Кв а нтов гіроск про п, прилад, що дозволяє виявляти обертання тіла і визначати його кутову швидкість, заснований на гироскопических властивості електронів, атомних ядер або фотонів.
Лазерний (оптичний) гіроскоп. Датчиком оптичного гіроскопа служить кільцевої лазер , Що генерує дві біжать назустріч один одному світлові хвилі, які розповсюджуються по загальному світловому каналу у вигляді вузьких монохроматичних світлових пучків. Резонатор кільцевого лазера (рис. 1) складається з трьох (або більше) дзеркал 1, 2, 3, змонтованих на жорсткому підставі і утворюють замкнену систему. Частина світла 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 яким хвиля, що біжить, обійшовши контур резонатора, повинна прийти в вихідну точку з тією ж фазою, яку мала спочатку. Якщо прилад нерухомий, то це має місце, коли в периметрі Р контуру укладається ціле число n довжин хвиль l 0, т. Е. Р = n l0. В цьому випадку лазер генерує 2 зустрічні хвилі, частоти яких однакові і рівні:
n 0 = c / l0 = cn / P,
(З - швидкість світла).
Якщо ж весь прилад обертається з кутовою швидкістю W навколо напрямку, що становить кут J з перпендикуляром до його площини (рис. 2), то за час обходу хвилею контуру останній встигне повернутися на деякий кут. Залежно від напрямку поширення хвилі шлях, прохідний нею до суміщення фази, буде більше або менше Р (см. Доплера ефект ). В результаті цього частоти зустрічних хвиль стають неоднаковими. Можна показати, що ці частоти n - і n + Не залежать від форми контуру і пов'язані з частотою W обертання приладу співвідношенням:
.
Тут S - площа, що охоплюється контуром резонатора. Фотодетектор, чутливий до інтенсивності світла, в цьому випадку зареєструє биття з різницевої частотою:
,
де F = W / 2 p, а k = 
. Наприклад, для квадратного гелій-неонового К. р (див. газовий лазер ) Зі стороною 25 см l0 = 6 × 10-5 см, звідки k = 2,5 × 106. При цьому добове обертання Землі, що відбувається з кутовий швидкістю W = 15 град / ч, на широті J = 60 ° повинно приводити до частоти биття D n = 15 гц. Якщо вісь К. р направити на Сонце, то, вимірюючи частоту биття і вважаючи кутову швидкість W обертання Землі відомої, можна з точністю до часток град визначити широту J місця, на якій розташований К. р
Інтегрування кутової швидкості тіла, що обертається по часу (яке може виконуватися автоматично) дозволяє визначити кут повороту, як функцію часу. Межа чутливості оптичних К. р теоретично визначається спонтанним випромінюванням атомів активного середовища лазера. Якщо частоті биття D n = 1 гц відповідає кут повороту в 1 град / ч, то межа точності К. р дорівнює 10-3 град / ч. В існуючих оптичних К. р цю межу ще далеко не досягнуто.
Ядерні та електронні гіроскопи. В ядерних К. р використовуються речовини з ядерним парамагнетизмом (Вода, органічні рідини, газоподібний гелій, пар и ртуті). Атоми або молекули таких речовин в основному (збудженому) стані володіють моментами кількості руху, зумовленими тільки спинами ядер (електронні же спінові моменти у них компенсовані, т. е. все електрони спарені). З спинами ядер пов'язані їх магнітні моменти. Якщо орієнтувати магнітні моменти ядер, наприклад за допомогою зовнішнього магнітного поля, а потім орієнтують поле вимкнути, то за відсутності ін. Магнітних полів (наприклад, земного) виник сумарний магнітний момент М буде деякий час зберігати свій напрям в просторі, незалежно від зміни орієнтації датчика . Такий статичний К. р дозволяє визначити зміну положення тіла, пов'язаного з датчиком гіроскопа.
Т. к. Величина моменту М буде поступово спадати завдяки релаксації , то для К. р вибирають речовини з великими часом релаксації, наприклад деякі органічні рідини, для яких час релаксації t становить кілька хвилин, рідкий 3He (близько 1 ч) або розчин рідкого 3He (10-3%) в 4He (близько року ).
У К. р, що працює за методом ядерної індукції, обертання з кутовою швидкістю W датчика К. р, який містить ядра з орієнтованими магнітними моментами, еквівалентна дії на ядра магнітного поля з напруженістю Н = W / g я, де g я - гіромагнітне ставлення для ядер. Прецессия магнітних моментів ядер навколо напрямку поля Н призводить до появи змінної ЕРС в котушці L, що охоплює робочу речовину К. р (рис. 3). Визначення частоти W обертання тіла, пов'язаного з датчиком К. р, зводиться до вимірювання частоти електричного сигналу, яка пропорційна W (див. Ядерний магнітний резонанс ).
У динамічному ядерному гіроскопі сумарний ядерний магнітний момент М датчика прецессирует навколо постійного магнітного поля Н, жорстко пов'язаного з пристроєм. Обертання датчика разом з полем Н з кутовий швидкістю W призводить до зміни частоти прецесії магнітного моменту М, приблизно рівному проекції вектора W на Н. Ця зміна реєструється у вигляді електричного сигналу. Для отримання високої чутливості і точності в цих приладах потрібна висока стабільність і однорідність магнітного поля Н .Например, для виявлення зміни частоти прецесії, викликаного 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 повинно перевищувати 3 × 10-9 е.
Електронні К. 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 спінів малі, електронні К. р перспективні, так як гіромагнітне відношення g ел для електронів в сотні разів більше, ніж для ядер, і, отже, вище частота прецесії, що важливо для багатьох застосувань.
Незважаючи на те що К. р, особливо оптичні, безперервно удосконалюються, їх точність і чутливість ще поступаються кращим зразкам механічних гіроскопів . Однак К. р мають ряд істотних переваг перед механічними гіроскопами: вони не містять рухомих частин (безінерційні), не вимагають арретірованія, мають високу надійність і стабільність, приводяться в дію протягом короткого проміжку часу, можуть витримати значні прискорення і працювати при низьких температурах . Деякі типи К. р вже застосовуються не тільки як високочутливі індикатори обертання, орієнтатори і гірометри, але і як гірокомпаси , Гіробуссолі і секстанти.
Літ .: Привалов В. Є., Фрідріха С. А., Кільцевій газовий лазер, «Успіхи фізичних наук», 1969, т. 97, ст. 3, с. 377; Померанцев Н. М., Ськроцкий Г. В., Фізичні основи квантової гироскопии, там же, 1970, т. 100, ст. 3, с. 361.
Г. В. 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 - сумарний магнітний момент речовини; ТКЕ - надпровідний магнітний екран; L1, L2 - котушки індуктивності.