Квантовий гіроскоп
 
а б в г д е ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ъ ы ь э ю я
 

Квантовий гіроскоп

Квантовий гіроскоп, прилад, що дозволяє виявляти обертання тіла і визначати його кутову швидкість, заснований на гіроскопічних властивостях електронів, атомних ядер або фотонів.

  Лазерний (оптичний) гіроскоп. Датчиком оптичного гіроскопа служить кільце лазер, що генерує дві світлові хвилі, що біжать назустріч один одному, які поширюються по загальному світловому каналу у вигляді вузьких монохроматичних світлових пучків. Резонатор кільцевого лазера ( мал. 1 ) складається з трьох (або більше) дзеркал 1 , 2 , 3 , змонтованих на жорсткій підставі і створюючих замкнуту систему. Частина світу проходить через напівпрозоре дзеркало 3 і потрапляє на фотодетектор 5 . Довжина хвилі, що генерується кільцевим лазером (в межах ширини спектральної лінії робочої речовини) визначається умовою, згідно з якою хвиля, що біжить, обійшовши контур резонатора, повинна прийти у вихідну точку з тією ж фазою, яку мала спочатку. Якщо прилад нерухомий, то це має місце, коли в периметрі Р контура укладається ціле число n довжин хвиль l 0 , тобто Р = nl 0 . В цьому випадку лазер генерує 2 зустрічних хвилі, частоти якої однакові і рівні:

загрузка...

n 0 = c/l 0 = cn/p,

( з — швидкість світла).

  Якщо ж весь прилад обертається з кутовою швидкістю W довкола напряму, що становить кут J з перпендикуляром до його плоскості ( мал. 2 ), то за час обходу хвилею контура останній встигне обернутися на деякий кут. Залежно від напряму поширення хвилі дорога, прохідна нею до поєднання фази, буде більше або менше Р (див. Доплера ефект ). В результаті цього частоти зустрічних хвиль стають неоднаковими. Можна показати, що ці частоти n і n + не залежать від форми контура і пов'язані з частотою W обертання приладу співвідношенням:

.

  Здесь S — площа, що охоплюється контуром резонатора. Фотодетектор, чутливий до інтенсивності світла, в цьому випадку зареєструє биття з різницевою частотою:

,

де F = W/2p, а до = . Наприклад, для квадратного неонового для гелію До. р. (див. Газовий лазер ) із стороною 25 см l 0 = 6×10 –5 см , звідки до = 2,5×10 6 . При цьому добове обертання Землі, W, що відбувається з кутовою швидкістю = 15 град / ч , на широті J = 60° повинне приводити до частоти биття Dn = 15 гц . Якщо вісь До. р. направити на Сонці, то, вимірюючи частоту биття і вважаючи кутову швидкість W обертання Землі відомою, можна з точністю до доль град визначити широту J місця, на якій розташований До. р.

  Інтеграція кутової швидкості тіла, що обертається, за часом (яке може виконуватися автоматично) дозволяє визначити кут повороту, як функцію часу. Межа чутливості оптичних До. р. теоретично визначається спонтанним випромінюванням атомів активного середовища лазера. Якщо частоті биття Dn = 1 гц відповідає кут повороту в 1 град / ч , то межа точності До. р. рівний 10 –3 град / ч . У існуючих оптичних До. р. ця межа ще далеко не досягнута.

  Ядерні і електронні гіроскопи. У ядерних До. р. використовуються речовини з ядерним парамагнетизмом (вода, органічні рідини, газоподібний гелій, пари ртуті). Атоми або молекули таких речовин в основному (незбудженому) стані володіють моментами кількості руху, обумовленими лише спинами ядер (електронні ж моменти спинів у них компенсуються, тобто всі електрони спарені). Із спинами ядер пов'язані їх магнітні моменти. Якщо орієнтувати магнітні моменти ядер, наприклад за допомогою зовнішнього магнітного поля, а потім орієнтуюче поле вимкнути, то у відсутність ін. магнітних полів (наприклад, земного) виниклий сумарний магнітний момент М-коду деякий час зберігатиме свій напрям в просторі, незалежно від зміни орієнтації датчика. Такий статичний До. р. дозволяє визначити зміну положення тіла, пов'язаного з датчиком гіроскопа.

  Т. до. величина моменту М-коду поступово убуватиме завдяки релаксації, те для До. р. вибирають речовини з великими часом релаксації, наприклад деякі органічні рідини, для яких час релаксації t складає декілька мін , рідкий 3 He (близько 1 ч ) або розчин рідкого 3 He (10—3%) в 4 He (близько року).

  В До. р., що працює по методу ядерної індукції, обертання з кутовою швидкістю W датчика До. р., який містить ядра з орієнтованими магнітними моментами, еквівалентно дії на ядра магнітного поля з напруженістю Н = W/g я , де g я гіромагнітне відношення для ядер. Прецессия магнітних моментів ядер довкола напряму поля Н приводить до появи змінної едс(електрорушійна сила) в котушці L , що охоплює робочу речовину До. р. ( мал. 3 ). Визначення частоти W обертання тіла, пов'язаного з датчиком До. р., зводиться до виміру частоти електричного сигналу, яка пропорційна W (див. Ядерний магнітний резонанс ).

  В динамічному ядерному гіроскопі сумарний ядерний магнітний момент М-коду датчика процесує довкола постійного магнітного поля Н , жорстко пов'язаного з пристроєм. Обертання датчика разом з полем Н з кутовою швидкістю W приводить до зміни частоти прецессиі магнітного моменту М-коду , приблизно рівному проекції вектора W на Н . Ця зміна реєструється у вигляді електричного сигналу. Для здобуття високої чутливості і точності в цих приладах потрібна висока стабільність і однорідність магнітного поля Н . Наприклад, для виявлення зміни частоти прецессиі, викликаної добовим обертанням Землі, необхідно, щоб D Н/Н £ 10 –9 . Для екранування приладу від дії зовнішніх магнітних полів застосовуються надпровідники (див. Надпровідність ). Наприклад, якщо поворот датчика обумовлений добовим обертанням Землі, то залишкове поле в екрані не повинне перевищувати 3×10 –9 е .

  Електронні До. р. аналогічні ядерним, але в них застосовуються речовини, атоми або молекули яких містять неспарені електрони (наприклад, стійкі вільні радикали, атоми лужних металів). Хоча часи релаксації електронних спинів малі, електронні До. р. перспективні, оскільки гіромагнітне відношення g ел для електронів в сотні разів більше, ніж для ядер, і, отже, вище частота прецессиі, що важливе для багатьох вживань.

  Не дивлячись на те що До. р., особливо оптичні, безперервно удосконалюються, їх точність і чутливість ще поступаються кращим зразкам механічних гіроскопів . Проте До. р. володіють рядом істотних переваг перед механічними гіроскопами: вони не містять рухомих частин (безінерційні), не вимагають аретирування, володіють високою надійністю і стабільністю, приводяться в дію протягом короткого проміжку часу, можуть витримати значні прискорення і працювати при низьких температурах. Деякі типи До. р. вже застосовуються не лише як високочутливі індикатори обертання, орієнтатори і гірометри, але і як гірокомпаси, гиробуссолі і секстанти.

  Літ.: Привалів Ст Е., Фрідріхов С. А., Кільцевий газовий лазер, «Успіхи фізичних наук», 1969, т. 97, ст 3, с. 377; Помаранч Н. М., Ськроцкий Р. Ст, Фізичні основи квантовою гироськопії, там же, 1970, т. 100, ст 3, с. 361.

  Р. Ст Ськроцкий.

Мал. 2 до ст. Квантовий гіроскоп.

Мал. 1. Схема лазерного гіроскопа: 1, 2, 4 — непрозорі дзеркала; 3 — напівпрозоре дзеркало; 5 — фотодетектор.

Мал. 3. Схематичне зображення ядерного позиційного гіроскопа: М-код — сумарний магнітний момент речовини; СП(Збори постанов)Э — надпровідний магнітний екран; L 1 , L 2 — котушки індуктивності.