Большая Советская Энциклопедия (цитаты)

Квантовый гироскоп

Квантовый гироскоп (далее К) прибор, позволяющий обнаруживать вращение тела и определять его угловую скорость, основанный на гироскопических свойствах электронов, ядер или фотонов.

  Лазерный (оптический) гироскоп. Датчиком оптического гироскопа служит кольцевой лазер, генерирующий две бегущие навстречу друг другу световые волны, которые распространяются по общему световому каналу в виде узких монохроматических световых пучков. Резонатор кольцевого лазера (рис. 1) состоит из трех (или больше) зеркал 1, 2, 3, смонтированных на жестком основании и образующих замкнутую систему. Часть света проходит через полупрозрачное зеркало 3 и попадает на фотодетектор 5. Длина волны, генерируемая кольцевым лазером (в пределах ширины спектральной линии рабочего вещества), определяется условием, согласно которому бегущая волна, обойдя контур резонатора, должна прийти в исходную точку с той же фазой, которую имела вначале. Если прибор неподвижен, то это имеет место, когда в периметре Р контура укладывается целое число n длин волн l0, т. е. Р = nl0. В этом случае лазер генерирует 2 встречные волны, частоты которых одинаковы и равны:

n0 = c/l0 = cn/,

(с — скорость света).

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

.

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

,

где = /2p, а k = . Например, для квадратного К (см. Газовый лазер) со стороной 25 см l0 = 6×10–5 см, откуда k = 2,5×106. При этом суточное вращение Земли, происходящее с угловой скоростью = 15 град/ч, на широте J = 60° должно приводить к частоте биений Dn = 15 гц. Если ось К направить на Солнце, то, измеряя частоту биений и считая угловую скорость вращения Земли известной, можно с точностью до долей град определить широту J места, на которой расположен К

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

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

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

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

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

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

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

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

  Г. В. Скроцкий.



Для поиска, наберите искомое слово (или его часть) в поле поиска


Новости 28.09.2022 23:04:48