DE102020204718A1 - Method for determining a change in a rotational orientation in the space of an NMR gyroscope - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie einen NMR-Gyroskop (100) zur Ermittlung einer Änderung einer rotatorischen Orientierung aufweisend eine Dampfzelle (1), die ein Gemisch aus wenigstens einem gasförmigem ersten Element und wenigstens einem gasförmigen zweiten Element mit nicht verschwindendem Kernspin enthält, das folgendes aufweist: einen auf Farbzentren in einem Kristall (2) basierenden Magnetfeldsensor und eine Messeinrichtung, die dazu eingerichtet ist, die Larmorfrequenz der Kernspins des zweiten Elements mittels des Magnetfeldsensors zu messen.

The invention relates to a method and an NMR gyroscope (100) for determining a change in a rotational orientation having a vapor cell (1) which contains a mixture of at least one gaseous first element and at least one gaseous second element with non-vanishing nuclear spin, the following comprises: a magnetic field sensor based on color centers in a crystal (2) and a measuring device which is set up to measure the Larmor frequency of the nuclear spins of the second element by means of the magnetic field sensor.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung einer Änderung einer rotatorischen Orientierung im Raum eines NMR-Gyroskops sowie ein NMR-Gyroskop.The present invention relates to a method for determining a change in a rotational orientation in the space of an NMR gyroscope and to an NMR gyroscope.

Stand der TechnikState of the art

Man kann zur Ermittlung einer Änderung einer rotatorischen Orientierung im Raum Drehratensensoren bzw. Gyroskope auf MEMS-Basis verwenden. Diese sind kostengünstig und klein. Ihre Abweichung beträgt etwa 1°/Stunde und ihre Genauigkeit ermöglicht beispielsweise bei autonom fahrenden Autos ein Spurhalten für etwa 40 Sekunden, wenn sämtliche anderen Fahrerassistenzsysteme ausfallen. Sie können beispielsweise als Backup für Radarpositionierung, Videoassistenzpositionierung und GPS-Positionierung dienen.One can use rotation rate sensors or gyroscopes based on MEMS to determine a change in a rotational orientation in space. These are inexpensive and small. Its deviation is around 1 ° / hour and its accuracy enables autonomous cars, for example, to stay in lane for around 40 seconds if all other driver assistance systems fail. For example, they can serve as a backup for radar positioning, video assistance positioning and GPS positioning.

Wesentlich genauer sind Laser-Gyroskope, die man für die Flugzeugnavigation einsetzen kann. Sie beruhen auf dem optischen Sagnac-Effekt und ihre Abweichung beträgt nur ca. 0,0035°/Stunde. Sie sind jedoch relativ groß und teuer und daher für die Verwendung im Alltag, z.B. in Fahrzeugen kaum geeignet.Laser gyroscopes, which can be used for aircraft navigation, are much more precise. They are based on the optical Sagnac effect and their deviation is only approx. 0.0035 ° / hour. However, they are relatively large and expensive and therefore hardly suitable for everyday use, e.g. in vehicles.

Eine alternative Möglichkeit ist, NMR-Gyroskope („Nuclear Magnetic Resonance“, also Kernspinresonanz) zu verwenden. Diese werten Kernspinresonanzsignale von Atomkernen mit nicht verschwindendem magnetischem Moment aus. Diese lassen sich in Miniaturausführung herstellen und weisen eine Abweichung von ca. 0,02°/Stunde auf. Damit sind sie bis zu 50-mal genauer als MEMS-Gyroskope.An alternative option is to use NMR gyroscopes ("Nuclear Magnetic Resonance"). These evaluate nuclear magnetic resonance signals from atomic nuclei with a non-vanishing magnetic moment. These can be produced in miniature versions and show a deviation of approx. 0.02 ° / hour. This makes them up to 50 times more accurate than MEMS gyroscopes.

Eine Möglichkeit, ein NMR-Gyroskop mit einer Achse bereitzustellen, besteht darin, eine Dampfkammer mit einem Gemisch aus beispielsweise Xenon (Xe) und Rubidium (Rb) bereitzustellen. Mittels eines polarisierten Pump-Laserstrahls können die Rubidium-Elektronenspins in der Dampfzelle polarisiert werden. Durch eine starke Kopplung zwischen Rubidium und Xenon führt dies zu einer Polarisation der Xenon-Kernspins parallel zu den Rubidium-Elektronenspins. Mittels eines statischen Magnetfeldes in Polarisationsrichtung kann eine Kernspin-präzession der Xenon-Kernspins um das statische Magnetfeld erzeugt werden. Die Präzessionsfrequenz ist dabei die vom statischen Magnetfeld abhängige Larmorfrequenz. Durch ein Magnetwechselfeld, dessen Frequenz der Larmorfrequenz entspricht und das senkrecht zum statischen Magnetfeld angelegt werden kann, kann eine kohärente Präzession aller Kernspins erreicht werden. Wird nun ein polarisierter Proben- oder Auswerte-Laserstrahl senkrecht zum statischen Magnetfeld durch die Dampfzelle gestrahlt, wird die Polarisation des Probenlaserstrahls aufgrund des Faraday-Effektes periodisch mit der Larmorfrequenz gedreht. Durch einen Polarisator bzw. Polarisationsfilter und einen Detektor kann so eine Intensitätsschwankung beobachtet werden, die mit der Larmorfrequenz moduliert ist. Eine Rotation des Sensors um eine Drehachse parallel zu dem statischen Magnetfeld führt zu einer Verschiebung der Larmorfrequenz proportional zu der Drehrate. Durch Auswertung des Intensitätssignals, das vom Detektor ausgegeben wird, kann so eine Änderung der rotatorischen Orientierung mit einer Drehachse parallel zu der Polarisationsrichtung bestimmt werden.One way to provide an NMR gyroscope with an axis is to provide a vapor chamber with a mixture of, for example, xenon (Xe) and rubidium (Rb). The rubidium electron spins in the vapor cell can be polarized by means of a polarized pump laser beam. Due to a strong coupling between rubidium and xenon, this leads to a polarization of the xenon nuclear spins parallel to the rubidium electron spins. By means of a static magnetic field in the direction of polarization, a nuclear spin precession of the xenon nuclear spins can be generated around the static magnetic field. The precession frequency is the Larmor frequency dependent on the static magnetic field. A coherent precession of all nuclear spins can be achieved through an alternating magnetic field, the frequency of which corresponds to the Larmor frequency and which can be applied perpendicular to the static magnetic field. If a polarized sample or evaluation laser beam is now radiated through the steam cell perpendicular to the static magnetic field, the polarization of the sample laser beam is rotated periodically with the Larmor frequency due to the Faraday effect. A polarizer or polarization filter and a detector can thus be used to observe an intensity fluctuation that is modulated with the Larmor frequency. A rotation of the sensor about an axis of rotation parallel to the static magnetic field leads to a shift in the Larmor frequency proportional to the rate of rotation. By evaluating the intensity signal that is output by the detector, a change in the rotational orientation with an axis of rotation parallel to the direction of polarization can be determined.

Nachteilig dabei ist, dass der Auswerte-Laserstrahl die Spin-Polarisation des Pump-Laserstrahls stört, was die erreichbare Genauigkeit des NMR-Gyroskops beschränkt. Zudem wird als Auswerte-Laserstrahl ein schmalbandiger Laser von nur wenigen 10 MHz Bandbreite benötigt. Diese Laser sind entsprechend teuer, was den Einsatz derartiger Gyroskope beschränkt.The disadvantage here is that the evaluation laser beam disrupts the spin polarization of the pump laser beam, which limits the achievable accuracy of the NMR gyroscope. In addition, a narrow-band laser with a bandwidth of only a few 10 MHz is required as the evaluation laser beam. These lasers are correspondingly expensive, which limits the use of such gyroscopes.

Die US 7 282 910 B1 offenbart ein Beispiel für die Anwendung der beschriebenen NMR-Gyroskoptechnik.the US 7 282 910 B1 discloses an example of the application of the described NMR gyroscope technique.

Die US 9 689 679 B2 offenbart einen Diamantensensor mit Stickstoff-Fehlstellen, um rotatorische Orientierungsänderungen zu messen.the US 9 689 679 B2 discloses a diamond sensor with nitrogen vacancies to measure rotational changes in orientation.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zur Ermittlung einer Änderung einer rotatorischen Orientierung im Raum eines NMR-Gyroskops sowie ein NMR-Gyroskop mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.According to the invention, a method for determining a change in a rotational orientation in the space of an NMR gyroscope and an NMR gyroscope with the features of the independent claims are proposed. Advantageous refinements are the subject matter of the subclaims and the description below.

Die Erfindung bedient sich der Maßnahme, ein NMR-Gyroskop aufweisend eine Dampfzelle, die ein Gemisch aus wenigstens einem gasförmigen ersten Element und wenigstens einem gasförmigen zweiten Element mit nicht verschwindendem Kernspin enthält, beispielsweise wie oben beschrieben einzusetzen, aber die Larmorpräzession der Kernspins des zweiten Elements nicht mittels eines Auswerte-Laserstrahls, sondern mittels eines auf Farbzentren in einem Kristall basierenden Magnetfeldsensors zu messen. Damit kann die Störung der Spin-Polarisation durch einen Auswerte-Laserstrahl vermieden und die Genauigkeit der Messung erhöht werden.The invention makes use of the measure of using an NMR gyroscope having a vapor cell which contains a mixture of at least one gaseous first element and at least one gaseous second element with non-vanishing nuclear spin, for example as described above, but using the Larmor precession of the nuclear spin of the second element not to be measured by means of an evaluation laser beam, but by means of a magnetic field sensor based on color centers in a crystal. In this way, the disturbance of the spin polarization by an evaluation laser beam can be avoided and the accuracy of the measurement can be increased.

Kristalle mit Farbzentren, insbesondere Diamanten mit Stickstofffehlstellen (sog. NV-Defekten), erlauben es, lokale Magnetfelder mit Empfindlichkeiten bis unter $1pT/\sqrt{Hz}$

und einer Bandbreite von mehreren kHz zu messen. Ein solcher Kristall wird bevorzugt in die Dampfzelle gebracht, um das von der kollektiven Präzession der Kerne des zweiten Elements hervorgerufene magnetische Wechselfeld zu erfassen, indem eine detektierbare magnetische Resonanz im Kristall ausgenutzt wird.Crystals with color centers, in particular diamonds with nitrogen vacancies (so-called NV defects), allow local magnetic fields with sensitivities down to below $1pT/\sqrt{Hz}$

and a bandwidth of several kHz. Such a crystal becomes preferably brought into the vapor cell in order to detect the alternating magnetic field caused by the collective precession of the nuclei of the second element by utilizing a detectable magnetic resonance in the crystal.

Als erstes Element kann insbesondere ein Alkalimetall verwendet werden, bevorzugt Rubidium (Rb) oder Cäsium (Cs). Das zweite Element mit nicht verschwindendem Kernspin kann insbesondere ein Edelgas sein, bevorzugt Xenon (Xe), Helium (He), Krypton (Kr) oder Neon (Ne) oder ein spezielles Edelgas-Isotopengemisch sein, zum Beispiel Xe-129 und Xe-131, oder Xenon mit mindestens einem anderen Edelgas wie z.B. Helium, Neon oder Krypton.In particular, an alkali metal can be used as the first element, preferably rubidium (Rb) or cesium (Cs). The second element with non-vanishing nuclear spin can in particular be a noble gas, preferably xenon (Xe), helium (He), krypton (Kr) or neon (Ne) or a special noble gas isotope mixture, for example Xe-129 and Xe-131 , or xenon with at least one other noble gas such as helium, neon or krypton.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Messen der Larmorfrequenz der Kernspins des zweiten Elements mittels des auf Farbzentren in einem Kristall basierenden Magnetfeldsensors das Separieren von magnetischen Resonanzen der Farbzentren des Kristalls in verschiedene Kristallrichtungen. Dies kann beispielsweise durch das Anlegen eines zweiten statischen Magnetfeldes in einer dritten Richtung senkrecht zur ersten Richtung und senkrecht zur zweiten Richtung an den Kristall erfolgen, insbesondere mittels einer dritten Magnetfeldeinrichtung, die bevorzugt ein Helmholtz-Spulenpaar aufweisen kann. Dies ist vorteilhaft, da durch das Anlegen dieses Magnetfeldes mit wenig Aufwand eine Separation der Kristallrichtungen erzielbar ist, unabhängig davon, wie die Farbzentren kristallographisch orientiert sind. Alternativ oder zusätzlich kann das Separieren auch dadurch erfolgen, dass bei dem Kristall wenigstens 50% der Farbzentren eine gleiche kristallographische Orientierung mit einer Haupt-Kristallachse haben, wobei der Kristall mit dieser Haupt-Kristallachse in der dritten Richtung senkrecht zur ersten Richtung und senkrecht zur zweiten Richtung angeordnet wird. Dies ist vorteilhaft, da auf diese Weise auf einen Magnetfeldgenerator verzichtet werden kann und auch ohne weiteres Magnetfeld eine Separation der magnetischen Resonanzen erzielt wird.In a preferred embodiment, the measurement of the Larmor frequency of the nuclear spins of the second element by means of the magnetic field sensor based on color centers in a crystal comprises the separation of magnetic resonances of the color centers of the crystal in different crystal directions. This can be done, for example, by applying a second static magnetic field to the crystal in a third direction perpendicular to the first direction and perpendicular to the second direction, in particular by means of a third magnetic field device, which can preferably have a pair of Helmholtz coils. This is advantageous because the application of this magnetic field enables the crystal directions to be separated with little effort, regardless of how the color centers are crystallographically oriented. Alternatively or additionally, the separation can also take place in that at least 50% of the color centers in the crystal have the same crystallographic orientation with a main crystal axis, the crystal with this main crystal axis in the third direction perpendicular to the first direction and perpendicular to the second Direction is arranged. This is advantageous because in this way a magnetic field generator can be dispensed with and a separation of the magnetic resonances is achieved even without an additional magnetic field.

Der Kristall wird dann durch - insbesondere grünes - Anregungslicht mittels einer Anregungslichtquelle in einer dritten Richtung senkrecht zur ersten Richtung und senkrecht zur zweiten Richtung angeregt.The crystal is then excited by — in particular green — excitation light by means of an excitation light source in a third direction perpendicular to the first direction and perpendicular to the second direction.

Es wird ein magnetisches Wechselfeld, insbesondere mittels eines Mikrowellenfrequenzgenerators, mit Mikrowellenfrequenz auf den Kristall in einer Richtung senkrecht zur dritten Richtung eingestrahlt, bevorzugt durch Modulation des statischen Magnetfeldes in der ersten Richtung.An alternating magnetic field, in particular by means of a microwave frequency generator, is radiated onto the crystal at a microwave frequency in a direction perpendicular to the third direction, preferably by modulating the static magnetic field in the first direction.

Danach wird mittels einer Bestimmungseinrichtung - vorzugsweise periodisch - die Mikrowellenfrequenz bestimmt, bei der eine spinabhängige Fluoreszenzstrahlung minimal wird.The microwave frequency at which spin-dependent fluorescence radiation is minimal is then determined by means of a determination device, preferably periodically.

Der Kristall erfährt eine magnetische Resonanz, die detektierbar ist. Aus der Frequenz der Intensitätsänderung des Fluoreszenzlichtes lässt sich die Rotation des Systems bzw. die Drehrate oder rotatorische Orientierungsänderung algebraisch berechnen. Die genannten Schritte sind vorteilhaft, da auf diese Weise die Larmorfrequenz der Kernspins des zweiten Elements sehr genau bestimmt werden kann.The crystal experiences a magnetic resonance that can be detected. The rotation of the system or the rate of rotation or rotational change in orientation can be calculated algebraically from the frequency of the change in intensity of the fluorescent light. The steps mentioned are advantageous because in this way the Larmor frequency of the nuclear spins of the second element can be determined very precisely.

Bevorzugt erfolgt das Bestimmen der Mikrowellenfrequenz, bei der eine spinabhängige Fluoreszenzstrahlung minimal wird, durch das Erfassen der Intensität der Fluoreszenzstrahlung mittels eines Detektors (ODMR, engl. optically detected magnetic resonance). Dies ist vorteilhaft, da Detektoren eine kurze Reaktionszeit aufweisen und Schwankungen der Intensität sehr genau und zeitnah erfasst werden können.The microwave frequency at which spin-dependent fluorescence radiation becomes minimal is preferably determined by detecting the intensity of the fluorescence radiation by means of a detector (ODMR, optically detected magnetic resonance). This is advantageous because detectors have a short response time and fluctuations in intensity can be detected very precisely and promptly.

Zweckmäßigerweise alternativ kann das periodische Bestimmen der Mikrowellenfrequenz, bei der eine spinabhängige Fluoreszenzstrahlung minimal wird, durch das Messen eines Fotostroms im Kristall erfolgen (PDMR, engl. photocurrent detection of magnetic resonance (PDMR). Dabei werden direkt die angeregten Ladungsträger im Kristall gemessen. Eine solche Messung kann beispielsweise mittels einer Elektrodenstruktur aus Elektrode und Gegenelektrode auf einer Seite des Kristalls erfolgen, zwischen denen eine elektrische Spannung angelegt wird, wobei die Mikrowellenfrequenz bestimmt wird, bei der der Fotostrom minimal wird. Dies ist vorteilhaft, da ein solcher Aufbau kostengünstiger bereitgestellt werden kann als ein Photodetektor.As an alternative, the periodic determination of the microwave frequency at which spin-dependent fluorescence radiation becomes minimal can be carried out by measuring a photocurrent in the crystal (PDMR, photocurrent detection of magnetic resonance (PDMR). The excited charge carriers in the crystal are measured directly Such a measurement can take place, for example, by means of an electrode structure made up of an electrode and a counter-electrode on one side of the crystal, between which an electrical voltage is applied, the microwave frequency at which the photocurrent becomes minimal being determined can be used as a photodetector.

Insbesondere wird die Dampfzelle auf eine Temperatur zwischen 95°C und 125°C gebracht. Dies ist vorteilhaft, da bei diesen Temperaturen Rubidium, ein bevorzugtes erstes Element, gasförmig vorliegt.In particular, the steam cell is brought to a temperature between 95 ° C and 125 ° C. This is advantageous because rubidium, a preferred first element, is in gaseous form at these temperatures.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.Further advantages and embodiments of the invention emerge from the description and the accompanying drawing.

Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.The invention is shown schematically in the drawings using an exemplary embodiment and is described below with reference to the drawings.

FigurenlisteFigure list

• 1 zeigt eine schematische Teildarstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen NMR-Gyroskops; 1 shows a schematic partial representation of a preferred embodiment of an inventive NMR gyroscope;
• 2 zeigt eine bezüglich 1 erweiterte schematische Teildarstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen NMR-Gyroskops; 2 shows a regarding 1 expanded schematic partial representation of a preferred embodiment of an inventive NMR gyroscope;
• 3 zeigt eine bezüglich 2 erweiterte schematische Teildarstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen NMR-Gyroskops; 3 shows a regarding 2 expanded schematic partial representation of a preferred embodiment of an inventive NMR gyroscope;
• 4 zeigt eine bezüglich 3 erweiterte schematische Teildarstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen NMR-Gyroskops; 4th shows a regarding 3 expanded schematic partial representation of a preferred embodiment of an inventive NMR gyroscope;
• 5 zeigt eine beispielhafte optische Anordnung für eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen NMR-Gyroskops in einer schematischen Ansicht. 5 shows an exemplary optical arrangement for a preferred embodiment of an inventive NMR gyroscope in a schematic view.

Ausführungsform der ErfindungEmbodiment of the invention

Anhand der 1 bis 5 werden nun eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen NMR-Gyroskops sowie eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben.Based on 1 until 5 A preferred embodiment of an NMR gyroscope according to the invention and a preferred embodiment of a method according to the invention will now be described.

In 1 ist eine Teildarstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen NMR-Gyroskops abgebildet und mit 100 bezeichnet.In 1 A partial representation of an embodiment of an NMR gyroscope according to the invention is shown and denoted by 100.

Eine Dampfzelle des NMR-Gyroskops 100 ist mit 1 bezeichnet. Sie weist hier einen Hohlzylinder 13 aus Glas auf, der zu beiden Seiten gasdicht mit zwei konischen Glashohlkörpern 11, 12 verbunden ist, deren Durchmesser mit zunehmendem Abstand vom Hohlzylinder 13 zunimmt. Am äußeren Ende sind kreisscheibenförmige Glasabschlüsse 14, 15 vorgesehen. In die Wandung des Hohlzylinders 13 ist als Kristall 2 insbesondere ein Diamant mit NV-Farbzentren eingefügt, indem er beispielsweise bei der Herstellung des Zylinders eingeglast wurde. Das Innere der Dampfzelle 1 ist mit einem Gemisch aus einem ersten Element und einem zweiten Element befüllt. Das erste Element sind in dieser Ausführungsform Alkali-Atome wie z.B. Rubidium. Das zweite Element sind in dieser Ausführungsform Edelgasatome wie z.B. Xenon, die einen nicht verschwindenden Kernspin aufweisen.A steam cell of the NMR gyroscope 100 is denoted by 1. It has a hollow cylinder here 13th made of glass, which is gas-tight on both sides with two conical hollow glass bodies 11 , 12th is connected, the diameter of which with increasing distance from the hollow cylinder 13th increases. At the outer end there are circular disk-shaped glass closures 14th , 15th intended. In the wall of the hollow cylinder 13th is as crystal 2 In particular, a diamond with NV color centers is inserted, for example by glassing it in during the manufacture of the cylinder. The inside of the steam cell 1 is filled with a mixture of a first element and a second element. The first element in this embodiment are alkali atoms such as rubidium. The second element in this embodiment are noble gas atoms such as xenon, which have a non-vanishing nuclear spin.

Mittels eines Pump-Lasers wird ein Pump-Laserstrahl 20 erzeugt, um die Elektronenspins des ersten Elements in einer ersten Richtung R1 zu polarisieren, sodass durch eine starke Elektron-Kernspin-Wechselwirkung zwischen dem ersten Element und dem zweiten Element die Kernspins des zweiten Elements parallel zu den Elektronenspins des ersten Elements polarisiert werden. Der optische Pump-Laserstrahl 20 aus zirkular polarisiertem Licht durchläuft die Dampfzelle axial.A pump laser beam is generated by means of a pump laser 20th generated to spin the electron of the first element in a first direction R1 to polarize, so that the nuclear spins of the second element are polarized parallel to the electron spins of the first element by a strong electron-nuclear spin interaction between the first element and the second element. The optical pump laser beam 20th of circularly polarized light passes axially through the vapor cell.

Mittels eines ersten Magnetfeldgenerators, der in dieser Ausführungsform ein erstes Helmholtz-Spulenpaar aufweist, das in 2 mit 3 bezeichnet ist, wird entlang der Symmetrieachse der Dampfzelle 1 in der ersten Richtung R1 ein homogenes konstantes Magnetfeld B_0,NMR erzeugt. Die Kernspins der Edelgasatome präzedieren zu diesem Zeitpunkt noch ohne feste Phasenbeziehung.By means of a first magnetic field generator, which in this embodiment has a first pair of Helmholtz coils, which in 2 is denoted by 3, along the axis of symmetry of the steam cell 1 in the first direction R1 a homogeneous constant magnetic field B _{0, NMR is} generated. At this point in time, the nuclear spins of the noble gas atoms are still precessing without a fixed phase relationship.

Mittels eines zweiten Magnetfeldgenerators, der in dieser Ausführungsform ein zweites Helmholtz-Spulenpaar 4 aufweist, das ebenfalls in 2 gezeigt ist, wird ein Magnetwechselfeld in einer zweiten Richtung R2 senkrecht zur ersten Richtung angelegt, das eine Frequenz aufweist, die der Larmorfrequenz der Kernspins des zweiten Elements um das statische Magnetfeld entspricht. Dadurch kommt die Präzession der Kernspins der Edelgasatome in Phase. Durch die resonante Anregung der Kernspin-Präzession der Edelgasatome entsteht ein makroskopisches magnetisches Moment, dessen Richtung in der Ebene senkrecht zu der ersten Richtung R1 mit der Larmorfrequenz der Edelgas-Kernspins rotiert.By means of a second magnetic field generator, which in this embodiment has a second pair of Helmholtz coils 4th has, which is also in 2 is shown, an alternating magnetic field in a second direction R2 applied perpendicular to the first direction, which has a frequency which corresponds to the Larmor frequency of the nuclear spins of the second element around the static magnetic field. This brings the precession of the nuclear spins of the noble gas atoms into phase. The resonant excitation of the nuclear spin precession of the noble gas atoms creates a macroscopic magnetic moment whose direction in the plane is perpendicular to the first direction R1 rotates with the Larmor frequency of the noble gas nuclear spin.

Mittels des mit Farbzentren versehenen Kristalls 2 wird nun das magnetische Wechselfeld erfasst, indem deren magnetische Resonanz erfasst wird.By means of the crystal provided with color centers 2 the alternating magnetic field is now detected by detecting its magnetic resonance.

Mittels eines dritten Magnetfeldgenerators, der in dieser Ausführungsform ein drittes Helmholtz-Spulenpaar 5 aufweist, wird zunächst ein statisches Magnetfeld B_0,NV senkrecht zur ersten Richtung R1 und zur zweiten Richtung R2 in einer dritten Richtung R3 erzeugt. Dieses dient dazu, die magnetischen Resonanzen der Farbzentren in verschiedene Kristallrichtungen zu separieren. Dies ist in 3 dargestellt. Die magnetische Resonanz zeigt sich als spinabhängige Fluoreszenzstrahlung. Im Beispiel eines Diamanten mit Stickstofffehlstellen (NV) liegt die Fluoreszenzstrahlung in einem Wellenlängenbereich um 700 nm. Der Diamant muss dazu mit Anregungslicht optisch angeregt werden. Dies geschieht beispielsweise durch Einstrahlen von Laserlicht entsprechender Wellenlänge in der dritten Richtung R3. Das Anregungslicht ist in 4 und 5 mit 30 bezeichnet. Die Wellenlänge befindet sich im Beispiel des Diamanten mit Stickstofffehlstellen im grünen Bereich.By means of a third magnetic field generator, which in this embodiment has a third pair of Helmholtz coils 5 has, a static magnetic field B _{0, NV} is initially perpendicular to the first direction R1 and to the second direction R2 in a third direction R3 generated. This serves to separate the magnetic resonances of the color centers in different crystal directions. This is in 3 shown. The magnetic resonance shows up as spin-dependent fluorescence radiation. In the example of a diamond with nitrogen vacancies (NV), the fluorescence radiation is in a wavelength range around 700 nm. For this purpose, the diamond must be optically excited with excitation light. This is done, for example, by irradiating laser light of a corresponding wavelength in the third direction R3 . The excitation light is in 4th and 5 designated by 30. In the example of the diamond with nitrogen vacancies, the wavelength is in the green area.

Die Kernspins des zweiten Elements werden weiterhin durch Einstrahlen eines magnetischen Wechselfeldes B_AC,NV mit Mikrowellenfrequenz von etwa 2,87 GHz, also zwischen 2,85 und 2,89 GHz, in einer Richtung senkrecht zu B_0,NV, also senkrecht zur dritten Richtung R3 beeinflusst. Dies geschieht bevorzugt dadurch, dass das erste Helmholtz-Spulenpaar zur Erzeugung von B_0,NMR zusätzlich zu dem Gleichstrom mit einem Wechselstrom der Frequenz von ca. 2,87 GHz beaufschlagt wird.The nuclear spins of the second element continue to be radiated in a magnetic alternating field B _{AC, NV} with a microwave frequency of about 2.87 GHz, that is between 2.85 and 2.89 GHz, in a direction perpendicular to B _{0, NV} , that is, perpendicular to the third direction R3 influenced. This is preferably done in that the first pair of Helmholtz coils for generating B _{0, NMR is} acted upon by an alternating current with a frequency of approximately 2.87 GHz in addition to the direct current.

Trifft die Mikrowellenfrequenz die zum Spin der Farbzentren im Kristall 2 gehörige Larmorfrequenz, die eine andere ist als die Larmorfrequenz der Kernspins des zweiten Elements, dann nimmt die Fluoreszenzintensität ab. Durch Ermittlung der Frequenz minimaler Fluoreszenz lässt sich das lokale Magnetfeld im Diamant ermitteln. Da letzteres periodisch durch die kohärente Präzession der Kernspins des zweiten Elements verändert wird, lässt sich aus der Zeitreihe der Fluoreszenzintensität die Larmorfrequenz der Kernspins des zweiten Elements bestimmen und sich hieraus die rotatorische Orientierungsänderung des Systems mit einer Drehachse parallel zur ersten Richtung R1 bestimmen.If the microwave frequency meets the spin of the color centers in the crystal 2 corresponding Larmor frequency, which is different from the Larmor frequency of the nuclear spin of the second element, then the fluorescence intensity decreases. The local magnetic field in the diamond can be determined by determining the frequency of minimum fluorescence. Since the latter is changed periodically by the coherent precession of the nuclear spins of the second element, the Larmor frequency of the nuclear spins of the second element can be determined from the time series of the fluorescence intensity and from this the rotational change in orientation of the system with an axis of rotation parallel to the first direction can be determined R1 determine.

Die Fluoreszenzintensität lässt sich beispielsweise mittels einer optischen Anordnung wie in 5 bestimmen. Diese weist einen Anregungs-Laser 201 auf, mittels dessen Anregungslicht 30 auf den Kristall 2 eingestrahlt wird. Mittels eines dichroischen Strahlteilers 204 wird das Anregungslicht durchgelassen und mittels einer Sammellinse 203 auf den Kristall 2 fokussiert. Das vom Kristall 2 emittierte Fluoreszenzlicht 40 wird vom dichroischen Strahlteiler 204 reflektiert und auf einen Detektor 202 gerichtet, der die Intensität des Fluoreszenzlichtes 40 misst, wobei sichergestellt wird, dass kein Anregungslicht 30 auf den Detektor 202 fällt, sondern nur Fluoreszenzlicht 40.The fluorescence intensity can be determined, for example, by means of an optical arrangement as in FIG 5 determine. This has an excitation laser 201 on, by means of its excitation light 30th on the crystal 2 is irradiated. Using a dichroic beam splitter 204 the excitation light is let through and by means of a converging lens 203 on the crystal 2 focused. That of the crystal 2 emitted fluorescent light 40 becomes from the dichroic beam splitter 204 reflected and onto a detector 202 directed that the intensity of the fluorescent light 40 measures, ensuring that there is no excitation light 30th on the detector 202 falls, but only fluorescent light 40 .

Anstatt die magnetischen Resonanzen der 4 verschiedenen Kristall-Orientierungen der Farbzentren im Kristall 2 durch Anlegen des statischen Magnetfeldes in der dritten Richtung R3 im Frequenzraum aufzuspalten, kann auch ein Kristall 2 verwendet werden, bei dem die Farbzentren nahezu alle, mind. also 50% die gleiche kristallographische Orientierung haben. Der Kristall 2 ist dann so in die Dampfzelle 1 einzubauen, dass die zugehörige kristallographische Achse (Haupt-Kristallachse) senkrecht zu der ersten Richtung R1 und der zweiten Richtung R2 steht.Instead of the magnetic resonances of the 4 different crystal orientations of the color centers in the crystal 2 by applying the static magnetic field in the third direction R3 A crystal can also split up in the frequency domain 2 in which the color centers almost all, i.e. at least 50%, have the same crystallographic orientation. The crystal 2 is then like that in the steam cell 1 incorporate that the associated crystallographic axis (main crystal axis) perpendicular to the first direction R1 and the second direction R2 stands.

In einer weiteren möglichen Ausführungsform ist der Kristall 2 nicht in die Wand des Glashohlzylinders 13 integriert, sondern ist im Inneren dieses Hohlzylinders 13 platziert und z.B. über eine Glasfaser gehalten, die gasdicht zur Wand des Hohlzylinders 13 abschließt. Dadurch steht eine größere Fläche des Kristalls 2 mit dem spinpolarisierten Gas des zweiten Elements in Kontakt, wodurch der Messeffekt erhöht wird.In a further possible embodiment, the crystal is 2 not in the wall of the hollow glass cylinder 13th integrated, but is inside this hollow cylinder 13th placed and held, for example, via a glass fiber, which is gas-tight to the wall of the hollow cylinder 13th concludes. This means that there is a larger area of the crystal 2 with the spin-polarized gas of the second element in contact, whereby the measuring effect is increased.

Statt der Verwendung von Helmholtz-Spulen-Paaren können auch andere Spulenanordnungen in Betracht kommen ebenso wie die Verwendung von Permanentmagneten oder eine Mischung aus mehreren Varianten.Instead of using Helmholtz coil pairs, other coil arrangements can also be considered, as can the use of permanent magnets or a mixture of several variants.

Anstatt die magnetische Resonanz optisch zu detektieren, kann auch eine photoelektrische Detektion der magnetischen Resonanz der Farbzentren im Kristall 2 verwendet werden, um das mit der Larmorfrequenz der Kernspins des zweiten Elements zeitlich variierende Magnetfeld und damit die rotatorische Orientierungsänderung zu messen. Dazu wird anstelle der direkten Messung der Intensität des Fluoreszenzlichtes ein Fotostrom gemessen. Hierzu wird z.B. auf einer Seite des Kristalls eine Elektrodenstruktur bestehend aus Elektrode und Gegenelektrode wie z.B. in Form einer Interdigitalstruktur aus einem leitfähigen Material, z.B. Metall, aufgebracht. Bei Anlegen einer elektrischen Spannung fließt ein Fotostrom, wenn der Kristall 2 mit Anregungslicht angeregt wird. Wenn das gleichzeitig auf den Kristall wirkende Mikrowellenfeld eine magnetische Resonanz der Farbzentren trifft, dann bricht der Fotostrom ein. Aus der Messung des Fotostroms lässt sich damit die Resonanz und über das gyromagnetische Verhältnis der Farbzentren das magnetische Feld bestimmen.Instead of detecting the magnetic resonance optically, photoelectric detection of the magnetic resonance of the color centers in the crystal can also be used 2 can be used to measure the time-varying magnetic field with the Larmor frequency of the nuclear spins of the second element and thus the rotational change in orientation. For this purpose, instead of directly measuring the intensity of the fluorescent light, a photocurrent is measured. For this purpose, for example, an electrode structure consisting of an electrode and a counter electrode, such as in the form of an interdigital structure made of a conductive material, for example metal, is applied to one side of the crystal. When an electrical voltage is applied, a photocurrent flows when the crystal 2 is excited with excitation light. When the microwave field simultaneously acting on the crystal hits a magnetic resonance of the color centers, the photocurrent collapses. The resonance can be determined from the measurement of the photocurrent and the magnetic field can be determined via the gyromagnetic ratio of the color centers.

Die Dampfzelle muss nicht wie in 1 bis 4 zylindersymmetrisch sein, sondern kann auch eine sphärische oder ellipsoide oder andere Form haben. Es können auch Mischungen verschiedener Geometrien vorliegen.The steam cell does not have to be like in 1 until 4th be cylindrically symmetrical, but can also have a spherical or ellipsoidal or other shape. Mixtures of different geometries can also be present.

Die Innenflächen der Glaskörper können mit einer Spin-Antirelaxations-Schicht wie z.B. Oktadecyltrichlorsilan beschichtet sein, um eine möglichst starke Spin-Polarisation der Alkaliatome und Edelgaskerne zu erhalten. Unter der Spin-Antirelaxations-Schicht kann eine Diffusionsbarriere wie z.B. Al₂O₃ auf die Glaskörper aufgebracht sein, um eine Diffusion der Alkali-Atome in die Glaskörper zu verhindern.The inner surfaces of the glass body can be coated with a spin anti-relaxation layer such as octadecyltrichlorosilane in order to obtain the strongest possible spin polarization of the alkali atoms and noble gas nuclei. _{A diffusion barrier such as Al 2} O ₃ can be applied to the glass body under the spin anti-relaxation layer in order to prevent diffusion of the alkali atoms into the glass body.

Um die Dampfzelle auf eine Temperatur von ca. 95°C bis 105°C zu bringen, die erforderlich ist für einen hinreichend hohen Alkali-Dampfdruck, kann die Heizung dadurch erfolgen, dass in die Glaskörperwände lokal lichtabsorbierendes Material wie z.B. Metall-Nano-Partikel, eingefügt werden und die Glaskörper durch Einstrahlen von Licht wie z.B. Laserlicht auf diese Bereiche beheizt werden. Alternativ kann die Heizung durch ein Liquid erfolgen, das die Dampfzelle von außen umspült bzw. in nicht-magnetischen Leitungen an diese geführt wird. Die Heizung kann alternativ auch durch Anströmen mit beheizter Luft erfolgen.In order to bring the steam cell to a temperature of approx. 95 ° C to 105 ° C, which is necessary for a sufficiently high alkali vapor pressure, heating can be carried out by placing light-absorbing material such as metal nano-particles locally in the glass body walls , and the glass bodies are heated by irradiating light such as laser light onto these areas. Alternatively, the heating can be done by a liquid that washes around the steam cell from the outside or is fed to it in non-magnetic lines. Alternatively, the heating can also take place by means of a flow of heated air.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant was generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

• US 7282910 B1 [0007]US 7282910 B1 [0007]
• US 9689679 B2 [0008]US 9689679 B2 [0008]

Claims (10)

Verfahren zur Ermittlung einer Änderung einer rotatorischen Orientierung im Raum eines NMR-Gyroskops (100) aufweisend eine Dampfzelle (1), die ein Gemisch aus wenigstens einem gasförmigen ersten Element und wenigstens einem gasförmigen zweiten Element mit nicht verschwindendem Kernspin enthält, umfassend die Schritte: - Polarisieren von Elektronenspins des ersten Elements in einer ersten Richtung (R1), sodass durch eine starke Elektron-Kernspin-Wechselwirkung zwischen dem ersten Element und dem zweiten Element die Kernspins des zweiten Elements parallel zu den Elektronenspins des ersten Elements polarisiert werden; - Anlegen eines statischen Magnetfeldes in der ersten Richtung (R1), sodass die Kernspins des zweiten Elements mit einer ersten vom statischen Magnetfeld abhängigen Larmorfrequenz um das statische Magnetfeld präzidieren; - Anlegen eines Magnetwechselfeldes in einer zweiten Richtung (R2) senkrecht zur ersten Richtung (R1), wobei das Magnetwechselfeld eine Frequenz aufweist, die der Larmorfrequenz der Larmorpräzession der Kernspins des zweiten Elements um das statische Magnetfeld entspricht, sodass die Larmorpräzession der Kernspins des zweiten Elements innerhalb der Dampfzelle gleichphasig wird; - Messen der Larmorfrequenz der Kernspins des zweiten Elements mittels eines auf Farbzentren in einem Kristall (2) basierenden Magnetfeldsensors; - Bestimmen einer rotatorischen Orientierungsänderung der Dampfzelle (1) mit einer Drehachse parallel zur ersten Richtung (R1) aus der Larmorfrequenz der Kernspins des zweiten Elements. A method for determining a change in a rotational orientation in space of an NMR gyroscope (100) having a vapor cell (1) which contains a mixture of at least one gaseous first element and at least one gaseous second element with non-vanishing nuclear spin, comprising the steps: - Polarizing electron spins of the first element in a first direction (R1), so that the nuclear spins of the second element are polarized parallel to the electron spins of the first element by a strong electron-nuclear spin interaction between the first element and the second element; - applying a static magnetic field in the first direction (R1), so that the nuclear spins of the second element precess around the static magnetic field with a first Larmor frequency that is dependent on the static magnetic field; - Application of an alternating magnetic field in a second direction (R2) perpendicular to the first direction (R1), the alternating magnetic field having a frequency which corresponds to the Larmor frequency of the Larmor precession of the nuclear spin of the second element around the static magnetic field, so that the Larmor precession of the nuclear spin of the second element becomes in-phase within the vapor cell; - Measuring the Larmor frequency of the nuclear spins of the second element by means of a magnetic field sensor based on color centers in a crystal (2); - Determination of a rotational change in orientation of the steam cell (1) with an axis of rotation parallel to the first direction (R1) from the Larmor frequency of the nuclear spins of the second element. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Messen der Larmorfrequenz der Kernspins des zweiten Elements mittels des auf Farbzentren in einem Kristall (2) basierenden Magnetfeldsensors folgendes umfasst: - Separieren von magnetischen Resonanzen der Farbzentren des Kristalls (2) in verschiedene Kristallrichtungen, wobei eine der Kristallrichtungen bevorzugt mit der ersten Richtung (R1) übereinstimmt und eine weitere der Kristallrichtungen besonders bevorzugt mit der zweiten Richtung (R2) übereinstimmt; - Anregen des Kristalls (2) durch Anregungslicht (30) in einer dritten Richtung (R3) senkrecht zur ersten Richtung (R1) und senkrecht zur zweiten Richtung (R2); - Einstrahlen eines magnetischen Wechselfeldes mit Mikrowellenfrequenz auf den Kristall (2) in einer Richtung senkrecht zur dritten Richtung (R3), bevorzugt durch Modulation des statischen Magnetfeldes in der ersten Richtung (R1); - Bestimmen der Mikrowellenfrequenz, bei der eine spinabhängige Fluoreszenzstrahlung (40) minimal wird.Procedure according to Claim 1 , wherein the measurement of the Larmor frequency of the nuclear spins of the second element by means of the magnetic field sensor based on color centers in a crystal (2) comprises the following: - Separation of magnetic resonances of the color centers of the crystal (2) in different crystal directions, one of the crystal directions preferably with the first Direction (R1) coincides and a further one of the crystal directions particularly preferably coincides with the second direction (R2); - Excitation of the crystal (2) by excitation light (30) in a third direction (R3) perpendicular to the first direction (R1) and perpendicular to the second direction (R2); - Radiation of a magnetic alternating field with microwave frequency onto the crystal (2) in a direction perpendicular to the third direction (R3), preferably by modulating the static magnetic field in the first direction (R1); - Determining the microwave frequency at which a spin-dependent fluorescence radiation (40) is minimal. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Separieren von magnetischen Resonanzen der Farbzentren des Kristalls (2) in verschiedene Kristallrichtungen das Anlegen eines zweiten statischen Magnetfeldes in einer dritten Richtung (R3) senkrecht zur ersten Richtung (R1) und senkrecht zur zweiten Richtung (R2) an den Kristall (2) umfasst.Procedure according to Claim 2 , whereby the separation of magnetic resonances of the color centers of the crystal (2) in different crystal directions the application of a second static magnetic field in a third direction (R3) perpendicular to the first direction (R1) and perpendicular to the second direction (R2) to the crystal (2 ) includes. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei das Separieren von magnetischen Resonanzen der Farbzentren des Kristalls (2) in verschiedene Kristallrichtungen das Bereitstellen des Kristalls (2) als Kristall (2), bei dem wenigstens 50% der Farbzentren eine gleiche kristallographische Orientierung mit einer Haupt-Kristallachse haben, wobei der Kristall (2) mit dieser Haupt-Kristallachse in der dritten Richtung (R3) senkrecht zur ersten Richtung (R1) und senkrecht zur zweiten Richtung (R2) angeordnet wird, umfasst.Procedure according to Claim 2 or 3 , the separation of magnetic resonances of the color centers of the crystal (2) in different crystal directions providing the crystal (2) as a crystal (2) in which at least 50% of the color centers have the same crystallographic orientation with a main crystal axis, the Crystal (2) is arranged with this main crystal axis in the third direction (R3) perpendicular to the first direction (R1) and perpendicular to the second direction (R2). Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei das Bestimmen der Mikrowellenfrequenz, bei der eine spinabhängige Fluoreszenzstrahlung minimal wird, durch das Erfassen der Intensität der Fluoreszenzstrahlung mittels eines Detektors (202) und/oder durch das Messen eines Fotostroms im Kristall (2) erfolgt.Method according to one of the Claims 2 until 4th , wherein the determination of the microwave frequency at which a spin-dependent fluorescence radiation becomes minimal is carried out by detecting the intensity of the fluorescence radiation by means of a detector (202) and / or by measuring a photocurrent in the crystal (2). Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Dampfzelle (1) auf eine Temperatur zwischen 95 °C und 125 °C gebracht wird.Method according to one of the preceding claims, wherein the steam cell (1) is brought to a temperature between 95 ° C and 125 ° C. NMR-Gyroskop (100) zur Ermittlung einer Änderung einer rotatorischen Orientierung aufweisend eine Dampfzelle (1), die ein Gemisch aus wenigstens einem gasförmigem ersten Element und wenigstens einem gasförmigen zweiten Element mit nicht verschwindendem Kernspin enthält, das folgendes aufweist: - einen Pump-Laser, der dazu eingerichtet ist, das erste Element in einer ersten Richtung (R1) mittels eines Pump-Laserstrahls (30) zu polarisieren, sodass durch eine starke Elektron-Kernspin-Wechselwirkung zwischen dem ersten Element und dem zweiten Element die Kernspins des zweiten Elements parallel zu den Elektronenspins des ersten Elements polarisiert werden; - einen ersten Magnetfeldgenerator, der dazu eingerichtet ist, ein statisches Magnetfeld in der ersten Richtung (R1) anzulegen, sodass die Kernspins des zweiten Elements mit einer ersten vom statischen Magnetfeld abhängigen Larmorfrequenz um das statische Magnetfeld präzedieren; - einen zweiten Magnetfeldgenerator, der dazu eingerichtet ist, ein Magnetwechselfeld in einer zweiten Richtung (R2) senkrecht zur ersten Richtung (R1) anzulegen, wobei das Magnetwechselfeld eine Frequenz aufweist, die der Larmorfrequenz der Larmorpräzession der Kernspins des zweiten Elements um das statische Magnetfeld entspricht, sodass die Larmorpräzession der Kernspins des zweiten Elements innerhalb der Dampfzelle (1) gleichphasig wird; - einen auf Farbzentren in einem Kristall (2) basierenden Magnetfeldsensor; - eine Messeinrichtung, die dazu eingerichtet ist, die Larmorfrequenz der Kernspins des zweiten Elements mittels des Magnetfeldsensors zu messen; - eine Auswerteeinrichtung, die dazu eingerichtet ist, eine rotatorische Orientierungsänderung der Dampfzelle (1) mit einer Drehachse parallel zur ersten Richtung (R1) aus der Larmorfrequenz der Kernspins des zweiten Elements zu bestimmen.NMR gyroscope (100) for determining a change in a rotational orientation having a vapor cell (1) which contains a mixture of at least one gaseous first element and at least one gaseous second element with non-vanishing nuclear spin, which has the following: a pump laser , which is set up to polarize the first element in a first direction (R1) by means of a pump laser beam (30), so that the nuclear spins of the second element are parallel due to a strong electron-nuclear spin interaction between the first element and the second element polarized to the electron spins of the first element; - A first magnetic field generator which is set up to apply a static magnetic field in the first direction (R1) so that the nuclear spins of the second element precess around the static magnetic field with a first Larmor frequency that is dependent on the static magnetic field; - A second magnetic field generator which is set up to apply an alternating magnetic field in a second direction (R2) perpendicular to the first direction (R1), the alternating magnetic field having a frequency that corresponds to the Larmor frequency Larmor precession corresponds to the nuclear spins of the second element around the static magnetic field, so that the Larmor precession of the nuclear spins of the second element becomes in-phase within the vapor cell (1); - A magnetic field sensor based on color centers in a crystal (2); a measuring device which is set up to measure the Larmor frequency of the nuclear spins of the second element by means of the magnetic field sensor; - An evaluation device which is set up to determine a rotational change in orientation of the steam cell (1) with an axis of rotation parallel to the first direction (R1) from the Larmor frequency of the nuclear spins of the second element. NMR-Gyroskop (100) nach Anspruch 7, wobei die Messeinrichtung folgendes aufweist: - einen dritten Magnetfeldgenerator, der dazu eingerichtet ist, ein zweites statisches Magnetfeld in einer dritten Richtung (R3) senkrecht zur ersten Richtung (R1) und senkrecht zur zweiten Richtung (R2) an dem Diamanten anzulegen, sodass magnetische Resonanzen der Farbzentren des Kristalls (2) in verschiedene Kristallrichtungen separiert werden, und/oder einen Kristall (2), bei dem wenigstens 50% der Farbzentren eine gleiche kristallographische Orientierung mit einer Haupt-Kristallachse haben, wobei der Kristall (2) mit dieser Haupt-Kristallachse in der dritten Richtung (R3) senkrecht zur ersten Richtung (R1) und senkrecht zur zweiten Richtung (R2) angeordnet ist; - eine Anregungslichtquelle (201), die dazu eingerichtet ist, den Kristall (2) durch Anregungslicht in der dritten Richtung (R3) anzuregen, so dass eine spinabhängige Fluoreszenzstrahlung vom Diamanten emittiert wird; - einen Mikrowellenfrequenzgenerator, der dazu eingerichtet ist, ein magnetisches Wechselfeld mit Mikrowellenfrequenz auf den Kristall (2) in einer Richtung senkrecht zur dritten Richtung (R3), bevorzugt durch Modulation des statischen Magnetfeldes in der ersten Richtung (R1) einzustrahlen; - eine Bestimmungseinrichtung, die dazu eingerichtet ist, die Mikrowellenfrequenz zu bestimmen, bei der die spinabhängige Fluoreszenzstrahlung (40) minimal wird, und daraus die Larmorfrequenz der Kernspins des zweiten Elements zu ermitteln.NMR gyroscope (100) according to Claim 7 , wherein the measuring device comprises: - a third magnetic field generator, which is set up to apply a second static magnetic field in a third direction (R3) perpendicular to the first direction (R1) and perpendicular to the second direction (R2) on the diamond, so that magnetic Resonances of the color centers of the crystal (2) are separated into different crystal directions, and / or a crystal (2) in which at least 50% of the color centers have the same crystallographic orientation with a main crystal axis, the crystal (2) with this main Crystal axis is arranged in the third direction (R3) perpendicular to the first direction (R1) and perpendicular to the second direction (R2); - An excitation light source (201) which is set up to excite the crystal (2) by excitation light in the third direction (R3), so that a spin-dependent fluorescence radiation is emitted by the diamond; - A microwave frequency generator which is set up to radiate an alternating magnetic field with microwave frequency onto the crystal (2) in a direction perpendicular to the third direction (R3), preferably by modulating the static magnetic field in the first direction (R1); - A determination device which is set up to determine the microwave frequency at which the spin-dependent fluorescence radiation (40) is minimal, and to determine the Larmor frequency of the nuclear spins of the second element therefrom. NMR-Gyroskop (100) nach einem der Ansprüche 7 oder 8, wobei die Bestimmungseinrichtung einen Detektor (202), der dazu eingerichtet ist, eine Intensität der Fluoreszenzstrahlung (40) zu erfassen, und/oder einen Fotostromdetektor auf dem Kristall (2) aufweist.NMR gyroscope (100) according to one of the Claims 7 or 8th wherein the determination device has a detector (202) which is set up to detect an intensity of the fluorescence radiation (40) and / or a photocurrent detector on the crystal (2). NMR-Gyroskop (100) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei das erste Element ein Alkalimetall ist, bevorzugt Rubidium oder Cäsium, und/oder wobei das zweite Element ein Edelgas, bevorzugt Xenon, Helium, Krypton oder Neon oder ein Edelgasgemisch ist, bevorzugt enthaltend Xe-129 und Xe-131.NMR gyroscope (100) according to one of the Claims 7 until 9 , wherein the first element is an alkali metal, preferably rubidium or cesium, and / or wherein the second element is a noble gas, preferably xenon, helium, krypton or neon or a noble gas mixture, preferably containing Xe-129 and Xe-131.

Images