КРИОГЕННЫЙ ГИРОСКОП Российский патент 1994 года по МПК G01C19/00 

Изобретение относится к прецизионному приборостроению и может быть использовано при производстве криогенных чувствительных элементов, предназначенных для навигационных систем и систем управления движущимися объектами.

Известен криогенный гироскоп со сверхпроводящим подвесом сферического ротора, содержащий систему охлаждения, систему разгона ротора, оптическую систему съема информации. Сферический ротор гироскопа выполнен из сплошного ниобия, что приводит к низкой жесткости сверхпроводящего подвеса. Оптическая система съема информации представляет собой импульсный источник света, люминофор, нанесенный на поверхность ротора, и приемник света.

Известен криогенный гироскоп с электростатическим подвесом сферического ротора, содержащий систему охлаждения, систему магнитного экранирования, систему разгона ротора, систему съема информации со сквид-магнитометром, определяющую положение оси вращения ротора по вектору магнитного поля, возбуждаемого вращающимся ротором.

Ротор гироскопа представляет собой сплошной шар из плавленного кварца, покрытый тонкой пленкой ниобия.

К сферичности ротора предъявляются очень высокие требования, что исключает возможность нанесения элементов оптической системы съема информации.

В этом гироскопе используется датчик, работа которого основана на том, что при вращении сверхпроводника в нем, вдоль оси вращения возникает магнитное поле, так называемый "момент Лондона".

Для определения момента Лондона используется самый чувствительный датчик магнитного потока - сверхпроводящий квантовый интерференционный детектор (СКВИД) - магнитометр.

Недостатком прототипа является низкая надежность системы съема информации, вызванная малостью магнитного поля, возбуждаемого вращающимся сверхпроводящим ротором.

Целью изобретения является повышение надежности системы съема информации.

Цель достигается тем, что в криогенном гироскопе, содержащем сферический ротор в электростатическом подвесе, систему охлаждения, систему магнитного экранирования, систему разгона ротора, систему съема информации со СКВИД-магнитометром о положении оси вращения ротора по вектору магнитного поля, возбуждаемого вращающимся ротором, ротор выполнен из ферромагнитного материала с относительной магнитной проницаемостью в криогенных условиях не менее 20.

Сущность изобретения заключается в следующим. Известен так называемый эффект Барнетта. В соответствии с этим эффектом при вращении ферромагнитного тела возникает магнитное поле, которое определяется выражением
B_В= Ω где m_e, е - масса и заряд электрона,
μ - величина, пропорциональная магнитной проницаемости, она получила название "относительная магнитная проницаемость", Ω - cкорость вращения.

Эффект Барнетта имеет место при нормальных температурах и криогенных температурах. Эффект Барнетта использовался для определения гиромагнитного отношения в ферромагнитных телах, для определения относительной магнитной проницаемости и других тонких физических экспериментов. Эффект Барнетта объясняется в терминах классической физики. Каждый электрон обладает магнитным моментом и представляет собой маленький гироскоп. В теле материала таких гироскопов большое количество и в обычных условиях их оси направлены в разные стороны и взаимно компенсируются так, что суммарный магнитный момент равен нулю. При вращении тела оси вращения гироскопов электронов стремятся совместиться с осью вращения тела, при этом появляется преимущественное направление осей элементарных гироскопов. А так как каждый элементарный гироскоп обладает магнитным моментом, то появляется и магнитное поле. Увеличивая скорость вращения, увеличивается гироскопический момент, действующий на элементарные гироскопы, уменьшается угол между осью вращения тела и осями элементарных гироскопов, увеличивается магнитное поле. В этом суть эффекта Барнетта.

Известно, что при криогенных температурах магнитная проницаемость падает, у многих тел весьма значительно. Однако известны эксперименты с вращением ферромагнитных тел при криогенных (4,5 К) температурах. Так при вращении ферритового стержня было получено μ = 20.

На чертеже представлена упрощенная схема криогенного гороскопа с электростатическим подвесом сферического ротора. С целью упрощения чертежа, электроды электростатического подвеса показаны только по одной оси, система разгона не показаны.

Внутри магнитного экрана с крышкой 1, изготовленного из нескольких слоев ферромагнитного материала, установлен криостат 2 с жидким гелием 3. Внутри криостата установлен герметичный кожух гироскопа 4. Во внутренней полости кожуха 4 расположены электроды электростатического подвеса 5, сферический ферромагнитный ротор 6, короткозамкнутый сверхпроводящий контур 7, соединенный с входной катушкой СКВИД-магнитометра 8, контур 7 установлен в экваториальной плоскости взвешенного в электростатическом подвесе 5 ротора 6, СКВИД-магнитометр 9 и высокочастотный контур LC 10. Электронный блок СКВИД-магнитометр 11 расположен вне корпуса 1, в нормальных температурных условиях.

Работает прибор следующим образом.

В криостат 2, установленный внутри внешнего магнитного экрана 1, заливают жидкий гелий 3. После охлаждения кожух 4 устанавливают в криостат. Внутри кожуха 4 установлены элементы гироскопа, в том, числе: ротор 6, электроды электростатического подвеса 5, сверхпроводящий контур 7 со входной катушкой СКВИД-магнитометра 8, СКВИД-магнитометр 9, высокочастотный контур 10. Внутри кожуха создают глубокий вакуум, затем охлаждают сверхпроводящие злементы до температуры перехода в сверхпроводящее состояние. После охлаждения элементов до сверхпроводящего состояния (контур 7, катушка 8, сквид 9) включают систему разгона (не показана) и разгоняют ротор до скорости Ω. . При вращении ферромагнитного ротора 6, за счет эффекта Барнетта возникает магнитное поле В_в. Прибор готов к работе.

В начальный момент ротор разгоняют, например, вокруг горизонтальной оси так, чтобы вектор магнитного поля В_в лежал в плоскости контура 7 СКВИД-магнитометра. В этом случае поток, пересекающий контур, равен нулю. За счет ухода оси вращения ротора на какой-то угол появится проекция поля B_в на плоскость экваториального контура, равная
ΔB_в= B_вsinθ
Эта составляющая магнитного поля при площади контура S создает магнитный поток (считаем, что радиус ротора и контура равны)
ΔΦ= ΔB˙S= B_в˙Ssinθ Для компенсации этого потока в контуре возникает ток
ΔΙ = = где L_к - индуктивность экваториального контура;
L_s - индуктивность входной катушки СКВИД-магнитометра.

Ток, протекающий по входной катушки, создает поток, который будет измерен СКВИД-магнитометром
ΔФ_s= ΔI·M = где М - коэффициент взаимной индукции между входной катушкой 8 и кольцом СКВИД-магнитометра 9.

Таким образом поток, измеренный СКВИД-магнитометром, пропорционален углу поворота θ ротора 6.

Для получения положительного эффекта от применения ферромагнитного ротора, повышения надежности системы съема информации необходимо, чтобы магнитное поле ферромагнитного тела при вращении было больше, чем поле момента Лондона. Сравним эти выражения. Разделим (2) на (1) получим

Как уже отмечалось, для феррита в условиях температуры жидкого гелия было получено μ = 20, т. е. в этом материале поле от эффекта Барнетта в 10 раз больше поля момента Лондона.

Увеличение магнитного поля в 10 раз позволяет существенно повысить надежность системы съема информации и в некоторой степени снизить требования к шумам СКВИД-магнитометра и к системе магнитного экранирования. (56) Левин Л. В. и др. Физические основы, элементы и устройство криогенного гироскопа. ЦНИИ "Румб", 1980.

Turneaure J. P. , Еveritt C. W. F. , Parkinson B. W. The gravity-probe Bs relativity gyroskope experiwent development of the prototype flight instrument. Adv. Space Research 1989, N 9, рр (9) 29 - (9)38.

Изобретение относится к прецизионному приборостроению. Целью изобретения является повышение надежности системы съема информации. Для повышения надежности системы съема информации предлагается сверхпроводящий ротор заменить на ферромагнитный, имеющий относительную проницаемость в криогенных условиях не менее 20. Магнитное поле, возбуждаемое при вращении ферромагнитного тела, при одинаковой скорости вращения значительно больше магнитного поля сверхпроводящего ротора. 1 ил.

КРИОГЕННЫЙ ГИРОСКОП, содержащий сферический ротор в электростатическом подвесе, систему охлаждения, систему магнитного экранирования, систему разгона ротора, систему съема информации со СКВИД-магнитометром о положении оси вращения ротора по вектору магнитного поля, возбуждаемого вращающимся ротором, отличающийся тем, что ротор выполнен из ферромагнитного материала с относительной магнитной проницаемостью в криогенных условиях не менее 20.