Способ измерения вращения

 

" XXA%

О Il И С А Н И* Е ()gzszsa

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советских

Социалистииеских

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 01,06.70(21) 1444524И6-25 (51) М. Кл. (= 01п 27/78 с присоединением заявки №

Государственный ионитет

Совета Министров СССР оо делан изобретений и открытий (23) Приоритет(43) Опубликовано 15.05.74Бюллетень № 18 (53) УДК 538,113 (088.8) (45) Дата опубликования описания 24.12.75

Б. Ф. Алексеев, А. М. Белоногов, А. Г. Граммаков, B. М, Кривцов, А, С. Сердюк и Б. Е. Соботковский (72) Авторы изобретения (7)) Заявитель Ленинт Радский оРдена Ленина электРотехнический инститУт им. В. И. Ульянова (./)енина) (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВРАШЕНИЯ

Изобретение относится к области использования явления ядерного магнитного резо,нанса (ЯМР) в гироскопии и может быть реализовано в системах автономной навигации. Ядерные гидротахометры (ЯГ), основанные на явлении ядерного магнитного резонанса (ЯМР) обладают, как показывают расчеты, предельной чувствительностью, -6 -8 -1 равнои 1 - - 10 сек . В этих устройствах объекты в инерциальном пространстве фиксируются путем регистрации изменений дисперсионного сигнала ЯМР или поглощаемой ядрами мощности радиочастотного магнитного поля, возбуждающего вынужденную ядерную прецессию.

Трудность применения ЯГ состоит в том, что изменение напряженности магнитного поля на величину оН приводит к такому же, изменению поглощаемой ядрами мошйости (изменению сигнала дисперсии ЯМР), что и вращение вокруг направления поля с угловой скоростью 2

t

jrne т „ — гиромагнитное отношение ядер. I 25

Известные способы уменьшении влияния нестабильности внешнего постоянного матнитного поля на работу ЯГ заключаются в суперстабилизации поля и (или) в представлении малых вариаций поля неизвестным эквивалентом угловой скорости и исключении этой составляющей из выходного сигнала ЯГ техническими средствами (электронными или электромеханическими), что зна.чительно усложняет аппаратуру.

Для уменьшения влияния малых вариаций внешнего магнитного поля на работу

ЯГ и повышения чувствительности измерений предлагается способ, по которому в качестве рабочего вещества применяют пара- магнитный образец, содержащий рабочие ядра; динамически поляризуют рабочие ядра, насьпцая электронные переходы на частоте, отличной от резонансной для выбранного значения напряженности магнитно» го поля, а напряженность магнитного поля, выбирают соответствующей середине образовавшегося квазиплоского участка результирующего сигнала поглощения или дисперсии ядерного магнитного резонанса.

428268

Используется физический эффект искажения сигнала поглощения ЯМР при эффекте Оверхаузера и сдвига при некоторых условиях максимума этого сигнапа или искажения сигнала дисперсии, вследствие 5 чего упомянутая эквивалентность (1) врашения и изменения магнитного поля нарушается.

На чертеже даны диаграммы, иллюстрирующие описываемый способ (с использо- Ю ванием сигнала абсорбции).

На чертеже обозначено:

Н вЂ” напряженность магнитного поля; (Н) — форм-функция сигнала . абсорбции "обычного (без эффекта Оверхаузера) 15

ЯМР;

К (H) - форма коэффициента усиления сигнала ЯМР за счет эффекта Оверхаузвра (функции )(Н) и К (Н) на чертеже показаны отнесенными к их максимальным 20 значениям);

Ф = ) (Н) К (Н) — форма сигнала абсорбции ЯМР при эффекте Оверхаузера в зависимости от магнитного поля;

Н = » и — значение магнитного поля, 0n ), при котором в отсутствие врашения наблюдается максимум сигнала абсорбции

"обь»чного" ЯМР при постоянной частоте

Ш возбуждения ядерных переходов;

П е — значение магнитного поля, 1е при котором наблюдается максимум сигнала абсорбции электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) (максимум коэффициента усиления К (H) при постоянной частоте Ыв накачки электронных переходов; — электронное гидромагнитное отноше- ние; е П 40 ан=н -H

oe on У

Q рабочая точка ЯГ, выбираемая при значении магнитного поля, соответствующем максимуму кривой 0 (Н) К (Н);

Я 45 »1 Ц I= l — l — изменение магнитного по »» ля для "обычного ЯМР, эквивалентное вра»пению системы с угловой скоростью

9. вокруг направления поля H.

Известно, что форма сигнала абсорб50 ции ЯМР при эффекте Оверхаузера опреде ляется произведением функции (Н), описывающей форму сигнала абсорбции

"обычного"ЯМР, и коэффициента усиления

К (Н), совпадаюи»его по форме о насьпценной линией ЭПР»»III»,если частота накачки

; ЭПР не равна резо»»ан:»»ой частоте электронных спинов в магнитном поле Н, в

on, которолл няблюдается максил»ум сигнала «! 60 абсорбции "обычного" ЯМР, то максимум коэффициента усиления наблюдается в поле значения поля Н оп

" и

Н, отличаюшемся от ое

4>в на величинуаН— е

Форма получаемого таким образом сигналя абсорбпии ЯМР при эффекте Оверхаузера, определяемая произведением )(H) К (Н ), в зависимости от магнитного поля искажается по сравнению с формой сигнала »l(H)

"обычного ЯМР; максимум сигнала Il (Н)

К (Н) смешается в сторону поля Н, а ое вблизи максимума возможно образование

"квазиплоского" участка. Очевидно, что описываемые эффекты наиболее заметны в тех случаях, когда функции g(H) и K(H), измеренные в единицах иагнитного поля, сравнимы между собой по ширине.

На чертеже форма наблюдаемого сигнала абсорбции ЯМР при эффекте Оверхаузера изображена только для случая, когда п

) H (» е )еН = е ). При ое on е on e

Н (Н и одинаковых Й H возможнь»е ое on эффекты искажения по сравнению с рассмотренными Bb»»»lå будут сил»метричными относительно значения поля Н оп

При отсутствии врашения системы (= О, диаграмма а) рабочее поле Н

ЯГ устанавливают соответствуюшим максимуму функции СР (максимуму искаженного описанным способом сигнала абсорбции)

ЯМР при эффекте Оверхаузера) или, если имеется заметный "квазиплоский" участок, соответствующим середине "квазиплоского участка. При таком выборе рабочего поля крутизна (т. е. первая производная) сигнала абсорбции ЯМР при эффекте Оверхаузера к изменениям магнитного поля равна нулю, так что малые вариации поля в окрестности Н не приводят к изменению поглощаемой Хдрами высокочастотной мощности, определяемой произведением $ (H ) р

К(11 ), следовательно, ЯГ становится нечувРтвительным к малым нестабильностям рабочего магнитного поля.

Вращение объекта, несущего ЯГ, в рассматриваемом случае не является эквивалентом вариации магнитного поля и может быть измерено с высокой точностью. Действительно, . если Я > () ((— единичный орт вдоль направления поля H ), р то частота поляризованной по кругу компоненты В»1-ноля, индуцирующей ядерные переходы, становится равной Я + Ы и, и) 428268

5 максимум сигнала абсорбции обычного

ЯМР смещается в сторону большего знаЯ чения поля на величину $ 4 Н = п как это качественно изображено на черт же (диаграмма 5 ), Положение коэффициента усиления К(Н) на оси магнитного поля при этом практически не изменяется, так как эквивалентное вращению изменение магнитного поля Щ = — для линии

Я е- Уе

ЭПР пренебрежимо мало, поскольку ® (обычно 10 ). Следователь3 е и но, сигнал абсорбции ЯМР при эффекте

Оверхаузера в случае Я ) 0 определяется функцией 9 (Н - $ Н) К(Н ) и возр р растает по сравнению со случаем покоя

Ф системы Р 5L = О.

Подобным образом можно показать, что при (2(0 сигнал абсорбции ЯМР при эффекте Оверхаузера уменьшается (диаграмма b ) и определяется произведением

g (H + 6 Н) К(Н ). В первом случае р р ((2) Q ) поглощаемая ядерной спин-системой из катушки спин-детектора ЯМР высокочастотная мощность увеличивается по сравнению со случаем (И. = О, во втором (ф Я. (О) - уменьшается. Другими словами, крутизна сигнала абсорбции

ЯМР к угловым скоростям вращения при эффекте Оверхаузера и указанном выше выборе рабочего поля не равна нулю.

Величина и знак изменения поглощаемой ядрами мощности, обусловленного вращением, жестко связаны с величиной и и знаком скорости вращения объекта в инерциальном пространстве, что и используется в рассматриваемых ЯГ для регистрации указанной скорости, Аналогичные рассуждения справедливы и при использовании сигнала дисперсии, в этом случае рабочая точка выбирается посредине более протяженного "квазипло1 ского" участка кривой сигнала ЯМР.

Теоретическое исследование предлага емого способа показывают, что при ис .пользовании, например, в качестве рабочего образца жидкого раствора натрия в аммиаке чувствительность абсорбционного ЯГ к малым нестабильностям магнитного поля примерно в 50-100 раз меньше, чем к эквивалентным им согласно со отношению (1) угловым скоростям вращещ ния. Если вращение объекта лежит вблизи порога чувствительности ЯГ, то влияние эквивалентной в обычном ЯМР вариации

) поля практически полностью исключается.

Предлагаемый способ позволяет не

15 только решить задачу исключения влияния нестабильностей магнитного поля на работу ЯГ, но и значительно повышает его чувствительность за счет усиления ядерной поляризации.

Предмет изобретения

Способ измерения вращения, основанный на явлении ядерного магнитного резонанса, заключающийся в регистрации пропорционального скорости вращения ухода частоты прецессии магнитных моментов атомных ядер рабочего вещества во внеш30 нем магнитном поле, о т л и ч а ю ш и AJ с я тем, что, с целью уменьшения влияния малых вариаций внешнего магнитного поля и повышения чувствительности измерений, в качестве рабочего вещества применяют парамагнитный образец, оодержащий рабочие ядра; динамически поляризуют рабочие ядра, насыщая электродные переходы на частоте, отличной от резонансной для выбранного значения напряженности магнитного поля, а напряженность магнитного поля выбирают соответствующей середине образовавшегося

"квазиплоского участка результирующего

45 сигнала поглощения или дисперсии ядерного магнитного резонанса.

428268

+on Нр +gg

Заказ g Я

Предприятие сПатент», Москва, Г-59, Бережковская наб., 24

Изд. Щ Я Тираж

Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

Москва, 113035, Раушская наб., 4