Larmor des gaz à moment nucléaire.
Dans un mode d'exécution, l'alignement des moments nucléaires magnétiques de chaque gaz à moment nucléaire est réalisé par des interactions résultant de collisions entre les atomes de la substance servant au pompage optique et les atomes du gaz ou des gaz à moment nucléaire. La précession entretenue des moments magnétiques nucléaires de chaque gaz
à moment nucléaire est réalisée par l'application d'un champ magnétique alternatif de réinjection à la fréquence de précession de Larmor du gaz à moment nucléaire, dans une direction qui est orthogonale à celle du champ magnétique stationnaire. Le champ magnétique alternatif à fréquence porteuse est appliqué avec une fréquence à peu près égale à la fréquence de précession de Larmor de la substance utilisée pour le pompage optique et dans une direction qui est à peu près parallèle à celle du champ magnétique stationnaire, ce qui permet de faire fonctionner l'appareil à des valeurs plus élevées de l'intensité du champ magnétique stationnaire et avec des valeurs augmentées en conséquence des fréquences de précession de Larmor pour les gaz à moment nucléaire.
Dans la forme de réalisation préférée une substance utilisable pour le pompage optique telle qu'une vapeur de métal alcalin est placée dans une cellule à résonance magnétique nucléaire en même temps que deux gaz rares et les moments nucléaires magnétiques de ces deux gaz sont alignés en même temps par des interactions dues à des collisions entre les atomes du métal alcalin et les atomes des deux gaz rares. Dans cette forme de réalisation préférée de l'invention, le métal alcalin est du rubidium et les gaz rares sont du krypton-83 et du xénon-129.
Une autre caractéristique de l'invention fait intervenir l'utilisation d'un gaz tampon en quantités importantes dans la cellule à résonance magnétique nucléaire.
Selon une troisième caractéristique de l'invention, l'intensité du champ magnétique stationnaire est maintenue constante par une commande par réinjection de ce.champ de telle manière que la différence entre les fréquences de précession de Larmor des deux gaz rares dans la cellule à résonance magnétique nucléaire est maintenue égale à une valeur constante prédéterminée.
Selon une quatrième caractéristique de l'invention, une des fréquences de précession de Larmor est comparée à une fréquence de référence déterminée avec précision et la différence entre ces fréquences est utilisée pour servir de mesure du déplacement angulaire ou de la vitesse angulaire de l'appareil par rapport à la direction du champ magnétique stationnaire.
L'invention concerne un gyroscope à résonance magnétique nucléaire en utilisant des gaz à moment nucléaire ayant de longues durées de relaxation, et présentant les caractéristiques ci-après : il comporte un dispositif d'alignement des moments magnétiques nucléaires et de production d'une résonance magnétique nucléaire dans ces gaz ; il comporte un dispositif de mesure des fréquences de précession de Larmor de ces gaz ainsi qu'un dispositif de mesure et de réglage du champ magnétique intérieur faisant partie de l'environnement du gyroscope.
Un gyroscope à résonance magnétique nucléaire repose sur le principe suivant : on mesure une vitesse angulaire de rotation sous la forme d'un changement dans la fréquence de précession de Larmor d'une ou plusieurs espèces chimiques qui possèdent des moments magnétiques nucléaires.
De nombreux isotopes (en général ceux ayant un nombre de masse atomique impair) ont un moment cinétique propre (spin) associé au noyau. Un moment magnétique parallèle
à ce spin nucléaire est toujours associé à ce dernier. Le rapport entre le moment magnétique nucléaire et le spin nucléaire est une constante }{ , dénommée "rapport gyromagnétique" qui a une valeur particulière pour chaque type d'isotope.
Si un atome avec un moment magnétique nucléaire est placé dans un champ magnétique, avec une orientation autre que le parallélisme avec la direction de ce champ, ce moment .magnétique précessionnera' par rapport à la direction de ce champ avec une pulsation, ou fréquence angulaire eu égale à 2TTo, o étant la fréquence de précession de Larmor. On a :
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romagnétique et H l'intensité du champ magnétique. Par conséquent chaque isotope a une fréquence de précession de Larmor caractéristique dans un champ magnétique.
Si un ensemble contenant des atomes qui ont collectivement un moment magnétique de précession tourne lui-même avec une vitesse angulaire LUI' autour de la direction de H, la vitesse angulaire de précession observée subira un changement
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angulaire il) de précession de Larmor observée devient :
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Par conséquent, une mesure de la vitesse angulaire
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férente, sont mesurées dans le même champ magnétique, on peut alors mesurer la vitesse de rotation sans connaître directement la valeur du champ magnétique. Les équations pour les deux isotopes sont :
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tions de Larmor observées pour les deux isotopes gyromagné-
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H ou en w , on obtient les expressions ci-après :
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qui est indépendante de l'intensité H du champ magnétique.
Dans une des formes de réalisation de la présente invention, l'intensité du champ magnétique est rendue constante en agissant sur ce champ de telle manière que la diffé-
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cession de Larmor soit toujours égale à une constante. Plus précisément on choisit deux fréquences de référence déterminées avec précision
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qui sont obtenues à partir d'une source de fréquence commune
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exactement à la relation ci-après :
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L'intensité du champ magnétique est commandée par un asservissement de telle manière que la différence mesurée des deux fréquences de précession de Larmor observées soit toujours amenée à être égale à l'écart de fréquence entre les deux fréquences de référence déterminées avec précision à savoir
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Les deux conditions imposées définies par les équations (6) et (7) ont pour conséquence que l'intensité du champ magnétique est égale à
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tion est égale à :
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et peut par conséquent être facilement obtenue en mesurant
la différence entre l'une ou l'autre des fréquences de précession de Larmor observées et sa fréquence de référence déterminée avec précision associée.
Outre le phénomène fondamental de précession du moment magnétique et la base mathématique de l'automatisation
du traitement des signaux qui permet de mesurer la vitesse angulaire de rotation de la manière décrite ci-dessus, il y
a plusieurs autres phénomènes physiques intervenant dans la réalisation pratique d'un gyroscope à résonance magnétique nucléaire. On décrira ci-après l'alignement des moments magnétiques nucléaires, la réalisation d'une précession entretenue desdits moments et la mesure optique des moments de précession pour produire un signal à partir duquel on peut déterminer la fréquence de précession de Larmor.
L'amplitude d'un moment magnétique nucléaire individuel est très petite et la condition d'équilibre naturel
est celle dans laquelle une orientation aléatoire des moments existe dans un ensemble d'atomes. Il faut utiliser des techniques d'orientation d'une fraction importante de ces moments magnétiques dans une direction unique de manière à produire
un moment magnétique à l'échelle macroscopique et par conséquent un signal mesurable.
La technique utilisée pour aligner les moments magnétiques nucléaires telle qu'elle est concrétisée dans la présente invention, est un procédé en deux stades dénommé "pompage" ci-après. Les deux gaz à moment magnétique nucléaire, qui sont des gaz rares dans la forme de réalisation préférée de l'invention sont mélangés à une vapeur d'un métal alcalin dans une cellule unique optiquement transparente. Cette cellule est éclairée par un faisceau lumineux polarisé circulairement, filtré spectralement, qui est émis par une lampe électrique à décharge à vapeur de métal alcalin. Un champ magnétique stationnaire est appliqué dans une direction belle qu'une composante importante de ce champ est parallèle
à la direction de la lumière qui tombe sur la cellule.
Le premier stade du pompage est une opération de pompage optique dans laquelle les atomes d'une vapeur de métal alcalin sont pompés optiquement par absorption d'une portion de la lumière incidente. Ceci a pour conséquence l'alignement d'une fraction importante des moments magnétiques atomiques des atomes de métaux alcalins dans une direction qui est parallèle à celle du champ magnétique stationnaire appliqué.
Le second stade de pompage est une opération par échange de spins dans laquelle une partie de l'alignement des moments magnétiques atomiques est transférée aux moments magnétiques nucléaires des atomes de gaz rare par des interactions d'échange des spins au cours de collisions entre les atomes de métaux alcalins et les atomes de gaz rares. Ceci a pour conséquence l'alignement d'une fraction importante des moments
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tion qui est parallèle à celle du champ magnétique stationnaire. Cette technique de pompage par échange de spins est une extension des techniques de Bouchiat, Carver et Varnum (Phys. Review Letters 5, page 373, [1960]). En particulier, comme cela est concrétisé dans la présente invention, elle a été étendue de façon à inclure l'alignement simultané des moments magnétiques nucléaires de deux isotopes choisis de gaz rares différents contenus dans la même cellule.
Les moments magnétiques alignés de l'ensemble d'atomes de métaux alcalins et des deux ensembles d'atomes de gaz rares sont soumis à des mécanismes de relaxation qui provoquent une décroissance exponentielle avec le temps de leurs taux d'alignement en direction de leur condition d'équilibre naturelle d'orientation aléatoire. Chaque ensemble de moments est caractérisé par une constante de temps de relaxation qui dépend des espèces et des quantités de tous les autres constituants ainsi que de l'environnement global dans la cellule
à résonance magnétique nucléaire. Le taux d'alignement en régime stationnaire de chaque ensemble de moments est fonction
à la fois de la vitesse de pompage et du temps de relaxation pour cet ensemble, les taux d'alignements les plus élevés, par conséquent les amplitudes les plus grandes de signaux étant atteints quand les temps de relaxation sont longs également. Par conséquent, pour arriver aux temps de relaxation les plus longs, la cellule contient aussi une quantité appropriée d'un gaz tampon tel que l'hélium ou l'azote dans le but de réduire les phénomènes de relaxation dus aux interactions des moments magnétiques avec les parois de la cellule. De plus des isotopes particuliers de gaz rares déterminés ont été spécialement choisis comme gaz à moment magnétique nucléaire à cause de leurs longs temps de relaxation.
La précession des deux ensembles de moments magnétiques de gaz rare est déclenchée et entretenue en appliquant deux champs magnétiques alternatifs dans une direction qui est orthogonale à celle du champ magnétique stationnaire appliqué. Ces champs ont des fréquences qui sont égales aux fréquences de précession de Larmor respectives des deux gaz rares et sont dénommés "champs magnétiques alternatifs de réinjection" étant donné qu'ils assurent la fonction de réinjection des signaux qui est nécessaire dans tout oscillateur pour obtenir des oscillations entretenues.
Ces champs de réinjection éloignent par un couple, de manière cohérente, chaque ensemble individuel de moments magnétiques de gaz rares de sa direction d'alignement initial, qui est parallèle à celle du champ magnétique stationnaire, en direction d'un plan qui est orthogonal à la direction du champ magnétique stationnaire. Les moments magnétiques de chaque ensemble oscillent continûment dans ce plan, créant ainsi deux moments magnétiques à l'échelle macroscopique dans l'ensemble du volume de la cellule à résonance magnétique nucléaire, par conséquent deux champs magnétiques qui tournent dans ce plan aux fréquences de précession de Larmor respectives des deux gaz rares.
Les phénomènes physiques associés à l'application d'un couple aux corps tournants imposent que les phases des champs de réinjection appliqués soient en quadrature avec les phases respectives des moments magnétiques nucléaires en train de précessionner.
Ces moments magnétiques nucléaires qui précesionnent sont mesurés optiquement en utilisant une solution qui dé-
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95 [1970]). Cette technique utilisant un magnétomètre repose sur le principe suivant : le taux d'absorption de la lumière, provenant du pompage optique, par les atomes de métal alcalin dans la cellule à résonance magnétique nucléaire dépend de l'orientation des moments magnétiques des atomes isolés de métal alcalin par rapport à la direction de la lumière incidente. Ces deux champs magnétiques tournants, qui sont engendrés par les deux ensembles de moments magnétiques oscillant ou précesionnant des atomes de gaz rares, appliquent individuellement et simultanément des couples aux moments magnétiques des métaux alcalins qui précessionnent, communiquent ainsi des mouvements de nutation à ces derniers moments qui,à leur tour modulent l'intensité de la lumière transmise.
La description mathématique et les caractéristiques saillantes de ce procédé de mesure optique peuvent être résumés très brièvement comme suit :
Comme cela est concrétisé dans la présente inve? -
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qui sera dénommé "champ magnétique porteur" (ou "à fréquence porteuse") est appliqué à la cellule à résonance magnétique nuclaire et la direction de ce champ magnétique est utilisée/définir l'axe des z. Un champ magnétique stationnaire est également appliqué à la cellule, sensiblement dans la direction de l'axe des z. Les composantes de tous les champs magnétiques,
à l'exclusion du champ magnétique porteur, sont désignées par
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be sur la cellule à-résonance magnétique nucléaire dans le plan des x-z et a des composantes 1 et 1 qui produisent des composantes d'aimantation Mx et M des atomes de métaux alcalins.
On peut montrer que, si le champ magnétique satisfait aux conditions ci-après :
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où ;est le rapport gyromagnétique pour l'atome de métal alcalin considéré, T est le temps total de relaxation pour le même atome sous l'influence de l'absorption de la lumière et
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magnétique porteur et n est un entier, la composante suivant l'axe des x de l'intensité Itx de la lumière transmise est représentée par la relation :
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pectivement l'amplitude et la fréquence du champ magnétique porteur.
Ci-après, plusieurs caractéristiques de l'équation (11) qui ont rapport à la présente invention :
a) La composante suivant :: de l'intensité de la <EMI ID=32.1> le champ H pour de petites valeurs de H . c) La réponse en quadrature (sin plot) est liné- <EMI ID=33.1> d) La composante suivant x de l'intensité de la <EMI ID=34.1>
H seul en choisissant une amplitude particulière pour le
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soit égal à zéro.
e) La réponse de la composante suivant x de l'intensité de la lumière transmise aux composantes Hx ou H, y du champ magnétique est proportionnelle au produit de la composante suivant x de la lumière incidente par la composante z <EMI ID=36.1>
doit par conséquent avoir des composantes suivant les directions x et z.
f) Du fait des conditions imposées aux champs magnétiques telles qu'elles sont définies par l'équation (10) <EMI ID=37.1>
appliqué sensiblement suivant la direction des z et la précession ou oscillation des moments nucléaires doit se produire essentiellement dans le plan des x-y. En particulier, ces moments de précession créent un champ magnétique macroscopique qui tourne à une vitesse angulaire correspondant à la fréquence de précession de Larmor et qui a une intensité qui est proportionnelle aux taux d'alignement des moments magnétiques nucléaires. Ce champ magnétique tournant est à l'origine d'un terme de la composante x de l'intensité de la lumière transmise, qui est liée à la composante suivant l'axe des y de ce champ, à savoir :
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relation dans laquelle h est l'amplitude de ce champ magné-
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du gaz à moment magnétique nucléaire. C'est ce terme qui est utilisé pour l'extraction des fréquences de précession nucléaire de Larmor dans la présente forme de réalisation de l'invention. L'analyse ci-dessus est valable pour des champs magnétiques stationnaires, ainsi que pour des champs variant lentement, comprenant en particulier le champ magnétique tour-
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g) Les effets des composantes du champ magnétique
<EMI ID=41.1> séparément à partir des modulations de l'intensité de la lumière et cela donne la possibilité de mesurer ou de régler indépendamment ces composantes du champ.
L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et dans lesquels :
la figure 1 est une coupe schématique représentant
- la disposition physique des composants d'un ensemble capteur de gyroscope à résonance magnétique nucléaire ;
les figures 2A et 2B sont des dessins en perspective représentant la configuration des bobines génératrices de champ magnétique qui font partie de l'ensemble représenté sur
la figure 1 . la figure 3 est un schéma explicatif représentant les opérations de pompage optique et de modulation de l'intensité de la lumière qui est transmise par la cellule à résonance magnétique nucléaire ; la figure 4 est un schéma synoptique représentant l'automatisation fonctionnelle de l'appareillage électronique d'un gyroscope à résonance magnétique nucléaire ; la figure 5 est un schéma explicatif représentant une variante d'un ensemble capteur pour gyroscope à résonance magnétique nucléaire. Cette figure sert aussi à représenter la disposition d'un appareillage de recherche.
La figure 1 représente en coupe la disposition physique des composants de l'ensemble d'un gyroscope à résonance magnétique nucléaire ; une lampe 10 à vapeur de rubidium, qui est excitée par une source d'énergie haute fréquence est utilisée pour émettre une lumière contenant les raies du rubidium. Cette lampe est réalisée de manière semblable à celle décrite par Bell, Bloom et Lynch (Rev. Sci. Instr. 32, 688 [1961]). La lampe 10 est logée dans une enceinte 12 qui est utilisée pour la maintenir chaude, à une température convenant pour une émission lumineuse maximale. La lumière passe
à travers une lentille 14 en verre jouant le rôle de condensateur et à travers une lentille collimatrice 16 de Fresnel en matière plastique avant de passer à travers un filtre op-tique interférentiel 18. Ce filtre est destiné à transmettre la plus grande partie de la lumière de longueur d'onde 794,7 nm d'une raie du spectre du rubidium, tout en arrêtant la plus grande partie de la lumière de longueur d'onde 780.0 nm d'une raie spectrale voisine. La lumière filtrée traverse une seconde lentille collimatrice de Fresnel 20, est réfléchie par un prisme 22 pour changer sa direction et converge en direction de l'extrémité d'un faisceau 24 de fibres optiques d'entrée.
Ce faisceau de fibres optiques transmet alors la lumière en direction du centre de l'appareil et fait un coude si bien que la lumière sort de l'extrémité 25 du faisceau 24 en formant un angle moyen d'environ 45[deg.] par rapport à la verticale telle qu'elle est représentée sur la figure. L'axe vertical, tel qu'il est représenté sur cette figure, est dénommé "axe des z". L'axe des x est par définition orienté vers la gauche de la figure. La figure 1 est ainsi une coupe dans un plan x-z. La lumière sortant des fibres passe par un polariseur circulaire 26 et entre dans la cellule à résonance magnétique nucléaire 28.
La cellule à résonance magnétique nucléaire 28 est une enceinte cylindrique en verre scellée, optiquement transparente contenant une petite quantité de rubidium métallique enrichi en isotope 87 ; du xénon gazeux sous une pression d'environ 0,5 nm de mercure, enrichi en isotope 129 ; du krypton gazeux sous une pression d'environ 20 nm Hg, enrichi en isotope 83 et un gaz tampon consistant en hélium-4 sous une pression d'environ 400 nm Hg ou en azote sous une pression d'environ 100 nm Hg. Ces gaz sont introduits dans la cellule dans l'ordre indiqué, la cellule étant raccordée à un appareil de remplissage sous pression réduite et ensuite isolée par scellement.
La cellule 28 est montée dans une étuve 30 en alumine à température régulée, qui est chauffée et réglée par une résistance chauffante 32 en forme de bande alimentée par une source d'énergie haute fréquence. Cette étuve est maintenue à une température d'environ 65[deg.]C, pour laquelle environ la moitié de la lumière entrant dans la cellule 28 est absorbée. La plus grande partie de la lumière qui n'est pas absorbée dans la cellule 28 pénètre dans un réseau 36 de fibres optiques de sortie et parvient par une lentille 38 à un détecteur photosensible 40 au silicium.
D'autres composants représentés sur cette figure sont une bobine 34 créant un champ magnétique, qui sera décrit plus en détail ci-après (figures 2A et 2B) un ensemble 42 de plusieurs couches de matière magnétique formant écran et destiné à réduire l'influence des champs magnétiques extérieurs, et une charpente support 44.
La bobine 34 comporte une carcasse en un verre usinable ("MACOR" de la firme CORNING, Etats-Unis d'Amérique), sur la surface extérieure de laquelle on a ménagé des rainures et ensuite placé les fils dans celles-ci pour réaliser une bobine engendrant des champs magnétiques.
Les figures 2A et 2B représentent en perspective la configuration des bobines 34 qui font partie de l'appareil représenté sur la figure 1. La figure 2A représente la carcasse de bobine 34' et les spires 50 du solénoïde principal qui produisent un champ magnétique parallèle à l'axe du cylindre, qui est désigné comme étant l'axe des z. Des spires additionnelles 52 aux extrémités de la carcasse de la bobine sont utilisées pour améliorer l'uniformité dans l'espace du champ magnétique. Les spires 52 de la bobine sont entremêlées aux spires 50 de celle-ci. L'ensemble des spires 50 et 52 est dénommé ci-après "spires engendrant le champ suivant l'axe
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La figure 2B représente la même carcasse 34' de bobine et deux paires additionnelles de spires qui créent des champs magnétiques suivant deux axes qui sont perpendiculaires entre eux et à l'axe du cylindre. La paire de spires 54 produit un champ magnétique suivant l'axe des x et la paire de spires 56,dont une seulement est visible sur la figure,produit un champ magnétique suivant l'axe des y. La figure 3 est un schéma explicatif représentant pour chacun des gaz rares les phénomènes de pompage optique
et de modulation de l'intensité de la lumière qui est transmise par la cellule à résonance magnétique nucléaire. Etant donné que ces phénomènes sont très semblables pour les deux gaz rares, ils sont expliqués et décrits pour un seul des deux
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a le même sens que dans les équations (11) et (12). La lumière polarisée circulairement qui entre dans la cellule 28'
à résonance magnétique nucléaire a une composante 64 qui est dénommée "lumière de pompage optique" suivant l'axe des z, et une composante 66, qui est dénommée "lumière soumise à la détection" suivant l'axe des x. Du fait des interactions de la lumière 64 de pompage optique et du champ magnétique 68 stationnaire, les moments magnétiques des atomes 60 de rubidium sont alignés de préférence dans la direction des z. Cet alignement des moments magnétiques est transféré par des collisions interatomiques des atomes 60 de rubidium aux noyaux
62 du gaz rare.
Un champ magnétique 70 alternatff sinusoïdal de réinjection,dont la fréquence et la phase sont adaptées à la fréquence de précession de Larmor des moments magnétiques des atomes 62 de gaz rare,est appliqué dans la direction de l'axe des x et sert à appliquer un couple aux moments magnétiques de ces noyaux pour les amener dans le plan des x-y. Ces moments magnétiques nucléaires du gaz rare oscillent ensuite dans le plan des x-y à la fréquence de précession de Larmor
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il%
tionnaire 68. Ces moments magnétiques nucléaires oscillants créent un champ magnétique de précession nucléaire d'intensité
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La lumière de détection 66 réagit avec les atomes
60 de rubidium qui sont soumis à l'influence du champ magnétique stationnaire 68, d'un champ magnétique alternatif por-
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cession nucléaire. Cette interaction module l'intensité de la composante suivant x de la lumière 72 transmise à la fré-
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tions de la lumière sont ensuite converties en signaux électriques par le détecteur photosensible 40' au silicium.
En référence à la figure 4 qui est un schéma-bloc représentant l'automatisation fonctionnelle de l'appareillage électronique d'un gyroscope à résonance magnétique nucléaire, la lumière de la source lumineuse 10 entre dans l'appareil par le système optique 82 d'entrée, puis passe par la cellule
28 à résonance magnétique nucléaire. Le système optique 82 d'entrée comprend des articles 14 à 26 comme on l'a vu ci-dessus. La lumière qui n'est pas absorbée et qui est modulée en intensité, comme on l'a expliqué ci-dessus (figure 3) est transmise par le système optique de sortie 86 au détecteur photosensible 40 où les modulations d'intensité de la lumière sont converties en signaux optiques 89. Comme on l'a vu plus haut le système optique de sortie comprend des articles 36
et 38. Les signaux 89 sont tout d'abord amplifiés puis soumis à une démodulation synchrone en deux opérations distinctes dans un détecteur 90 de signaux porteurs, dans le but de produire des signaux de commande pour les champs magnétiques suivant l'axe des x et l'axe des y. Un signal 93 en courant continu pour commander le champ magnétique continu suivant l'axe des y est produit par démodulation synchrone du signal
89 en utilisant un signal sinusoïdal de référence ayant une
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quence de précision pilotée.par quartz. La phase et la fréquence du signal sinusoïdal provenant de la source 92 sont les mêmes que celles du champ magnétique alternatif porteur appliqué. L'amplitude du signal de commande 93 continu est proportionnelle à l'amplitude moyenne de la composante des modulations de l'intensité de la lumière à la fréquence porteuse qui est en phase avec le champ magnétique alternatif porteur appliqué. Si l'on se réfère à l'équation (11) ce signal
<EMI ID=49.1> moyenne du champ magnétique suivant l'axe des y. Le signal
de commande 93 en courant continu est alors ajouté au point
95 à un signal 94 constant additionnel en courant continu
qui est produit dans les blocs d'alimentation 96 en courant continu et le résultat de cette opération est utilisé pour faire passer la totalité du courant continu dans la bobine
56 produisant le champ magnétique suivant l'axe des y. Le champ magnétique toujours de même sens suivant l'axe des y est ainsi commandé de telle manière que l'amplitude des signaux 93 en courant continu reste voisine de zéro, ce qui conduit à un mode de fonctionnement à porteuse supprimée. De cette manière, des changements d'intensité du champ magnétique suivant l'axe des y sont captés et supprimés pour maintenir la suppression de la porteuse.
D'une manière semblable, un signal 104 à courant continu pour commander la composante continue du champ magnétique suivant l'axe des x est produit par démodulation synchrone du signal 89 en utilisant un signal de référence sinu-
<EMI ID=50.1>
ce de fréquence de référence 102 pilotée de manière précise par quartz. La phase du signal de référence de fréquence 2f' c
<EMI ID=51.1>
L'amplitude du signal 104 de commande en courant continu est proportionnelle à la valeur moyenne du champ magnétique suivant l'axe des x. Le signal 104 de commande est ajouta au point 107 à un signal additionnel constant 106 toujours de mê-
<EMI ID=52.1>
courant continu et le signal résultant est utilisé pour faire
<EMI ID=53.1>
duisant le champ magnétique suivant l'axe des x. De cette manière la valeur de la composante continue du champ magnétique suivant l'axe des x est réglée de manière à être à peu près égale à zéro.
Outre le signal 93 en courant continu résultant de la démodulation synchrone à la fréquence f dans le détecteur 90 de signaux porteurs, il existe des signaux 109 en courant alternatif qui sont proportionnels aux composantes alternatives du champ magnétique suivant l'axe des y. Les modulations aux fréquences de précession nucléaires de Larmor présentent
un intérêt particulier. Ces signaux sont séparés et filtrés dans un séparateur 110 de signaux de précession nucléaire de manière à fournir un signal 112 à la fréquence f , d'environ
135 Hz de précession, du xénon-129, un signal 114 à la fréquen-
<EMI ID=54.1>
Ces valeurs indiquées pour les fréquences de précession de Larmor correspondent à une valeur de 0,114 oersted du champ magnétique stationnaire suivant l'axe des z qui est utilisé dans la forme de réalisation préférée.
Un signal 122 en courant continu destiné à agir sur la composante continue du champ magnétique suivant l'axe des z est produit en comparant dans un comparateur 118 de fréquences la différence 116, soit fa-fb, des fréquences de précession à
<EMI ID=55.1>
ce 120 de fréquence de référence pilotée avec précision par un quartz. Une différence de phase entre les signaux 116 et
120 engendre un signal de commande 122 en courant continu qui est ajouté au point 123 à un signal additionnel 126 constant, toujours de même sens, qui est produit dans le bloc 96 d'alimentation en courant continu et le signal résultant 125 est utilisé pour faire passer la totalité du courant continu par l'enroulement 124 générateur de champ magnétique suivant l'axe des z, qui comprend des spires 50 et 52. De cette manière, la valeur de la composante continue du champ magnétique suivant l'axe des z est réglée de façon à être égale à une constante déterminée, qui est donnée par l'équation (8).
Un courant 128 alternatif sinusoïdal qui est engendré par le bloc d'alimentation 130 est aussi envoyé dans la bobine 124 engendrant le champ magnétique suivant l'axe des z pour produire un champ magnétique alternatif à fréquence porteuse. Le courant 128 alternatif à fréquence porteuse est ajouté, au point 127 au courant continu 125 et la résultante constitue le courant total appliqué à la bobine 124. Le courant 128 alternatif sinusoïdal à fréquence porteuse a une fréquence f qui est produite par la source 92 de fréquence de référence pilotée avec précision par quartz, qui est égale à la fréquence du signal utilisé comme référence pour le détecteur 90 de signaux à fréquence porteuse. La fréquence porteuse f est d'environ 80 000 Hz, donc égale à
<EMI ID=56.1>
une valeur du champ magnétique stationnaire suivant l'axe des z de 0,114 oersted qui est utilisée dans la forme de réalisation préférée.
L'intensité du courant alternatif 128 à fréquence porteuse est choisie telle que l'intensité du champ magnétique alternatif sinusoïdal soit égale à un facteur déterminé multiplié par la valeur de la composante continue du champ magnétique suivant l'axe des z qui est produit par le courant continu 125. Dans la forme de réalisation préférée, ce facteur est égal à 1,84 et l'intensité du champ magnétique alternatif à fréquence porteuse est choisie égale à 0,210 oersted. De cette manière, l'intensité de la composante du si-
<EMI ID=57.1>
champs magnétiques suivant l'axe des x. La base mathématique de cette relation préférée entre les deux champs est contenue dans les équations (11) et (12) pour le cas n=1 et p=1. Deux champs magnétiques de réinjection sont créés le long de l'axe des x dans le but de produire une précession entretenue des moments magnétiques nucléaires du xénon-129 et du krypton-83. Le signal 112 du xénon-129 est utilisé dans un générateur 144 de champ magnétique alternatif de réinjection pour produire un
<EMI ID=58.1>
amplitude constante et une fréquence et une phase qui sont identiques àcelles du signal 112 du xénon-129. Le signal 148 est ajouté à un signal 146 de réinjection alternatif sinusoïdal engendré de manière semblable à partir du signal 114 du krypton-83. La somme 150 des deux courants alternatifs 146 et
148 de réinjection est ensuite ajoutée, au point 107, aux courants continus 104 et 106 et la résultante comprend le courant total qui est appliqué à l'enroulement 54 produisant le champ magnétique suivant l'axe des x.
Le rôle des champs magnétiques alternatifs de réinjection consiste à appliquer continûment un couple aux moments magnétiques nucléaires du xénon et du krypton qui ont été nouvellement alignés suivant l'axe des z, en direction du plan d'oscillation x-y pour régénérer les moments qui ont disparu, à cause de phénomènes de relaxation des moments magnétiques nucléaires. De cette manière, la précession, ou l'oscillation, entretenue des moments magnétiques du krypton et du xénon crée deux champs magnétiques stationnaires qui tournent dans le plan des x-y et par conséquent produisent des modulations de l'intensité lumineuse stationnaire aux fréquences de précession de Larmor,
<EMI ID=59.1>
La vitesse angulaire de rotation du gyroscope est
<EMI ID=60.1>
à partir de la source 136 de fréquence de référence pilotée de manière précise par quartz. La fréquence différentielle f'-f ainsi obtenue est égale à la fréquence angulaire fr de rotation du gyroscope, conformément à l'équation (9) et cette information 138 est envoyée à un ordinateur en vue d'un traitement ultérieur. Les données 138 concernant la fréquence angulaire de rotation du gyroscope contiennent à la fois des informations de fréquence et de phase et par conséquent contiennent à la fois, respectivement, une information de vitesse angulaire et une information de déplacement angulaire.
Toutes les sources 92, 102, 120 et 136 de fréquence de référence précise sont commandées par un maître-oscillateur commun, piloté par un quartz 152 commun, par des techniques de multiplication et de division numériques. La fré-
<EMI ID=61.1> figure 4. Les données 138 sur la fréquence angulaire de rotation sont, au premier ordre près, indépendantes de la stabi-lité de la fréquence du maître-oscillateur 152.
En référence à la figure 5 qui est un schéma explicatif représentant une autre forme de réalisation de l'ensemble détecteur du gyroscope à résonance magnétique nucléaire, les articles identifiés par des références avec un signe "prime" sont fonctionnellement semblables aux articles correspondants de la figure 1, avec une référence sans signe "prime". La lampe 10' au rubidium alimente en lumière de pompage optique le faisceau de fibres optiques 24' d'entrée de la cellule 28' à résonance magnétique nucléaire. La lampe 10' alimente aussi en lumière soumise à une détection la cellule 28' par une seconde voie, ou canal, qui comprend un faisceau de fibres optiques d'entrée 154 et un prisme d'entrée 155.
La lumière soumise à détection qui est transmise par la cellule
28 arrive,en passant par le prisme de sortie 158 et les faisceaux 156 et 160 de fibres optiques de sortie, au détecteur photosensible 40'. Des champs magnétiques sont appliqués à la cellule à résonance magnétique nucléaire par l'ensemble, suivant trois axes, de bobines 161, 162 et 163 dites de Helmholtz, lesquelles sont, dans cet ensemble, celles engendrant les champs orientés, respectivement, suivant les axes des z, des
y et des x. La direction de la lumière entrant par le faisceau de fibres optiques 24' est définie ici comme étant celle de l'axe des z, l'axe des x monte à partir du plan de la figure et l'axe des y est dirigé vers l'extérieur du papier.
L'ensemble représenté sur la figure 5 est une variante de celui de la figure 1 et sert à insister sur le
point que la détection optique doit être réalisée dans une direction qui est perpendiculaire à celle du champ magnétique stationnaire, qui est parallèle à l'axe des z. Ceci
peut être réalisé soit de la manière représentée sur la figure 1 en utilisant un angle de 45[deg.], ou d'une valeur différente du même ordre, entre la direction du faisceau lumineux traversant la cellule à résonance magnétique nucléaire et la direction du champ magnétique stationnaire ou soit de la manière représentée sur la figure 5 en utilisant deux trajets distincts pour la lumière, la lumière utilisée pour le pompage se propageant parallèlement à la direction du champ magnétique stationnaire et la lumière soumise à la détection étant perpendiculaire à la direction de ce champ. Cet agencement inclut par ailleurs la possibilité que les faisceaux lumineux pour le pompage et la détection soient émis par des sources lumineuses séparées, et qu'ils aient des caractéristiques spectrales ou de polarisation différentes.
La figure 5 peut aussi être utilisée, avec certaines modifications, pour représenter la configuration d'un appareil destiné à des recherches, qui est particulièrement utile pour des recherches expérimentales sur les propriétés des mélanges gaz rares-vapeurs de métaux alcalins. Ces modifications consistent à supprimer le trajet 154, 155, 156, 158, 160 et 40' de la lumière soumise à la détection et à ajouter le trajet
174 et 175 de sortie de la lumière.
Pour cette application qui correspond au cas n=0 utilisé pour les équations (11) et
(12), les axes de coordonnées sont "rebaptisés", les axes des x et des z étant interchangés par rapport à ce qui existait précédemment, de sorte que la direction de la lumière qui entre par le faisceau 24' de fibres optiques est à nouveau définie comme étant parallèle à l'axe des x, et l'axe des z se dirige vers le haut en partant du plan du dessin. La lumière qui entre passe par la cellule 28' et pénètre dans un faisceau sortant 174 de fibres optiques qui transmet cette lumière au détecteur photosensible 175. Le champ magnétique alternatif à fréquence porteuse est appliqué en utilisant la bobine 163 engendrant le champ suivant l'axe des z, et un petit champ continu d'environ 100 micro-oersteds est appliqué en utilisant la bobine 162 engendrant le champ suivant l'axe des y.
Pendant cette opération, un champ continu plus intense, d'environ 10 millioersteds est appliqué par la bobine 161 créant un champ suivant l'axe des x, au début de la période de pompage par échange de spins de moments magnétiques nucléaires.
A la fin de cette période de pompage, qui dure par exemple quelques minutes, on coupe très rapidement ce champ en lais-sant les moments magnétiques nucléaires alignés osciller dans le plan des x-z, qui est le plan du papier. La composante suivant l'axe des z du champ magnétique oscillant produit des modulations d'intensité de la lumière qui sont analogues à celles décrites ci-dessus. Ce mode de fonctionnement est semblable à celui décrit par Cohen-Tannoudji et ses collaborateurs (voir ci-dessus), sauf que dans la présente variante, les moments magnétiques du rubidium qui sont utilisés pour la détection et les moments magnétiques nucléaires du gaz rare qui sont utilisés pour la précession nucléaire de Larmor sont placés dans la même cellule 28'.
L'étroite association, pendant les collisions, des atomes de rubidium avec ceux du gaz rare amène les atomes de rubidium à capter un champ magnétique moyen en provenance des atomes du gaz rare. Cet effet de proximité conduit à des signaux qui sont beaucoup plus intenses que ceux qui pourraient être détectés d'une autre manière. Par conséquent, cet appareil est particulièrement intéressant pour des recherches sur le mélange gaz rare-vapeur de métal alcalin.
Brevets apparentés
Un certain nombre de brevets en relation avec les domaines embrassés par la présente invention sont mentionnés ci-après. Une revue de ces références indique qu'aucune d'entre elles ne décrit les nouvelles caractéristiques figurant dans les revendications succédant au présent mémoire descriptif. Cependant, il est considéré comme avantageux par l'Office des Brevets des Etats-Unis d'Amérique d'y faire figurer tous les brevets concernant la technique antérieure qui ont
été découverts au cours de la recherche d'antériorités et qui figurent par conséquent sur le tableau ci-après.
<EMI ID=62.1>
Pour conclure, la présente invention a été décrite sous forme d'éléments particuliers et d'agencements physiques particuliers, mais il est évident que des modifications raisonnables, telles que l'utilisation de chemins optiques différents conduisant à des résultats identiques, ou l'utilisation de divers mélanges de gaz rares ou celle de substances autres que le rubidium, ou l'utilisation pour les champs magnétiques et les fréquences de valeurs autres que celles indiquées dans le mémoire descriptif ci-dessus sont toutes dans le cadre de la présente invention.
Plus généralement, il va de soi que la présente invention n'a été décrite qu'à titre indicatif, mais nullement limitatif et qu'elle est susceptible de diverses variantes sans sortir de son cadre.
"Nuclear Magnetic Resonance Detection Device" The present invention relates to the generation and detection of nuclear magnetic resonance. More particularly, the present invention relates to the application of nuclear magnetic resonance to a gyroscope.
In the prior art, it has been proposed on several occasions to implement the fundamental principle of a nuclear magnetic resonance gyroscope. In general, these proposals use a nuclear magnetic resonance controlled oscillator and derive phase rotation information from the Larmor precession signals of a nuclear moment by a suitable phase comparison and magnetic field control circuit.
In general, these devices have significant drawbacks which hamper the development of a useful instrument. For example, these devices have been limited by the relatively short relaxation times of the gases that have been used. Also, the strong direct coupling between these gases and the light which is used as a means of alignment or detection of the magnetic moment, can limit both the relaxation times and the signal to noise ratio and, therefore, can also limit. the potential usefulness of these instruments.
This memo describes a resonance gyroscope
<EMI ID = 1.1>
operates based on the principle of measuring an inertial angular speed or an angular displacement around a sensitive axis of the device, in the form, respectively, of a variation of the frequency or of the phase a Larmor precession of one or more isotopes which have nuclear magnetic moments. This gyroscope consists of an angular rotation sensor and associated electronic equipment. The main components of this sensor are a light source, a nuclear magnetic resonance cell, a photosensitive detector, a series of magnetic screens and a series of windings generating magnetic fields.
The main elements of the electronic equipment are signal processing circuits to extract information regarding the frequency and phase of the Larmor precession, as well as circuits to generate and control various magnetic fields, both stationary
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necessary for proper operation of the device.
The nuclear magnetic resonance cell is mounted within a group of magnetic shields to weaken external magnetic fields to acceptable low levels. Field-producing coils are used to apply very uniform magnetic fields to the nuclear magnetic resonance cell. A stationary field and an alternating magnetic field at carrier frequency are applied along the sensitive axis of the device and alternating magnetic fields of feedback are applied along one of the orthogonal or transverse axes. The stationary magnetic fields applied along these two transverse axes are adjusted so as to be practically zero.
The nuclear magnetic resonance cell contains an alkali metal vapor, such as rubidium, associated with two isotopes of one or more noble gases such as krypton 83 and xenon 129. The cell may also contain a buffer gas such as. helium.
The nuclear magnetic resonance cell can be illuminated by a beam of circularly polarized light emitted by a source such as a rubidium lamp and which passes through the cell at a determined angle relative to the constant magnetic field. The absorption of a fraction of this light causes a partial alignment of the atomic magnetic moments of the rubidium atoms in the direction of the stationary magnetic field. This alignment is transmitted in part to the nuclear magnetic moments of gases. rare 3t these moments are caused to precession around the direction of the stationary magnetic field, which in turn creates magnetic fields which rotate at speeds corresponding to the respective Larmor precession frequencies of the two rare gases.
These rotating fields modulate the precession movements of the magnetic moments of rubidium, which in turn produce corresponding modulations of the transmitted light, thus providing the possibility of optically measuring the Larmor precession frequencies of the two rare gases.
Modulations in light intensity are converted into electrical signals by a photosensitive detector and these signals are then demodulated and electronically filtered to produce signals at the Larmor precession frequencies of the two noble gases. The difference between the two precession frequencies is used to fine tune the stationary magnetic field so that it is constant. One of the rare gas precession frequencies is compared with a precisely defined reference frequency and the difference in the pulses w (w = 2nf) corresponding to the difference f between these two frequencies is the angular speed of rotation of the gyroscope.
The two detected noble gas precession signals are also used to produce two feedback alternating magnetic fields at the noble gas Larmor precession frequencies and these are responsible for maintaining the precession of the noble gas nuclear magnetic moments. The use of an alternating magnetic field at carrier frequency facilitates the optical detection of rare gas precession moments and also provides means for controlling direct current magnetic fields along the two transverse axes of the gyroscope.
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elements for the simultaneous alignment of nuclear magnetic moments of at least two gases with a nuclear magnetic moment, thus constituting a device for aligning nuclear magnetic moments; elements for achieving a sustained precession of these moments, thus constituting a nuclear magnetic resonance oscillator capable of performing sustained oscillations; elements for the optical detection of said nuclear moments which precede, thus constituting a device for detecting a nuclear magnetic resonance; elements to regulate with precision
the internal magnetic field of the apparatus and elements for the precise measurement of the frequency or phase of the detected nuclear moment precession signals of at least one of the gases at nuclear moment to perform angular rotational speed measurement or the angular displacement, respectively, of the apparatus with respect to the inertial space, thus constituting a nuclear magnetic resonance gyroscope.
More particularly, a stationary magnetic field is applied to a nuclear magnetic resonance cell which is almost completely shielded from other stationary magnetic fields. The nuclear magnetic resonance cell contains a gas phase substance which has a magnetic moment which can be aligned by optical pumping, along with one or more additional gases each of which has a nuclear magnetic moment. The nuclear magnetic resonance cell is illuminated by optical pumping light which has a component of direction parallel to the direction of the stationary magnetic field and which has a suitable wavelength to be absorbed by the optically pumpable substance, and partially align them. magnetic moments of this substance.
The magnetic moments of gases at nuclear moment are caused to align and
to precession at their respective Larmor precession frequencies around the direction of the stationary magnetic field. An alternating magnetic field at an appropriate carrier frequency is also applied to the nuclear magnetic resonance cell, and this cell is illuminated by light subjected to detection which has a direction component orthogonal to the direction of the carrier frequency alternating magnetic field and which has a wavelength approximately equal to that of the optical pump radiation. The intensity of the portion of the sensing radiation which is transmitted by the cell is modulated in accordance with the total magnetic fields present in the cell, including the magnetic fields which are produced by the precession of nuclear magnetic moments.
These modulations of the intensity of the transmitted radiation are detected by a photosensitive detector, and then electronically demodulated to obtain signals at the Larmor precession frequencies of the gases at nuclear moment.
In one embodiment, the alignment of the magnetic nuclear moments of each gas at nuclear moment is carried out by interactions resulting from collisions between the atoms of the substance used for optical pumping and the atoms of the gas or gases at nuclear moment. The sustained precession of the nuclear magnetic moments of each gas
at nuclear moment is achieved by applying an alternating magnetic field of feedback at the Larmor precession frequency of the gas at nuclear moment, in a direction which is orthogonal to that of the stationary magnetic field. The carrier frequency alternating magnetic field is applied with a frequency approximately equal to the Larmor precession frequency of the substance used for the optical pumping and in a direction which is approximately parallel to that of the stationary magnetic field, which allows the apparatus to be operated at higher values of the stationary magnetic field strength and with correspondingly increased values of the Larmor precession frequencies for gases at nuclear moment.
In the preferred embodiment a substance usable for optical pumping such as an alkali metal vapor is placed in a nuclear magnetic resonance cell along with two rare gases and the nuclear magnetic moments of these two gases are aligned at the same time. time by interactions due to collisions between the atoms of the alkali metal and the atoms of the two rare gases. In this preferred embodiment of the invention, the alkali metal is rubidium and the rare gases are krypton-83 and xenon-129.
Another characteristic of the invention involves the use of a buffer gas in large quantities in the nuclear magnetic resonance cell.
According to a third characteristic of the invention, the intensity of the stationary magnetic field is kept constant by a control by reinjection of this field such that the difference between the Larmor precession frequencies of the two rare gases in the resonance cell nuclear magnetic is kept equal to a predetermined constant value.
According to a fourth characteristic of the invention, one of the Larmor precession frequencies is compared with a precisely determined reference frequency and the difference between these frequencies is used to serve as a measure of the angular displacement or of the angular speed of the device. with respect to the direction of the stationary magnetic field.
Disclosed is a nuclear magnetic resonance gyroscope using nuclear moment gases having long relaxation times, and having the following features: it includes a device for aligning nuclear magnetic moments and producing resonance nuclear magnetic in these gases; it comprises a device for measuring the Larmor precession frequencies of these gases as well as a device for measuring and adjusting the internal magnetic field forming part of the environment of the gyroscope.
A nuclear magnetic resonance gyroscope is based on the following principle: an angular speed of rotation is measured as a change in the Larmor precession frequency of one or more chemical species that have nuclear magnetic moments.
Many isotopes (usually those with odd atomic mass numbers) have their own angular momentum (spin) associated with the nucleus. A parallel magnetic moment
this nuclear spin is always associated with the latter. The ratio between the nuclear magnetic moment and the nuclear spin is a constant} {, called "gyromagnetic ratio" which has a particular value for each type of isotope.
If an atom with a nuclear magnetic moment is placed in a magnetic field, with an orientation other than parallelism with the direction of that field, that magnetic moment will precede 'with respect to the direction of that field with a pulsation, or angular frequency. eu equal to 2TTo, where o is the Larmor precession frequency. We have :
<EMI ID = 4.1>
romagnetic and H the intensity of the magnetic field. Therefore each isotope has a characteristic Larmor precession frequency in a magnetic field.
If an assembly containing atoms which collectively have a magnetic precessional moment rotates itself with an angular velocity LUI 'around the direction of H, the observed angular velocity of precession will undergo a change
<EMI ID = 5.1>
angular il) of the observed Larmor precession becomes:
<EMI ID = 6.1>
Therefore, a measure of angular velocity
<EMI ID = 7.1>
far, are measured in the same magnetic field, we can then measure the speed of rotation without directly knowing the value of the magnetic field. The equations for the two isotopes are:
<EMI ID = 8.1>
<EMI ID = 9.1>
Larmor ions observed for the two gyromagnetic isotopes
<EMI ID = 10.1>
H or in w, we obtain the following expressions:
<EMI ID = 11.1>
<EMI ID = 12.1>
<EMI ID = 13.1>
which is independent of the intensity H of the magnetic field.
In one of the embodiments of the present invention, the intensity of the magnetic field is made constant by acting on this field in such a way that the difference.
<EMI ID = 14.1>
transfer of Larmor is always equal to a constant. More precisely, two precisely determined reference frequencies are chosen.
<EMI ID = 15.1>
which are obtained from a common frequency source
<EMI ID = 16.1>
exactly to the following relation:
<EMI ID = 17.1>
The intensity of the magnetic field is controlled by a slaving in such a way that the measured difference of the two observed Larmor precession frequencies is always brought to be equal to the frequency difference between the two reference frequencies determined with precision, namely
<EMI ID = 18.1>
The two imposed conditions defined by equations (6) and (7) result in the intensity of the magnetic field being equal to
<EMI ID = 19.1>
<EMI ID = 20.1>
tion is equal to:
<EMI ID = 21.1>
and can therefore be easily obtained by measuring
the difference between one or the other of the observed Larmor precession frequencies and its reference frequency determined with associated precision.
In addition to the fundamental phenomenon of magnetic moment precession and the mathematical basis of automation
signal processing which allows the angular speed of rotation to be measured in the manner described above, there is
has several other physical phenomena involved in the practical realization of a nuclear magnetic resonance gyroscope. The alignment of the nuclear magnetic moments, the production of a sustained precession of said moments and the optical measurement of the precession moments to produce a signal from which the Larmor precession frequency can be determined will be described below.
The amplitude of an individual nuclear magnetic moment is very small and the condition of natural equilibrium
is one in which a random orientation of moments exists in a set of atoms. Techniques must be used to orient a large fraction of these magnetic moments in a single direction so as to produce
a magnetic moment on a macroscopic scale and therefore a measurable signal.
The technique used to align nuclear magnetic moments as embodied in the present invention is a two-stage process referred to as "pumping" hereinafter. The two nuclear magnetic moment gases, which are rare gases in the preferred embodiment of the invention, are mixed with an alkali metal vapor in a single optically transparent cell. This cell is illuminated by a circularly polarized, spectrally filtered light beam which is emitted by an electric alkali metal vapor discharge lamp. A stationary magnetic field is applied in a beautiful direction that a large component of this field is parallel
to the direction of the light falling on the cell.
The first stage of pumping is an optical pumping operation in which atoms of an alkali metal vapor are optically pumped by absorbing a portion of the incident light. This results in the alignment of a large fraction of the atomic magnetic moments of the alkali metal atoms in a direction which is parallel to that of the applied stationary magnetic field.
The second stage of pumping is a spin exchange operation in which part of the alignment of atomic magnetic moments is transferred to the nuclear magnetic moments of rare gas atoms by spin exchange interactions during collisions between atoms. of alkali metals and rare gas atoms. This results in the alignment of a large fraction of the moments
<EMI ID = 22.1>
tion which is parallel to that of the stationary magnetic field. This spin-exchange pumping technique is an extension of the techniques of Bouchiat, Carver and Varnum (Phys. Review Letters 5, page 373, [1960]). In particular, as embodied in the present invention, it has been extended to include the simultaneous alignment of the nuclear magnetic moments of two chosen isotopes of different rare gases contained in the same cell.
The aligned magnetic moments of the set of alkali metal atoms and the two sets of rare gas atoms are subjected to relaxation mechanisms which cause their alignment rates to decrease exponentially over time towards their condition. natural equilibrium of random orientation. Each set of moments is characterized by a relaxation time constant which depends on the species and amounts of all other constituents as well as the overall environment in the cell.
nuclear magnetic resonance. The steady state alignment rate of each set of moments is a function of
both pumping speed and relaxation time for this set, the highest alignment rates, hence the largest signal amplitudes being achieved when the relaxation times are long as well. Therefore, to achieve the longest relaxation times, the cell also contains an appropriate amount of a buffer gas such as helium or nitrogen in order to reduce the relaxation phenomena due to the interactions of the magnetic moments with the walls of the cell. In addition, particular isotopes of certain rare gases have been specially chosen as nuclear magnetic moment gases because of their long relaxation times.
The precession of the two sets of rare gas magnetic moments is initiated and sustained by applying two alternating magnetic fields in a direction which is orthogonal to that of the applied stationary magnetic field. These fields have frequencies which are equal to the respective Larmor precession frequencies of the two noble gases and are referred to as "feedback alternating magnetic fields" since they provide the signal feedback function which is necessary in any oscillator to achieve sustained oscillations.
These feedback fields couple, in a coherent fashion, each individual set of rare gas magnetic moments away from its direction of initial alignment, which is parallel to that of the stationary magnetic field, towards a plane which is orthogonal to the direction of the stationary magnetic field. The magnetic moments of each set oscillate continuously in this plane, thus creating two magnetic moments on a macroscopic scale throughout the volume of the nuclear magnetic resonance cell, hence two magnetic fields which rotate in this plane at the precession frequencies of the respective Larmor of the two rare gases.
The physical phenomena associated with the application of a torque to the rotating bodies require that the phases of the applied reinjection fields be in quadrature with the respective phases of the nuclear magnetic moments in the process of precession.
These preceding nuclear magnetic moments are optically measured using a solution which de-
<EMI ID = 23.1>
95 [1970]). This technique using a magnetometer is based on the following principle: the rate of absorption of light, from optical pumping, by the alkali metal atoms in the nuclear magnetic resonance cell depends on the orientation of the magnetic moments of the atoms isolated from alkali metal with respect to the direction of the incident light. These two rotating magnetic fields, which are generated by the two sets of magnetic moments oscillating or precessioning rare gas atoms, individually and simultaneously apply torques to the magnetic moments of the precessional alkali metals, thus communicating nutation movements at these last moments which in turn modulate the intensity of the transmitted light.
The mathematical description and salient features of this optical measurement method can be summarized very briefly as follows:
As this is embodied in this inve? -
<EMI ID = 24.1>
which will be referred to as "carrier magnetic field" (or "carrier frequency") is applied to the nuclear magnetic resonance cell and the direction of this magnetic field is used / define the z axis. A stationary magnetic field is also applied to the cell, substantially in the direction of the z-axis. The components of all magnetic fields,
excluding the carrier magnetic field, are designated by
<EMI ID = 25.1>
be on the nuclear magnetic resonance cell in the x-z plane and has 1 and 1 components which produce Mx and M magnetization components of alkali metal atoms.
It can be shown that, if the magnetic field satisfies the following conditions:
<EMI ID = 26.1>
where; is the gyromagnetic ratio for the considered alkali metal atom, T is the total relaxation time for the same atom under the influence of light absorption and
<EMI ID = 27.1>
magnetic carrier and n is an integer, the component along the x axis of the intensity Itx of the transmitted light is represented by the relation:
<EMI ID = 28.1>
<EMI ID = 29.1>
<EMI ID = 30.1>
<EMI ID = 31.1>
pectively the amplitude and frequency of the carrier magnetic field.
Hereinafter, several characteristics of equation (11) which relate to the present invention:
a) The following component :: of the intensity of the <EMI ID = 32.1> field H for small values of H. c) The quadrature response (sin plot) is linear- <EMI ID = 33.1> d) The following component x of the intensity of the <EMI ID = 34.1>
H alone by choosing a particular amplitude for the
<EMI ID = 35.1>
is equal to zero.
e) The response of the following component x of the intensity of the transmitted light to the Hx or H, y components of the magnetic field is proportional to the product of the following component x of the incident light by the component z <EMI ID = 36.1>
must consequently have components according to the directions x and z.
f) Due to the conditions imposed on magnetic fields as defined by equation (10) <EMI ID = 37.1>
applied substantially along the z direction and the precession or oscillation of the nuclear moments must occur essentially in the x-y plane. In particular, these precessional moments create a macroscopic magnetic field which rotates at an angular velocity corresponding to the Larmor precession frequency and which has an intensity which is proportional to the alignment rates of the nuclear magnetic moments. This rotating magnetic field is at the origin of a term of the x component of the intensity of the transmitted light, which is related to the component along the y axis of this field, namely:
<EMI ID = 38.1>
relation in which h is the amplitude of this magnetic field
<EMI ID = 39.1>
of gas at nuclear magnetic moment. It is this term which is used for the extraction of the Larmor nuclear precession frequencies in the present embodiment of the invention. The above analysis is valid for stationary magnetic fields, as well as for slowly varying fields, including in particular the rotating magnetic field.
<EMI ID = 40.1>
g) The effects of the components of the magnetic field
<EMI ID = 41.1> separately from the modulations of the light intensity and this gives the possibility of independently measuring or adjusting these field components.
The invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings by way of non-limiting examples and in which:
Figure 1 is a schematic section showing
- the physical arrangement of the components of a nuclear magnetic resonance gyroscope sensor assembly;
FIGS. 2A and 2B are perspective drawings showing the configuration of the magnetic field generating coils which form part of the assembly shown in
figure 1. Fig. 3 is an explanatory diagram showing the operations of optical pumping and modulation of the intensity of the light which is transmitted by the nuclear magnetic resonance cell; FIG. 4 is a block diagram showing the functional automation of the electronic equipment of a nuclear magnetic resonance gyroscope; FIG. 5 is an explanatory diagram showing a variant of a sensor assembly for a nuclear magnetic resonance gyroscope. This figure is also used to represent the arrangement of a search apparatus.
Figure 1 shows in section the physical arrangement of the components of the assembly of a nuclear magnetic resonance gyroscope; a rubidium vapor lamp 10, which is excited by a high frequency energy source is used to emit light containing the rubidium lines. This lamp is made in a manner similar to that described by Bell, Bloom and Lynch (Rev. Sci. Instr. 32, 688 [1961]). The lamp 10 is housed in an enclosure 12 which is used to keep it warm, at a temperature suitable for maximum light emission. The light passes
through a glass lens 14 acting as a capacitor and through a collimating Fresnel lens 16 made of plastic before passing through an optical interference filter 18. This filter is intended to transmit most of the light wavelength 794.7 nm from one line of the rubidium spectrum, while blocking most of the light of wavelength 780.0 nm from a neighboring spectral line. The filtered light passes through a second collimating Fresnel lens 20, is reflected by a prism 22 to change its direction, and converges towards the end of a bundle 24 of input optical fibers.
This fiber optic bundle then transmits light toward the center of the device and kinks so that the light exits end 25 of bundle 24 at an average angle of about 45 [deg.] To the end. vertically as shown in the figure. The vertical axis, as shown in this figure, is called the "z axis". The x axis is by definition oriented towards the left of the figure. FIG. 1 is thus a section in an x-z plane. Light exiting the fibers passes through a circular polarizer 26 and enters nuclear magnetic resonance cell 28.
Nuclear magnetic resonance cell 28 is a sealed, optically transparent cylindrical glass enclosure containing a small amount of metallic rubidium enriched in isotope 87; xenon gas under a pressure of about 0.5 nm of mercury, enriched in isotope 129; krypton gas under a pressure of about 20 nm Hg, enriched in isotope 83 and a buffer gas consisting of helium-4 under a pressure of about 400 nm Hg or nitrogen under a pressure of about 100 nm Hg. These gases are introduced into the cell in the order indicated, the cell being connected to a filling device under reduced pressure and then isolated by sealing.
The cell 28 is mounted in a temperature-controlled alumina oven 30, which is heated and regulated by a strip-shaped heating resistor 32 supplied by a high frequency energy source. This oven is maintained at a temperature of about 65 [deg.] C, for which about half of the light entering cell 28 is absorbed. Most of the light that is not absorbed in cell 28 enters an array 36 of output optical fibers and passes through lens 38 to photosensitive silicon detector 40.
Other components shown in this figure are a coil 34 creating a magnetic field, which will be described in more detail below (Figures 2A and 2B) an assembly 42 of several layers of magnetic material forming a screen and intended to reduce the influence external magnetic fields, and a supporting frame 44.
The coil 34 comprises a frame made of a machinable glass ("MACOR" from the firm CORNING, United States of America), on the outer surface of which grooves have been formed and then placed the wires therein to achieve a coil generating magnetic fields.
Figures 2A and 2B show in perspective the configuration of the coils 34 which form part of the apparatus shown in Figure 1. Figure 2A shows the coil frame 34 'and the turns 50 of the main solenoid which produce a magnetic field parallel to. the axis of the cylinder, which is referred to as the z-axis. Additional turns 52 at the ends of the coil casing are used to improve the spatial uniformity of the magnetic field. The turns 52 of the coil are interwoven with the turns 50 of the latter. The set of turns 50 and 52 is hereinafter called "turns generating the field along the axis.
<EMI ID = 42.1>
FIG. 2B shows the same coil carcass 34 'and two additional pairs of turns which create magnetic fields along two axes which are perpendicular to each other and to the axis of the cylinder. The pair of turns 54 produces a magnetic field along the x-axis and the pair of turns 56, only one of which is visible in the figure, produces a magnetic field along the y-axis. FIG. 3 is an explanatory diagram representing for each of the rare gases the optical pumping phenomena
and modulating the intensity of the light which is transmitted by the nuclear magnetic resonance cell. Since these phenomena are very similar for the two rare gases, they are explained and described for only one of the two
<EMI ID = 43.1>
has the same meaning as in equations (11) and (12). The circularly polarized light entering the 28 'cell
nuclear magnetic resonance has a component 64 which is referred to as "optical pump light" along the z axis, and a component 66, which is referred to as "light subjected to detection" along the x axis. Due to the interactions of the optical pumping light 64 and the stationary magnetic field 68, the magnetic moments of the rubidium atoms 60 are preferably aligned in the z direction. This alignment of magnetic moments is transferred by interatomic collisions of 60 atoms of rubidium to nuclei
62 rare gas.
A 70 alternatff sinusoidal feedback magnetic field, the frequency and phase of which are matched to the Larmor precession frequency of the magnetic moments of the rare gas atoms 62, is applied in the x-axis direction and serves to apply a torque to the magnetic moments of these nuclei to bring them into the xy plane. These rare gas nuclear magnetic moments then oscillate in the x-y plane at the Larmor precession frequency.
<EMI ID = 44.1>
he%
tionnaire 68. These oscillating nuclear magnetic moments create a nuclear precession magnetic field of intensity
<EMI ID = 45.1>
Detection light 66 reacts with atoms
60 of rubidium which are subjected to the influence of the stationary magnetic field 68, of an alternating magnetic field por-
<EMI ID = 46.1>
nuclear cession. This interaction modulates the intensity of the component along x of the light 72 transmitted to the fre-
<EMI ID = 47.1>
The light ions are then converted into electrical signals by the photosensitive silicon detector 40 '.
Referring to Figure 4 which is a block diagram showing the functional automation of the electronic apparatus of a nuclear magnetic resonance gyroscope, light from light source 10 enters the apparatus through optical system 82 of enter, then go through the cell
28 nuclear magnetic resonance. The input optical system 82 includes items 14-26 as seen above. Light which is not absorbed and which is modulated in intensity as explained above (Figure 3) is transmitted through the output optical system 86 to the photosensitive detector 40 where the light intensity modulations are converted into optical signals 89. As seen above the output optical system comprises items 36
and 38. Signals 89 are first amplified and then subjected to synchronous demodulation in two separate operations in a carrier signal detector 90, in order to produce control signals for the magnetic fields along the x-axis and the y axis. A DC signal 93 for controlling the DC magnetic field along the y axis is produced by synchronous demodulation of the signal.
89 using a reference sinusoidal signal having a
<EMI ID = 48.1>
precision quence controlled by quartz. The phase and frequency of the sinusoidal signal from source 92 are the same as those of the applied carrier alternating magnetic field. The amplitude of the DC control signal 93 is proportional to the average amplitude of the component of the modulations of the light intensity at the carrier frequency which is in phase with the applied carrier alternating magnetic field. If we refer to equation (11) this signal
<EMI ID = 49.1> mean magnetic field along the y axis. The signal
control 93 in direct current is then added to the point
95 to an additional constant signal 94 in direct current
which is produced in the power supplies 96 as direct current and the result of this operation is used to pass all of the direct current through the coil
56 producing the magnetic field along the y axis. The magnetic field, still in the same direction along the y axis, is thus controlled in such a way that the amplitude of the direct current signals 93 remains close to zero, which leads to a suppressed carrier mode of operation. In this way, changes in magnetic field strength along the y axis are picked up and suppressed to maintain carrier suppression.
In a similar fashion, a direct current signal 104 for controlling the direct component of the magnetic field along the x axis is produced by synchronous demodulation of signal 89 using a sine reference signal.
<EMI ID = 50.1>
this of reference frequency 102 precisely controlled by quartz. The phase of the frequency reference signal 2f 'c
<EMI ID = 51.1>
The amplitude of the direct current control signal 104 is proportional to the average value of the magnetic field along the x axis. The control signal 104 is added at point 107 to a constant additional signal 106, again in the same way.
<EMI ID = 52.1>
direct current and the resulting signal is used to make
<EMI ID = 53.1>
reducing the magnetic field along the x axis. In this way the value of the DC component of the magnetic field along the x axis is adjusted so as to be approximately equal to zero.
Besides the direct current signal 93 resulting from the synchronous demodulation at the frequency f in the carrier signal detector 90, there are alternating current signals 109 which are proportional to the alternating components of the magnetic field along the y axis. The modulations at the nuclear precession frequencies of Larmor present
special interest. These signals are separated and filtered in a nuclear precession signal splitter 110 so as to provide a signal 112 at the frequency f, of approximately
135 Hz of precession, xenon-129, a signal 114 at the frequency
<EMI ID = 54.1>
These values given for the Larmor precession frequencies correspond to a value of 0.114 oersted of the stationary magnetic field along the z axis which is used in the preferred embodiment.
A direct current signal 122 intended to act on the direct component of the magnetic field along the z axis is produced by comparing in a frequency comparator 118 the difference 116, or fa-fb, of the precession frequencies to
<EMI ID = 55.1>
this 120 reference frequency controlled with precision by a quartz. A phase difference between signals 116 and
120 generates a DC control signal 122 which is added at point 123 to an additional constant signal 126, always in the same direction, which is produced in the DC power supply unit 96 and the resulting signal 125 is used to make pass all of the direct current through the magnetic field generator winding 124 along the z axis, which includes turns 50 and 52. In this way, the value of the direct component of the magnetic field along the z axis is set so as to be equal to a given constant, which is given by equation (8).
A sinusoidal alternating current 128 which is generated by the power supply unit 130 is also sent to the coil 124 generating the magnetic field along the z axis to produce an alternating magnetic field at carrier frequency. The carrier frequency alternating current 128 is added at point 127 to the direct current 125 and the resultant constitutes the total current applied to the coil 124. The sinusoidal alternating current at carrier frequency has a frequency f which is produced by the source 92 of quartz precision driven reference frequency, which is equal to the frequency of the signal used as a reference for the carrier frequency signal detector 90. The carrier frequency f is approximately 80,000 Hz, therefore equal to
<EMI ID = 56.1>
a z-axis stationary magnetic field value of 0.114 oersted which is used in the preferred embodiment.
The intensity of the alternating current 128 at carrier frequency is chosen such that the intensity of the sinusoidal alternating magnetic field is equal to a determined factor multiplied by the value of the direct component of the magnetic field along the z axis which is produced by the direct current 125. In the preferred embodiment, this factor is equal to 1.84 and the intensity of the alternating magnetic field at carrier frequency is chosen equal to 0.210 oersted. In this way, the intensity of the component of the si-
<EMI ID = 57.1>
magnetic fields along the x axis. The mathematical basis for this preferred relationship between the two fields is contained in equations (11) and (12) for the case n = 1 and p = 1. Two feedback magnetic fields are created along the x-axis in order to produce a sustained precession of the nuclear magnetic moments of xenon-129 and krypton-83. The xenon-129 signal 112 is used in a feedback AC magnetic field generator 144 to produce a
<EMI ID = 58.1>
constant amplitude and frequency and phase which are identical to those of xenon-129 signal 112. Signal 148 is added to a sinusoidal AC feedback signal 146 similarly generated from krypton-83 signal 114. The sum 150 of the two alternating currents 146 and
Feedback 148 is then added, at point 107, to DC currents 104 and 106 and the resultant comprises the total current which is applied to winding 54 producing the magnetic field along the x axis.
The role of the feedback alternating magnetic fields is to continuously apply a torque to the nuclear magnetic moments of xenon and krypton which have been newly aligned along the z axis, in the direction of the xy plane of oscillation to regenerate the moments that have disappeared , because of the relaxation phenomena of nuclear magnetic moments. In this way, the sustained precession, or oscillation, of the magnetic moments of krypton and xenon creates two stationary magnetic fields which rotate in the xy plane and therefore produce modulations of the stationary light intensity at the precession frequencies of Larmor,
<EMI ID = 59.1>
The angular speed of rotation of the gyroscope is
<EMI ID = 60.1>
from the reference frequency source 136 precisely controlled by quartz. The differential frequency f'-f thus obtained is equal to the angular frequency fr of rotation of the gyroscope, in accordance with equation (9) and this information 138 is sent to a computer for further processing. The data 138 regarding the angular frequency of rotation of the gyroscope contains both frequency and phase information and therefore contains both angular speed information and angular displacement information, respectively.
All sources 92, 102, 120 and 136 of precise reference frequency are controlled by a common master oscillator, driven by a common crystal 152, by digital multiplication and division techniques. The fre-
<EMI ID = 61.1> figure 4. The data 138 on the angular frequency of rotation are, to the nearest first order, independent of the stability of the frequency of the master oscillator 152.
With reference to Fig. 5 which is an explanatory diagram showing another embodiment of the detector assembly of the nuclear magnetic resonance gyroscope, items identified by references with a "prime" sign are functionally similar to corresponding items in Fig. 1, with a reference without the "prime" sign. The rubidium lamp 10 'supplies optical pump light to the input optical fiber bundle 24' of the nuclear magnetic resonance cell 28 '. Lamp 10 'also supplies light subjected to detection to cell 28' through a second path, or channel, which includes an input optical fiber bundle 154 and an input prism 155.
The light subjected to detection which is transmitted by the cell
28 arrives, passing through the output prism 158 and the output optical fiber bundles 156 and 160, to the photosensitive detector 40 '. Magnetic fields are applied to the nuclear magnetic resonance cell by the set, along three axes, of so-called Helmholtz coils 161, 162 and 163, which are, in this set, those generating the oriented fields, respectively, along the axes z, some
y and x. The direction of light entering through the fiber optic bundle 24 'is defined here as that of the z axis, the x axis rises from the plane of the figure and the y axis is directed toward the outside of the paper.
The assembly shown in Figure 5 is a variant of that of Figure 1 and serves to emphasize the
point that optical detection should be performed in a direction which is perpendicular to that of the stationary magnetic field, which is parallel to the z axis. This
can be achieved either as shown in Figure 1 using an angle of 45 [deg.], or a different value of the same order, between the direction of the light beam passing through the nuclear magnetic resonance cell and the direction of the stationary magnetic field or either as shown in Figure 5 using two separate paths for the light, the light used for pumping propagating parallel to the direction of the stationary magnetic field and the light subjected to detection being perpendicular to the direction of this field. This arrangement further includes the possibility that the light beams for pumping and sensing are emitted by separate light sources, and that they have different spectral or polarization characteristics.
Fig. 5 can also be used, with some modifications, to show the configuration of an apparatus for research, which is particularly useful for experimental research on the properties of rare gas-alkali metal vapor mixtures. These modifications consist of removing the path 154, 155, 156, 158, 160 and 40 'of the light subjected to detection and adding the path
174 and 175 of light output.
For this application which corresponds to the case n = 0 used for equations (11) and
(12), the coordinate axes are "renamed", the x and z axes being interchanged from what existed previously, so that the direction of the light entering through the bundle 24 'of optical fibers is at again defined to be parallel to the x-axis, and the z-axis points upward from the plane of the drawing. The light which enters passes through the cell 28 'and enters an exiting bundle 174 of optical fibers which transmits this light to the photosensitive detector 175. The alternating magnetic field at carrier frequency is applied using the coil 163 generating the field along the axis z, and a small DC field of about 100 micro-oersteds is applied using coil 162 generating the field along the y axis.
During this operation, a more intense continuous field, of about 10 millioersteds is applied by the coil 161 creating a field along the x axis, at the start of the pumping period by exchange of nuclear magnetic moment spins.
At the end of this pumping period, which lasts for example a few minutes, this field is very quickly cut by letting the aligned nuclear magnetic moments oscillate in the x-z plane, which is the plane of the paper. The z-axis component of the oscillating magnetic field produces modulations of light intensity which are analogous to those described above. This mode of operation is similar to that described by Cohen-Tannoudji and his colleagues (see above), except that in the present variant, the magnetic moments of rubidium which are used for detection and the nuclear magnetic moments of the rare gas which are used for the nuclear precession of Larmor are placed in the same cell 28 '.
The close association, during collisions, of the rubidium atoms with those of the rare gas causes the rubidium atoms to pick up an average magnetic field from the atoms of the rare gas. This proximity effect leads to signals which are much more intense than those which could be detected in any other way. Consequently, this apparatus is of particular interest for research on the rare gas-alkali metal vapor mixture.
Related patents
A certain number of patents relating to the fields encompassed by the present invention are mentioned below. A review of these references indicates that none of them describes the novel features set forth in the claims succeeding this specification. However, it is considered advantageous by the United States Patent Office to include therein all prior art patents which have
were discovered during the prior art search and which therefore appear in the table below.
<EMI ID = 62.1>
In conclusion, the present invention has been described in the form of particular elements and particular physical arrangements, but it is obvious that reasonable modifications, such as the use of different optical paths leading to identical results, or the use various mixtures of noble gases or that of substances other than rubidium, or the use for magnetic fields and frequencies of values other than those indicated in the specification above are all within the scope of the present invention.
More generally, it goes without saying that the present invention has been described only as an indication, but in no way limiting and that it is susceptible of various variants without departing from its scope.