Способ измерения напряженности магнитного поля Советский патент 1987 года по МПК G01R33/02 

Изобретение относится к квантовой магнитометрии, а именно к измерению напряженности постоянного и медленно меняющегося магнитного поля с помощью квантовьгх магнитометров с оптической ориентацией атомов.

Целью изобретения является повышение точности измерений.

Дополнительное воздействие на ще- лочно-гелиевую плазму, в которой производится оптическая ориентация атомов ВЧ напряжением, действующим в интервалах между импульсами, приводит к изменению характеристик плазмы В частности, увели 1ивается концентрация метастабильных атомов гелия и уменьшается концентрация атомов щелочного металла. Изменяется их степень поляризации. Изменяется энер- гия электронов.

Все это в совокупности приводит к изменению параметров сигнала магнитного резонанса атомов гелия - таких как его амплитуда и сдвиг резо- нансной частоты - определяющих чувствительность и ориентационную погреш- .ность измерения напряженности магнитного поля.

На фигП и 2 представлены зависимости величины сигнала магнитного резонанса от отношения амплитуд и температуры; на фиг.З - щелочно- гелиевый квантовьй магнитометр, реализующий способ

По мере увеличения амплитуды А дополнительного ВЧ напряжения при неизменной амплитуде А импульсного напряжения Ст.е. при увеличении соотнощения А;(/А.)величина сигнала магнитного резонанса (S), а следовательно, и чувствительность к изменениям магнитного поля сначала увеличивается в несколько раз, а затем уменьшается до исходной величины, При этом воздействие дополнительного ВЧ напряжения приводит к уменьшению сдвигов частоты магнитного резонанса атомов гелия, Величина сдвига частоты ($В) по мере увеличения 1мплитуды ВЧ Напряжения непрерывно уменьшается вплоть до уровня шумов, т,е, более чем на порядок. Таким образом, более чем на порядок уменьшается ориентационная погрешность измерения напряженности магнитного поля. Как видно ,из фиг,1, увеличени амплитуды сигналу S, а,следовательно .повышение чувствительности относител

Q

5

0

5

0

5

0

5

но исходного уровня имеет место в диапазоне А УА, ниже 0,1. Увеличение отношения А /А вьшге 0,1 нецелесообразно, так как чувствительность становится при этом меньше исходной величины.

При наличии дополнительного ВЧ напряжения оптимальная температура, при которой наблюдаются максимальные сигналы магнитного.резонанса, noBbmia- ется Сфиг,2, Причем при 0,1 оптимальная температура увеличивается более чем на О по сравнению со случаем отсутствия дополнительного ВЧ напряжения (. О). Это позволяет проводить измерения магнитного поля в более широком диапазоне температур.

Магнитометр содержит спектральный 1 света накачки, линзы 2,циркулярный поляризатор 3, камеру 4 поглощения, фотодетектор 5,, генератор 6 возбуждения разряда, узкополосный усилитель 7, синхронный детектор 8, генератор 9 модуляции, управляемый генератор 10, радиочастотную катушку 1 1 , систем 12 регистрации. Усилитель 7, синхронный детектор 8 и генератор 9 модуляции образуют систему автоподстройки (САП),

Магнитометр работает следующим образом,

Циркулярно-поляризованный свет от спектрального источника света осуществляет оптическую ориентацию атомов цезия, находящихся в камере поглощения. Для создания метастабильных атомов гелия в камере поглощения возбуждается импульсный высокочастотный разряд. Поляризация мета- стабильных атомов гелия создается в результате межатомных и электрон- атомных столкновений, протекающих в щелочно-гелиевой плазме. Резонансное радиополе для возбуждения магнитного резонанса между зеемановс- кими подуровнями 2 Sv состояния

..4

Не создается с помощью радиочастотной катушки, подключенной к управляемому генератору Возбуждение

Э

резонанса 2 S атомов гелия приводит к изменению поглощения света накачки, что регистрируется фотодетектором. Сигнал с фотодетектора поступает на систему автоподстройки, с помощью которой частота управляемого генератора -подстраивается под частоту магнитного резонанса

31

атомов гелия. Так как частота магнитного резонанса через гидромагнитное отношение атомов гелия связана с величиной внешнего магнитного поля, измерение этой частоты позволяет определить значение напряженности магнитного поля,

Предлагаемьй способ может быть реализован в щелочно-гелиевом магнитометре, в частности, путем изменения режима работы генератора возбуждения разряда. Для этого в промежутках между импульсами на выходе генератора должно оставаться высокочастотное напряжение с амплиту дои А|, удовлетворяющей условию A,,/Aj $ где А - амплитуда импульсов . Можно также применить кроме импульсного второй генератор, связанный с камерой поглощения, работающий в непрерывном режиме с амплитудой А, .также удовлетворяющей соотношению , :#0,1. Это позволяет повысить чувствительность магни.

907, 4

тометра в 3 раза и уменьшить ориен- тапионную погрепшость его показаний на порядок.

5 Формула изобретения

Способ измерения напряженности магнитного поля, включающий возбуждение импульсным высокочастотным напряжением цезий-гелиевой плазмы, оптической ориентации атомов цезия и регистрации сигнала магнитного резонанса атомов гелия, о т л и ч а

15

20

ю щ и и с я тем, что, с целью повышения точности измерений в интервалах между импульсами импульсного сокочастотного напряжения цезий-гелиевой плазмы, на плазму воздействуют дополнительным высокочастотным напряжением, причем отношение амплитуды А , высокочастотного напряжения к амплитуде А, импульсного напряжения удовлетворяет соотношению А,/ AjiO, .

фиг Л

o. А,/Аг

Comim

A,jAi-0.05

3.0

2.0

W

20

253035

фиг. 2

Редактор В.Иванова

Составитель В.Шульгин Техред Л.Сердюкова

Заказ 228/44

Тираж 731Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва Ж-35, Раушская наб,, д.4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г.Ужгород, ул.Проектная,4

40 ее

Корректор М.Шароши

Изобретение относится к области квантовой магнитометрии, а именно к измерению напряженности постоянного и медленного меняющегося магнитного поля с пойощью квантовых магнитометров с оптической ориентацией атомов. Цель изобретения - повьше- ние точности измерений в интервалах между импульсами импульсного высокочастотного напряжения цезий-гелиевой плазмы. Цель достигается тем. что в способе измерения напряженности магнитного поля на плазму воз- действзтот дополнительным высокочастотным напряжением,при этом отношение амплитуды высокочастотного напряжения к амплитуде импульсного высокочастотного напряжения цезий-га- лиевой плазмы больше нуля, но меньше или равно 0,1. Меньший предел отношения берется больше нуля, т.к. при равенстве нулю повьштения точности измерений не произойдет. Спо- соб может быть реализован с помощью щелочно-гелиевого квантового магнито- метра, включающего источник света-накачки 1, линзу 2, циркулярный поляри- с затор 3, камеру поглощения 4, фотодетектор 5, генератор возбуждения разрядов (ГВР) 6, узкополосный усилитель 7, синхронный детектор 8, генератор модуляции 9, управляемый генератор 10, радиочастотную катушку 11, систему регистрации 12, путем изг менения режима работы ГВР. 3 ил. СЛ , та и 4-«с /5 1 1М- ю HZJ Ь..