Квантовый датчик и способы для измерения поперечной компоненты слабого магнитного поля (варианты) Российский патент 2020 года по МПК H01L39/22 

Область техники

Данное изобретение относится к области квантовых датчиков магнитного поля с оптической накачкой и детектированием, в частности для использования в устройствах многоканальных магниткардиографических и магнитоэнцелографических диагностических систем.

Уровень техники

В настоящее время хорошо известны квантовые магнитометры с оптической накачкой, они же – атомные, или атомарные магнитометры (АМ), которые используют эффект магнитного резонанса (МР) в среде, содержащей ориентированные вдоль магнитного поля парамагнитные атомы. Для возбуждения MP используются периодические фазирующие возмущения (ФВ), резонансные ларморовской частоте прецессии магнитных моментов или ее субгармоникам [1-5]. В качестве ФВ могут выступать создаваемые в содержащей атомы ячейке радиочастотные поля, а также периодическая модуляция интенсивности, поляризации или длины волны излучения оптической накачки.

В своей стандартной конфигурации АМ способны измерять модуль магнитного поля (МП) B (здесь и далее под величиной МП понимается значение индукции МП), и почти нечувствительны к малым изменениям направления вектора МП B (здесь и далее жирным шрифтом обозначаются векторные величины, т.е. B – это вектор МП, а B – это модуль вектора МП). Преобразование модульных, или скалярных магнитометров в векторные осуществляется посредством наложения на вектор измеряемого МП поперечных изменяющихся во времени калиброванных полей [2]. Этому способу, хотя он и характеризуется относительно высокой чувствительностью, присущи серьезные недостатки – во-первых, необходимость создания стабильных систем магнитных колец, генерирующих эти поля, и, во-вторых, помехи, которые эти калиброванные поля (так же, как и радиочастотные поля, вызывающие МР) создают в работе расположенных поблизости устройств. Последнее обстоятельство препятствует использованию таких устройств в многоканальных магниткардиографических (МКГ) и магнитоэнцелографических (МЭГ) диагностических системах.

Относительно недавно появившиеся магнитометры типа SERF (Spin-Exchange Relaxation Free), основанные на эффекте Ханле и эффекте подавления спин-обменного уширения [6], способны измерять две компоненты МП в декартовой системе координат одновременно, но их функционирование возможно только в сверхслабых (<100 нТл) полях. Эти приборы также используют встроенные системы магнитных колец для модуляции внешнего магнитного поля, что создает сложности при использовании их в системах МКГ и МЭГ.

Техническая проблема заявленной группы изобретений заключается в решении недостатков аналогов с достижением технического результата, заключающегося в обеспечении возможности применения квантовых датчиков в устройствах многоканальных магниткардиографических (МКГ) и магнитоэнцелографических (МЭГ) диагностических систем.

Указанный технический результат обеспечивается в квантовом датчике для измерения поперечной компоненты слабого магнитного поля состоящим из ячейки, содержащей парамагнитные атомы щелочного металла в газообразном состоянии, а также буферный газ, термостат, схему оптической накачки, при этом содержит схему детектирования, выполненную с возможностью детектирования вариаций поперечных компонент магнитного поля без возбуждения магнитного резонанса в углу поворота азимута поляризации пробного луча в ячейке непосредственно на частоте вариаций магнитного поля, где угол поворота пропорционален компоненте магнитного поля, направленного вдоль оси пробного луча.

Дополнительная особенность заключается в том, что термостат включает в себя теплоизолирующий корпус, нагревательный элемент и датчик температуры.

Дополнительная особенность заключается в том, что схема оптической накачки содержит устройство ввода излучения накачки, ось которого ориентирована параллельно ожидаемому направлению вектора магнитного поля, и круговой поляризатор излучения накачки.

Дополнительная особенность заключается в том, что схема детектирования содержит устройство ввода пробного излучения, линейный поляризатор пробного излучения, устройство измерения азимута поляризации пробного излучения.

Дополнительная особенность заключается в том, что ось устройства ввода пробного излучения ориентирована перпендикулярно ожидаемому направлению вектора магнитного поля.

Дополнительная особенность заключается в том, что устройство измерения азимута поляризации пробного излучения представляет собой разделитель линейных поляризаций и два фотоприемника.

Указанный технический результат достигается также в способе измерения поперечной компоненты слабого магнитного поля заключающемся в том, что лазерное излучение накачки вводят в ячейку через устройство ввода накачки и круговой поляризатор излучения накачки, входящие в схему оптической накачки, перед вводом лазерного излучения накачки ориентируют указанное устройство ввода излучения накачки, таким образом, что ось луча накачки ориентирована параллельно ожидаемому направлению вектора магнитного поля В; располагают устройство ввода пробного излучения, входящего в схему детектирования, таким образом, что ось луча пробного лазерного излучения ориентирована перпендикулярно ожидаемому направлению вектора магнитного поля В; вводят в ячейку пробное лазерное излучение через указанное устройство ввода пробного излучения и линейный поляризатор пробного излучения, входящие в состав схемы детектирования; производят детектирования вариаций поперечных компонент магнитного поля без возбуждения магнитного резонанса в углу поворота азимута поляризации пробного луча в ячейке непосредственно на частоте вариаций магнитного поля; измеряют азимут поляризации пробного излучения после прохождения ячейки.

Указанный технический результат достигается также в квантовом датчике для измерения поперечной компоненты слабого магнитного поля, состоящим из ячейки, содержащей парамагнитные атомы щелочного металла в газообразном состоянии, а также буферный газ, термостат, схему оптической накачки, при этом датчик выполнен с возможностью одновременного измерения двух поперечных компонент вектора магнитного поля, для чего содержит две схемы детектирования, выполненные с возможностью детектирования вариаций поперечных компонент магнитного поля без возбуждения магнитного резонанса в углах поворота азимута поляризации пробных лучей в ячейке непосредственно на частоте вариаций магнитного поля, где углы поворота пропорциональны компонентам магнитного поля, направленных вдоль осей пробных лучей.

Дополнительная особенность заключается в том, что термостат включает в себя теплоизолирующий корпус, нагревательный элемент и датчик температуры.

Дополнительная особенность заключается в том, что схема оптической накачки содержит устройство ввода излучения накачки, ось которого ориентирована параллельно ожидаемому направлению вектора магнитного поля, и круговой поляризатор излучения накачки.

Дополнительная особенность заключается в том, что каждая из схем детектирования содержит устройство ввода пробного излучения (ЛД1 и ЛД2), линейный поляризатор пробного излучения, устройство измерения азимута поляризации пробного излучения.

Дополнительная особенность заключается в том, что каждое из устройств измерения азимута поляризации пробного излучения представляет собой разделитель линейных поляризаций и два фотоприемника.

Дополнительная особенность заключается в том, что устройства ввода пробного излучения расположены таким образом, что оси лучей пробного лазерного излучения (ЛД1 и ЛД2) ориентированы перпендикулярно направлению вектора магнитного поля В и перпендикулярно друг к другу.

Указанный технический результат достигается также в способе измерения поперечной компоненты слабого магнитного поля, заключающемся в том, что лазерное излучение накачки вводят в ячейку через устройство ввода накачки и круговой поляризатор излучения накачки, входящие в схему оптической накачки, перед вводом лазерного излучения накачки ориентируют указанное устройство ввода излучения накачки, таким образом, что ось луча накачки ориентирована параллельно ожидаемому направлению вектора магнитного поля В; ориентируют лучи пробного лазерного излучения в ячейку через устройства ввода пробного лазерного излучения (ЛД1 и ЛД2), расположенных таким образом, что оси лучей пробного лазерного излучения ориентированы перпендикулярно ожидаемому направлению вектора магнитного поля В и перпендикулярно друг другу; вводят в ячейку пробное лазерное излучение через указанные устройства ввода пробного излучения (Лд1 и ЛД2) и линейные поляризаторы пробного излучения, входящие в состав схем детектирования; производят детектирование вариаций поперечных компонент магнитного поля без возбуждения магнитного резонанса в углах поворота азимута поляризации пробных лучей в ячейке непосредственно на частоте вариаций магнитного поля; измеряют азимут поляризации пробных излучений после прохождения ячейки.

Технический результата достигается также в квантовом датчике для измерения поперечной компоненты слабого магнитного поля, состоящим из ячейки, содержащей парамагнитные атомы щелочного металла в газообразном состоянии, а также буферный газ, термостат, схему оптической накачки, при этом датчик выполнен с возможностью производить одновременное измерение двух поперечных компонент вектора магнитного поля, а также модуля вектора магнитного поля и содержит две схемы детектирования, выполненные с возможностью детектирования вариаций поперечных компонент магнитного поля без возбуждения магнитного резонанса в углах поворота азимута поляризации пробных лучей в ячейке непосредственно на частоте вариаций магнитного поля, где углы поворота пропорциональны компонентам магнитного поля, направленных вдоль осей пробных лучей, термостат дополнительно содержит систему катушек для создания радиочастотного поля или устройство модуляции интенсивности излучения накачки на резонансной частоте, либо ее субгармониках.

Дополнительная особенность заключается в том, что термостат включает в себя теплоизолирующий корпус, нагревательный элемент и датчик температуры.

Дополнительная особенность заключается в том, что система катушек размещена в термостате, либо снаружи термостата.

Дополнительная особенность заключается в том, что схема оптической накачки содержит устройство ввода излучения накачки, ось которого ориентирована параллельно ожидаемому направлению вектора магнитного поля, и круговой поляризатор излучения накачки.

Дополнительная особенность заключается в том, что каждая из схем детектирования содержит устройство ввода пробного излучения (ЛД1 и ЛД2), линейный поляризатор пробного излучения, устройство измерения азимута поляризации пробного излучения.

Дополнительная особенность заключается в том, что каждое из устройств измерения азимута поляризации пробного излучения представляет собой разделитель линейных поляризаций и два фотоприемника.

Дополнительная особенность заключается в том, что устройства ввода пробного излучения расположены таким образом, что оси лучей пробного лазерного излучения (ЛД1 и ЛД2) ориентированы перпендикулярно направлению вектора магнитного поля В и перпендикулярно друг к другу.

Кроме того, технический результат достигается также в способе измерения поперечной компоненты слабого магнитного поля заключающееся в том, что лазерное излучение накачки вводят в ячейку через устройство ввода накачки и круговой поляризатор излучения накачки, входящие в схему оптической накачки, перед вводом лазерного излучения накачки ориентируют указанное устройство ввода излучения накачки, таким образом, что ось луча накачки ориентирована параллельно ожидаемому направлению вектора магнитного поля В; ориентируют лучи пробного лазерного излучения в ячейку через устройства ввода пробного лазерного излучения (ЛД1 и ЛД2), расположенных таким образом, что оси лучей пробного лазерного излучения ориентированы перпендикулярно ожидаемому направлению вектора магнитного поля В и перпендикулярно друг другу; вводят в ячейку пробное лазерное излучение через указанные устройства ввода пробного излучения (ЛД1 и ЛД2) и линейные поляризаторы пробного излучения, входящие в состав схем детектирования; производят детектирование вариаций поперечных компонент магнитного поля без возбуждения магнитного резонанса в углах поворота азимута поляризации пробных лучей в ячейке непосредственно на частоте вариаций магнитного поля; измеряют азимут поляризации пробных излучений после прохождения ячейки, создают радиочастотное поле либо модулируют интенсивность излучения накачки на резонансной частоте, производят измерение модуля магнитного поля.

Раскрытие сущности изобретения

В данной заявке реализованы квантовые датчики для прецизионного измерения компонент магнитного поля (МП), перпендикулярных начальному направлению вектора МП (компонентный магнитометр). Принцип работы датчика основан на эффекте вращения поляризации резонансного излучения при прохождении через ячейку, содержащую ориентированные вдоль магнитного поля парамагнитные атомы (нелинейный, или парамагнитный эффект Фарадея). Датчик работоспособен в широком диапазоне МП. Максимальная чувствительность достигается при модуле МП, равном ширине линии магнитного резонанса (МР) в ячейке. При условии подавления технических шумов до уровня дробовых шумов чувствительность в полосе один герц достигает единиц фемтотесла.

В отличие от существующих прецизионных датчиков слабого поля, основанных на явлениях оптической накачки и магнитного резонанса (Mx-магнитометры [1-5] и магнитометры на эффекте Ханле, в том числе магнитометры на эффекте SERF [6]), датчик не предполагает использования искусственно созданных переменных либо постоянных магнитных полей МП, а потому может без каких-либо ограничений быть использован для работы в массивах датчиков в диагностических системах МКГ и МЭГ. Более того, датчик не использует явление магнитного резонанса (МР), а потому функционален без использования радиочастотных полей или других фазирующих возмущений (ФВ). Однако введение ФВ в схему датчика позволит дополнительно к значениям одной или двух поперечных компонент вектора МП измерять также его модуль, и тем самым получать полную информацию о векторе МП.

Принцип работы датчика основан на парамагнитных свойствах атомной среды, а конкретно – на следующих эффектах:

Э1. Эффект ориентации атомарных магнитных моментов циркулярно поляризованным резонансным излучением накачки, заключающийся в следующем. Каждый фотон излучения накачки несет угловой момент, направленный вдоль оси распространения луча. Этот момент передается атому, что приводит к изменению направления его магнитного момента, и, как результат – к ориентации магнитного момента ансамбля атомов вдоль направления луча накачки.

Э2. Эффект осреднения поперечных по отношению к магнитному полю компонент магнитного момента ансамбля атомов в прецессии момента в магнитном поле, заключающийся в следующем. Частота прецессии магнитных моментов атомов (ларморовская частота) ω_L в первом приближении пропорциональна индукции магнитного поля B:

где γ – гиромагнитное отношение, для атомов цезия (Cs) составляющее 2π⋅ (3.5 Гц/нТл), а для атомов рубидия-87 (⁸⁷Rb) составляющее 2π⋅(7.0 Гц/нТл). Если изначально (вследствие квантовой неопределенности, либо вследствие неполной параллельности луча накачки магнитному полю) магнитный момент отдельного атома оказывается ориентирован под углом к МП, он начинает прецессировать вокруг направления вектора МП. Если индукция МП достаточно велика для того, чтобы за время T₂ релаксации поперечной компоненты магнитного момента атомарные моменты совершили несколько оборотов с частотой ω_L периодов ларморовской прецессии, то благодаря прецессии происходит эффективное осреднение и обнуление поперечной (по отношению к МП) компоненты магнитного момента, и суммарный момент M атомного ансамбля оказывается параллелен МП вне зависимости от направления луча накачки. При этом модуль суммарного момента M атомного ансамбля оказывается пропорционален проекции волнового вектора излучения накачки на направление вектора МП. Таким образом, при рассмотрении только тех процессов, частоты которых ω малы по сравнению с ларморовской частотой (ω << ω_L), в отсутствие ФВ коллективный магнитный момент M усредняется также по ансамблю атомов, а потому коллинеарен МП в любой момент времени.

Э3. Парамагнитный, или нелинейный эффект Фарадея, заключающийся в следующем. При прохождении сквозь атомную среду пробного линейно поляризованного луча, длина волны которого близка к длине волны атомарного оптического перехода (в оптимальном случае – отстроена от центра контура оптического поглощения на несколько его ширин [5]), наличие ненулевой проекции суммарного атомарного момента M на направление распространения пробного луча приводит к возникновению циркулярного двулучепреломления, и как следствие – к вращению азимута поляризации пробного луча. Угол поворота пропорционален гиротропной восприимчивости, обусловленной суммарным магнитным моментом M. В схеме, в которой пробный луч изначально направлен перпендикулярно к вектору МП, угол вращения азимута поляризации пробного луча пропорционален поперечной компоненте МП. Этот эффект, в частности, используется в Mx магнитометрах с детектированием МР по повороту плоскости поляризации пробного луча [5], с тем отличием, что в этих устройствах детектируется переменная поперечная компонента магнитного момента, осциллирующая на ларморовской частоте.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено:

На фиг.1 – Схема квантового датчика для измерения поперечной компоненты слабого магнитного поля., где :

1 - 1 – ячейка, содержащая парамагнитные атомы в газообразном состоянии;

2 – термостат;

3 – ввод излучения накачки;

4 – круговой поляризатор;

5 – ввод пробного излучения;

6 – линейный поляризатор;

7 – измеритель азимута поляризации пробного излучения;

ЛН – луч оптической накачки;

ЛД – луч детектирования (пробный луч).

Стрелками обозначены направления поляризации излучения: круглая стрелка соответствует круговой поляризации, прямая – линейной.

На фиг.2 – Схема квантового датчика для измерения двух поперечных компонент слабого магнитного поля, где:

1 – ячейка, содержащая парамагнитные атомы в газообразном состоянии;

2 – термостат;

3 – ввод излучения накачки;

4 – круговой поляризатор;

5,8 – ввод пробного излучения;

6,9 – линейный поляризатор;

7,10 – измеритель азимута поляризации пробного излучения;

ЛН – луч оптической накачки;

ЛД – луч детектирования (пробный луч).

Стрелками обозначены направления поляризации излучения: круглая стрелка соответствует круговой поляризации, прямая – линейной.

На фиг.3 – Схема квантового датчика для измерения двух поперечных компонент и модуля слабого магнитного поля, где:

1 – ячейка, содержащая парамагнитные атомы в газообразном состоянии;

2 – термостат;

3 – ввод излучения накачки;

4 – круговой поляризатор;

5,8 – ввод пробного излучения;

6,9 – линейный поляризатор;

7,10 – измеритель азимута поляризации пробного излучения;

11 – система катушек для создания радиочастотного поля.

ЛН – луч оптической накачки;

ЛД – луч детектирования (пробный луч).

Стрелками обозначены направления поляризации излучения: круглая стрелка соответствует круговой поляризации, прямая – линейной.

Осуществление изобретения

Работа первого варианта квантового датчика, реализующего способ для измерения поперечной компоненты слабого магнитного поля заключается в следующем.

Квантовый датчик для измерения поперечной компоненты слабого магнитного поля, собранный по двухлучевой схеме устроен согласно схеме на фиг.1. Ячейка (1), содержащая парамагнитные атомы щелочного металла (калия, рубидия или цезия) в газообразном состоянии, а также буферный газ, препятствующий релаксации магнитных моментов атомов на стенках ячейки помещается в термостат (2), включающий в себя теплоизолирующий корпус, нагревательный элемент и датчик температуры. Лазерное излучение накачки вводится в ячейку через устройство ввода излучения накачки (3) и круговой поляризатор излучения накачки (4). Устройство ввода излучения накачки (3) должно быть ориентировано таким образом, что ось (ось z) луча излучения накачки (ЛН) ориентирована параллельно ожидаемому направлению вектора магнитного поля B. Пробное лазерное излучение вводится в ячейку через устройство ввода пробного излучения (5), расположенного таким образом, что ось луча пробного лазерного излучения (ЛД) ориентирована перпендикулярно ожидаемому направлению вектора магнитного поля B, а также через линейный поляризатор пробного излучения (6),. После прохождения поляризатора (6) азимут поляризации пробного излучения направлен под углом φ к плоскости, образованной осями пробного луча и луча накачки После прохождения ячейки азимут поляризации пробного излучения, в общем случае изменившийся на угол Δφ, измеряется устройством измерения азимута поляризации пробного излучения (7), в простейшем случае представляющим собой разделитель линейных поляризаций и два фотоприемника.

В отсутствие излучения накачки средний магнитный момент атомов равен нулю, и вращение поляризации пробного луча отсутствует. Включение излучения накачки приводит к возникновению усредненного по ансамблю атомов и по времени магнитного момента M, согласно эффекту Э1, направленного строго вдоль вектора МП B, согласно эффекту Э2.

Считаем, что ось z направлена вдоль распространения излучения накачки. Пусть в начальный момент времени датчик ориентирован так, что вектор МП, а следовательно, и вектор M также направлены вдоль оси z. Рассмотрим два предельных случая:

1. Если пробный линейно поляризованный луч направлен строго перпендикулярно к МП, то он также направлен строго перпендикулярно к среднему магнитному моменту M, а потому включение накачки не способно изменить азимут его поляризации φ, согласно эффекту Э3 (то есть Δφ = 0).

2. Если, напротив, пробный луч направлен параллельно МП, то он также направлен параллельно среднему магнитному моменту M, а следовательно, согласно эффекту Э3, азимут его поляризации повернется на максимально возможный при данных условиях накачки угол Δφ = Δφ_max. Этот угол, в свою очередь, пропорционален гиротропной восприимчивости, обусловленной суммарным магнитным моментом M, а, следовательно, зависит от интенсивности излучения накачки, ее направления, и т.д. В дальнейшем будем считать, что излучение накачки всегда направлено вдоль оси z, и угол между направлением излучения накачки и вектором МП обусловлен отклонениями вектора МП. Все прочие параметры накачки будем считать постоянными.

Рассмотрим общий случай, когда вектор МП отклоняется от оси z в плоскости xOz на угол α. Поскольку M||B,

sin(α) = B_x/B = M_x/M, (2)

где B_x и M_x являются проекциями векторов МП и среднего магнитного момента на направление пробного луча х.

При α ≠ 0 появляется ненулевая проекция МП, а следовательно – и момента M на направление пробного луча х, и, как следствие – азимут поляризации пробного луча поворачивается на угол Δφ, который и является сигналом в предлагаемой схеме. Величина сигнала Δφ при постоянной скорости накачки в такой системе пропорциональна M_x:

Δφ = Δφ_max·(M_x/M) = Δφ_max·sin(α), (3)

Эффективность накачки при отклонении вектора МП от направления излучения накачки на угол α пропорциональна проекции волнового вектора на вектор МП, согласно эффекту Э2. Эта проекция, в свою очередь, пропорциональна cos(α), поэтому

. (4)

При малых углах отклонения сигнал линеен по α, по мере увеличения угла чувствительность к малым изменениям α падает, достигая нуля при α = 45º. Выразим угловые зависимости через компоненты вектора МП B:

, (5)

где B_Z является проекцией вектора МП на ось z луча излучения накачки. Тогда

. (6)

При небольших углах отклонения (B_x << B) последним сомножителем в (6) можно пренебречь. Окончательно получаем

. (7)

Предельная, то есть ограниченная дробовым шумом фототока, чувствительность такой схемы равна

, (8)

где Δφ_SN – величина случайного поворота азимута поляризации, обусловленная дробовым шумом.

Из (7) следует, что с ростом модуля поля B величина сигнала падает пропорционально 1/B. С другой стороны, как было указано выше, для эффективного осреднения и обнуления поперечной по отношению к МП компоненты магнитного момента требуется, чтобы модуль МП был достаточно велик для того, чтобы за время T₂ релаксации поперечной компоненты магнитного момента атомарные моменты успевали совершить несколько оборотов с частотой ω_L периодов ларморовской прецессии:

. (9)

Из (1) и (9) следует, что

, (10)

где Г – ширина линии МР, выраженная в рад/с, Г_B = Г/γ – ширина линии МР, выраженная в единицах индукции МП.

Таким образом, максимальная чувствительность датчика реализуется в минимальных МП, удовлетворяющих условию (10). При стандартной для ячейки с буферным газом ширине линии МР Г_B = 100 нТл оптимальной будет величина МП порядка B = 600 нТл. Снижение величины МП до B = Г_B = 100 нТл приведет к дальнейшему увеличению амплитуды сигнала.

Достижимую в данной схеме максимальную чувствительность можно оценить, отталкиваясь от достигнутой к настоящему времени чувствительности Mx-магнитометров, использующих двухлучевую схему с детектированием вращения азимута поляризации пробного луча [7]. Следует отметить, что в результате эффекта Э2 благодаря прецессии магнитных моментов происходит эффективное осреднение и обнуление поперечной по отношению к МП компоненты магнитного момента, и суммарный момент M атомного ансамбля оказывается параллелен МП вне зависимости от направления луча накачки. Таким образом, направление магнитного момента M, а следовательно, и величина Δφ поворота азимута поляризации пробного луча не зависит от направления луча накачки до тех пор, пока увеличение угла между лучом накачки и МП не начнет приводить к заметному снижению эффективности накачки.

Быстродействие предлагаемой схемы ограничено только ларморовской частотой: при повороте вектора МП суммарный магнитный момент M следует за вектором МП, достигая нового равновесного положения за времена, сопоставимые с периодом прецессии; поэтому датчик сохраняет свою чувствительность во всем диапазоне частот ω < ω_L. При B = 100 нТл быстродействие датчика на атомах Cs ограничено частотой 350 Гц (соответственно, быстродействие датчика на ⁸⁷Rb ограничено частотой 700 Гц), и эта величина растет пропорционально B.

Необходимо отметить, что реализация предельной чувствительности требует подавления технических, в первую очередь – лазерных шумов до уровня дробового шума фототока во всей полосе детектирования сигнала. Поскольку детектирование сигнала происходит не на частоте прецессии, как в Mx магнитометрах, и не на частоте модуляции МП, как в магнитометрах на эффекте Ханле (в т.ч. магнитометрах SERF), а непосредственно на частоте вариаций магнитного поля, где угол поворота пропорционален компоненте магнитного поля, направленного вдоль оси пробного луча, технические низкочастотные шумы должны быть подавлены до уровня дробовых методами активной стабилизации.

Работа второго варианта квантового датчика, реализующего способ для измерения поперечной компоненты слабого магнитного поля заключается в следующем Квантовый датчик для измерения двух поперечных компонент слабого магнитного поля устроен согласно схеме на фиг.2. Ячейка (1), содержащая парамагнитные атомы щелочного металла (калия, рубидия или цезия) в газообразном состоянии, а также буферный газ, препятствующий релаксации магнитных моментов атомов на стенках ячейки помещается в термостат (2), включающий в себя теплоизолирующий корпус, нагревательный элемент и датчик температуры. Лазерное излучение накачки вводится в ячейку через устройство ввода излучения накачки (3) и круговой поляризатор излучения накачки (4). Устройство ввода излучения накачки (3) должно быть ориентировано таким образом, что ось (ось z) луча излучения накачки (ЛН) ориентирована параллельно ожидаемому направлению вектора магнитного поля B. Два луча пробного лазерного излучения вводится в ячейку через два устройства ввода пробного излучения (5, 8), расположенных таким образом, что оси лучей пробного лазерного излучения (ЛД1 и ЛД2) ориентированы перпендикулярно ожидаемому направлению вектора магнитного поля B и перпендикулярно друг другу (оси x и y), а также два линейных поляризатора пробного излучения (6, 9). После прохождения ячейки азимуты поляризации двух лучей пробного излучения измеряются устройствами измерения азимута поляризации пробного излучения (7, 10), в простейшем случае представляющими собой разделитель линейных поляризаций и два фотоприемника.

Датчик работает по принципу, аналогичному принципу работы квантового датчика для измерения поперечной компоненты слабого магнитного поля (фиг. 1). Используя два пробных луча, перпендикулярные магнитному полю (МП) и друг другу, получают два независимых сигнала от двух поперечных компонент МП, параллельных осям x и y, и измеряют два угла отклонения МП.

Детектирование положения пробных лучей относительно плоскости x0y осуществляется измерением приращения сигнала при включении и выключении излучения накачки в тестовом МП, параллельном оси z. Приращение сигнала в каждом канале будет наблюдаться только при наличии угла между соответствующим пробным лучом плоскости x0y.

Оси локальной системы координат датчика однозначно определяются направлениями пробных лучей в ячейке, и при использовании плоскопараллельных пластин в качестве окон ячейки направление этих осей может быть определено оптическими методами с точностью, ограниченной только расходимостью лазерного излучения.

Работа третьего варианта квантового датчика, реализующего способ для измерения поперечной компоненты слабого магнитного поля заключается в следующем

Квантовый датчик устроен согласно схеме, представленной на фиг. 3. Ячейка (1), содержащая парамагнитные атомы щелочного металла (калия, рубидия или цезия) в газообразном состоянии, а также буферный газ, препятствующий релаксации магнитных моментов атомов на стенках ячейки помещается в термостат (2), включающий в себя теплоизолирующий корпус, нагревательный элемент и датчик температуры. Лазерное излучение накачки вводится в ячейку через устройство ввода излучения накачки (3) и круговой поляризатор излучения накачки (4). Устройство ввода излучения накачки (3) должно быть ориентировано таким образом, что ось (ось z) луча излучения накачки (ЛН) ориентирована параллельно ожидаемому направлению вектора магнитного поля B. Два луча пробного лазерного излучения вводится в ячейку через два устройства ввода пробного излучения (5, 8), расположенных таким образом, что оси лучей пробного лазерного излучения (ЛД1 и ЛД2) ориентированы перпендикулярно ожидаемому направлению вектора магнитного поля B и перпендикулярно друг другу (оси x и y), а также два линейных поляризатора пробного излучения (6, 9). После прохождения ячейки азимуты поляризации двух лучей пробного излучения измеряются устройствами измерения азимута поляризации пробного излучения (7, 10), в простейшем случае представляющими собой разделитель линейных поляризаций и два фотоприемника. В термостат, либо снаружи термостата помещается система катушек (11) для создания радиочастотного поля либо устройство для модуляции интенсивности излучения накачки на резонансной (ларморовской) частоте (либо ее субгармониках).

Квантовый датчик для измерения для измерения двух поперечных компонент и модуля слабого магнитного поля работает по способу, аналогичному способу работы квантового датчика для измерения двух поперечных компонент слабого магнитного поля (фиг. 2). Используя два пробных луча, перпендикулярные магнитному полю (МП) и друг другу, можно получить два независимых сигнала от двух поперечных компонент МП, параллельных осям x и y, и измерить два угла отклонения МП. Измерение модуля МП осуществляется посредством введения в схему датчика устройства для создания радиочастотного поля либо для модуляции интенсивности излучения накачки на резонансной (ларморовской) частоте, что позволяет выровнять фазы прецессии магнитных моментов и тем самым обеспечить условия наблюдения макроскопической прецессии среднего магнитного момента с частотой ω_L, пропорциональной индукции МП. Регистрируя посредством входящего в схему измерителя азимута поляризации пробного излучения компоненту угла поворота пробного луча Δφ, осциллирующую на частоте ω_L, и измеряя частоту осцилляции угла Δφ, можно дополнительно производить измерение модуля МП.

Как и в случае квантового датчика для измерения поперечной компоненты слабого магнитного поля (фиг. 1), максимальная чувствительность датчика реализуется в минимальных МП, удовлетворяющих условию (10). При стандартной для ячейки с буферным газом ширине линии МР Г_B = 100 нТл оптимальной будет величина МП порядка B = 600 нТл. Снижение величины МП до B = Г_B = 100 нТл приведет к дальнейшему увеличению амплитуды сигнала, но в случае использования фазирующего возмущения (ФВ) (фиг. 3) вызовет ошибки, связанные с неполным осреднением прецессирующей компоненты момента.

Список литературы

[1] Е.Б. Александров, А.К. Вершовский. Современные радиооптические методы квантовой магнитометрии. - УФН, том 179, вып.6, стр.605-637 (2009).

[2] M. D. Prouty, R. Johnson, I. Hrvoic, and A. K. Vershovskiy. Optical magnetometry. ed. D. Budker, D.F.J. Kimball, Cambridge: Cambridge University Press. 2013. P.319–336.

[3] W.E. Bell, A.L. Bloom // Phys Rev. 1957. V.107. №6. P.1559.

[4] W. Gawlik, J. Kowalski, R. Neumann, and F. Träger // Opt. Commun. 1974. V.12. №4. P.400.

[5] D. Budker, W. Gawlik, D. F. Kimball, S. M. Rochester, V. V. Yashchuk, and A. Weis // Rev. Mod. Phys. 2002. V.74. №4. P.1153.

[6] J. C. Allred, R. N. Lyman, T. W. Kornack, and M. V. Romalis // Phys. Rev. Lett. 2002. V.89. №13. P.130801.

[7] S. J. Smullin, I. M. Savukov, G. Vasilakis, R. K. Ghosh, and M. V. Romalis // Phys. Rev. A 80, 033420

Использование: для создания квантовых датчиков магнитного поля с оптической накачкой. Сущность изобретения заключается в том, что квантовый датчик для измерения поперечной компоненты слабого магнитного поля состоит из ячейки, содержащей парамагнитные атомы щелочного металла в газообразном состоянии, а также буферный газ, термостат, схему оптической накачки, при этом содержит схему детектирования, выполненную с возможностью детектирования вариаций поперечных компонент магнитного поля без возбуждения магнитного резонанса в углу поворота азимута поляризации пробного луча в ячейке непосредственно на частоте вариаций магнитного поля, где угол поворота пропорционален компоненте магнитного поля, направленного вдоль оси пробного луча. Технический результат: обеспечение возможности применения квантовых датчиков в устройствах многоканальных магниткардиографических (МКГ) и магнитоэнцелографических (МЭГ) диагностических систем. 6 н. и 16 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Квантовый датчик для измерения поперечной компоненты слабого магнитного поля, состоящий из ячейки, содержащей парамагнитные атомы щелочного металла в газообразном состоянии, а также буферный газ, термостат, схему оптической накачки, отличающийся тем, что содержит схему детектирования, выполненную с возможностью детектирования вариаций поперечных компонент магнитного поля без возбуждения магнитного резонанса в углу поворота азимута поляризации пробного луча в ячейке непосредственно на частоте вариаций магнитного поля, где угол поворота пропорционален компоненте магнитного поля, направленного вдоль оси пробного луча.

2. Квантовый датчик по п. 1, отличающийся тем, что термостат включает в себя теплоизолирующий корпус, нагревательный элемент и датчик температуры.

3. Квантовый датчик по п. 1, отличающийся тем, что схема оптической накачки содержит устройство ввода излучения накачки, ось которого ориентирована параллельно ожидаемому направлению вектора магнитного поля, и круговой поляризатор излучения накачки.

4. Квантовый датчик по п. 1, отличающийся тем, что схема детектирования содержит устройство ввода пробного излучения, линейный поляризатор пробного излучения, устройство измерения азимута поляризации пробного излучения.

5. Квантовый датчик по п. 4, отличающийся тем, что ось устройства ввода пробного излучения ориентирована перпендикулярно ожидаемому направлению вектора магнитного поля.

6. Квантовый датчик по п. 4, отличающийся тем, что устройство измерения азимута поляризации пробного излучения представляет собой разделитель линейных поляризаций и два фотоприемника.

7. Способ измерения поперечной компоненты слабого магнитного поля посредством устройства по пп. 1-6, заключающийся в том, что

- лазерное излучение накачки вводят в ячейку через устройство ввода накачки и круговой поляризатор излучения накачки, входящие в схему оптической накачки, отличающийся тем, что

- перед вводом лазерного излучения накачки ориентируют указанное устройство ввода излучения накачки таким образом, что ось луча накачки ориентирована параллельно ожидаемому направлению вектора магнитного поля В;

- располагают устройство ввода пробного излучения, входящего в схему детектирования, таким образом, что ось луча пробного лазерного излучения ориентирована перпендикулярно ожидаемому направлению вектора магнитного поля В;

- вводят в ячейку пробное лазерное излучение через указанное устройство ввода пробного излучения и линейный поляризатор пробного излучения, входящие в состав схемы детектирования,

- производят детектирования вариаций поперечных компонент магнитного поля без возбуждения магнитного резонанса в углу поворота азимута поляризации пробного луча в ячейке непосредственно на частоте вариаций магнитного поля;

- измеряют азимут поляризации пробного излучения после прохождения ячейки.

8. Квантовый датчик для измерения поперечной компоненты слабого магнитного поля, состоящий из ячейки, содержащей парамагнитные атомы щелочного металла в газообразном состоянии, а также буферный газ, термостат, схему оптической накачки, отличающийся тем, что выполнен с возможностью одновременного измерения двух поперечных компонент вектора магнитного поля, для чего содержит две схемы детектирования, выполненные с возможностью детектирования вариаций поперечных компонент магнитного поля без возбуждения магнитного резонанса в углах поворота азимута поляризации пробных лучей в ячейке непосредственно на частоте вариаций магнитного поля, где углы поворота пропорциональны компонентам магнитного поля, направленных вдоль осей пробных лучей.

9. Квантовый датчик по п. 8, отличающийся тем, что термостат включает в себя теплоизолирующий корпус, нагревательный элемент и датчик температуры.

10. Квантовый датчик по п. 8, отличающийся тем, что схема оптической накачки содержит устройство ввода излучения накачки, ось которого ориентирована параллельно ожидаемому направлению вектора магнитного поля, и круговой поляризатор излучения накачки.

11. Квантовый датчик по п. 8 отличающийся тем, что каждая из схем детектирования содержит устройство ввода пробного излучения (ЛД1 и ЛД2), линейный поляризатор пробного излучения, устройство измерения азимута поляризации пробного излучения.

12. Квантовый датчик по п. 11, отличающийся тем, что каждое из устройств измерения азимута поляризации пробного излучения представляет собой разделитель линейных поляризаций и два фотоприемника.

13. Квантовый датчик по п. 11, отличающийся тем, что устройства ввода пробного излучения расположены таким образом, что оси лучей пробного лазерного излучения (ЛД1 и ЛД2) ориентированы перпендикулярно направлению вектора магнитного поля В и перпендикулярно друг к другу.

14. Способ измерения поперечной компоненты слабого магнитного поля, посредством устройства по пп. 8-13, включающий этапы, на которых:

- лазерное излучение накачки вводят в ячейку через устройство ввода накачки и круговой поляризатор излучения накачки, входящие в схему оптической накачки, отличающийся тем, что

- перед вводом лазерного излучения накачки ориентируют указанное устройство ввода излучения накачки таким образом, что ось луча накачки ориентирована параллельно ожидаемому направлению вектора магнитного поля В;

- ориентируют лучи пробного лазерного излучения в ячейку через устройства ввода пробного лазерного излучения (ЛД1 и ЛД2), расположенные таким образом, что оси лучей пробного лазерного излучения ориентированы перпендикулярно ожидаемому направлению вектора магнитного поля В и перпендикулярно друг другу;

- вводят в ячейку пробное лазерное излучение через указанные устройства ввода пробного излучения (ЛД1 и ЛД2) и линейные поляризаторы пробного излучения, входящие в состав схем детектирования;

- производят детектирование вариаций поперечных компонент магнитного поля без возбуждения магнитного резонанса в углах поворота азимута поляризации пробных лучей в ячейке непосредственно на частоте вариаций магнитного поля;

- измеряют азимут поляризации пробных излучений после прохождения ячейки.

15. Квантовый датчик для измерения поперечной компоненты слабого магнитного поля, состоящий из ячейки, содержащей парамагнитные атомы щелочного металла в газообразном состоянии, а также буферный газ, термостат, схему оптической накачки, отличающийся тем, что выполнен с возможностью производить одновременное измерение двух поперечных компонент вектора магнитного поля, а также модуля вектора магнитного поля и содержит две схемы детектирования, выполненные с возможностью детектирования вариаций поперечных компонент магнитного поля без возбуждения магнитного резонанса в углах поворота азимута поляризации пробных лучей в ячейке непосредственно на частоте вариаций магнитного поля, где углы поворота пропорциональны компонентам магнитного поля, направленных вдоль осей пробных лучей, термостат дополнительно содержит систему катушек для создания радиочастотного поля или устройство модуляции интенсивности излучения накачки на резонансной частоте, либо ее субгармониках.

16. Квантовый датчик по п. 15, отличающийся тем, что термостат включает в себя теплоизолирующий корпус, нагревательный элемент и датчик температуры.

17. Квантовый датчик по п. 15, отличающийся тем, что система катушек размещена в термостате либо снаружи термостата.

18. Квантовый датчик по п. 15, отличающийся тем, что схема оптической накачки содержит устройство ввода излучения накачки, ось которого ориентирована параллельно ожидаемому направлению вектора магнитного поля, и круговой поляризатор излучения накачки.

19. Квантовый датчик по п. 15, отличающийся тем, что каждая из схем детектирования содержит устройство ввода пробного излучения (ЛД1 и ЛД2), линейный поляризатор пробного излучения, устройство измерения азимута поляризации пробного излучения.

20. Квантовый датчик по п. 19, отличающийся тем, что каждое из устройств измерения азимута поляризации пробного излучения представляет собой разделитель линейных поляризаций и два фотоприемника.

21. Квантовый датчик по п. 19, отличающийся тем, что устройства ввода пробного излучения расположены таким образом, что оси лучей пробного лазерного излучения (ЛД1 и ЛД2) ориентированы перпендикулярно направлению вектора магнитного поля В и перпендикулярно друг к другу.

22. Способ измерения поперечной компоненты слабого магнитного поля посредством устройства по пп. 15-21, включающий этапы, на которых:

- лазерное излучение накачки вводят в ячейку через устройство ввода накачки и круговой поляризатор излучения накачки, входящие в схему оптической накачки, отличающийся тем, что

- перед вводом лазерного излучения накачки ориентируют указанное устройство ввода излучения накачки таким образом, что ось луча накачки ориентирована параллельно ожидаемому направлению вектора магнитного поля В;

- ориентируют лучи пробного лазерного излучения в ячейку через устройства ввода пробного лазерного излучения (ЛД1 и ЛД2), расположенные таким образом, что оси лучей пробного лазерного излучения ориентированы перпендикулярно ожидаемому направлению вектора магнитного поля В и перпендикулярно друг другу;

- вводят в ячейку пробное лазерное излучение через указанные устройства ввода пробного излучения (ЛД1 и ЛД2) и линейные поляризаторы пробного излучения, входящие в состав схем детектирования;

- производят детектирование вариаций поперечных компонент магнитного поля без возбуждения магнитного резонанса в углах поворота азимута поляризации пробных лучей в ячейке непосредственно на частоте вариаций магнитного поля;

- измеряют азимут поляризации пробных излучений после прохождения ячейки.

- создают радиочастотное поле, либо модулируют интенсивность излучения накачки на резонансной частоте;

- производят измерение модуля магнитного поля.