Компонентный электронно-спиновый магнитометр Советский патент 1988 года по МПК G01R33/02 

СО

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для одновременного измерения трех компонент вектора напряженности постоянного или медленно меняющегося слабого магнитного поля, в том числе компонент магнитного поля Земли, включая измерения в разведочных скважинах, а также измерения в межпланет- ,« ной среде и во внешней геомагнитосфере, в особенности в инфранизко- частотном диапазоне, где требуется высокая временная и температурная стабильность. .I с

Цель изобретения - повытение точности и надежности- магнитометра,

На чертеже изображена блок-схема предлагаемого магнитометра.

Магнитометр содержит три системы jn компенсирующих катушек 1-3, 4-6, 7 9| магнитные оси которых взаимно ортогональны и совпадают с осями X, Y, Z декартовой системы координат, каждая компенсирующая система кату- 2 шек соответственно состоит из трех последовательно соединенных квадратных катушек 1-3, 4-6, , соответствующие магнитные оси которых совпаают, размещенных на кубическом каркасе, цилиндрическую катушку 10 с ра- бочш- веществом, соединенную с входом лока 11 сигналов поглощения ЭПР и азмещенную в центре объема, образованного тремя системами компеисирую- их катушек, при этом ось цилиндри- еской катущки ID с рабочим веществом образует равные пространственные углы с взаимно-ортогональными магнитыми осями X, Y,. Z трех системном- енсирующих катущек (т.е., ось цииндрической катущки 10 с рабочим вещество.м совпадает с главной диагональю кубического каркаса), три блока 12-14 автоматической компенса- - ции компонент Х, Y и Z вектора напряженности магнитного поля, включающих схемы для усиления, фильтрации и фазового детектирования сигналов поглощения ЭПР на первой гармонике частоты модуляции, схемы формирования токов компенсации, вьрсоды блоков 12,13 и 14 через измерители 15, 16 и 17 токов компенсации подключены к соответствующим системам компенсирующих катушек , 4-6 и 7-9, -5 первый вход блока 12 автоматической компенсации соединен с выходом блока 1 сигналов поглощения, а первые

, 50

,« I с

jn 2-м - -5

50

входы блоков 13 и 14 автоматической компенсации соединены с выходами первого аналогового переключателя 18, вход которого соединен с выходом блока-11 сигналов поглощения, задающий генератор 19, выход которого соединен с входом фазовращателя

20,вторыми входами блоков 13 и 14 автоматической компенсации с входом второго аналогового переключателя

21,а также с входом блока 22 управления аналоговыми переключателями, выход которого подключен к управляющим входам первого и второго аналоговых переключателей 18 и 21, выход фазовращателя 20 соединен со вторым входом первого блока 12 автоматической компенсапии, а также с системой компенсирующих катущек 7-9, выходы второго аналогового переключателя 21 соответственно соединены с системами компенсирующих катущек 1- 3 и 4-6.

Работа магнитометра основана на использовании метода ЭПР. На рабочее вещество, находящееся Б цилиндрической катущке 10, накладываются знакопеременные синусоидальные модулирующие магнитные поля, создаваемые тремя системами компенсирующих катушек 1-3, 4-6, 7-9 (они же мрдулирую- щие) при помощи задающего генератора 9, фазовращателя 20 и второго аналогового переключателя 21, При этом синусоидальное модулирующее поле, например, вдоль оси X создается непрерывно и при помощи фазовращателя 20 сдвинуто по фазе ff/2 относительно синусоидальных модулирующих полей, создаваемых вдоль осей Y и Z,.a синусоидальные модулирующие поля вдоль осей Y и Z при помощи второго аналогового переключателя 2 и блока 22 управления аналоговы и переключателями включаются поочередно на равные дромежутки времени, кратные периоду синусоидальной модуляции, причем переключение производится в момент прохождения через нуль синусоидального модулирующего тока в соответствующих системах компенсирующих катушек. Таким образом, рабочее вещество находится во вращающемся мягнитном поле, причем вращение вектора этого поля неразрывно и периодически переходит из плоскости XUY в плоскость YOZ и обратно (в моменты переключения тока модуляции между соответствуюпшми

системами компенсирукачих катушек). Блок 1 1 сигналов погло1чения, соединенный с цилиндрической катушкой 10, использует вынужденную прецессию электронных спинов и выделяет сигнал поглощения ЭПР,, причем в силу соотО

ветствующей ориентации цилиндрической KajrymKH 10 с рабочим веществом относительно взаимно ортогональных магнитных осей X, Y-и Z систем компенсирующих катушек чувствительность блока 1I сигналов поглощения к магнитным полям в направлениях X,Y н Z одинакова.

Для измерения компонент вектора напряженности магнитного поля применяют компенсационный метод, в котором используется свойство четности линии поглощения ЭПР относительно знакопеременного магнитного поля. ,При равных нулю компонентах измеряемого поля четность относительно вращающегося модулирующего поля не на- рущается и на выходе блока 1I сигналов поглощения присутствует сигнал поглощения ЭПР, в спекторе которого содержатся только четные гармоники частоты модуляции. При не равных нулю компонентах измеряемого поля четность нарушается, и в спектре сигнала появляется составляющая на основной частоте модуляции, имеющая некоторую фазу и амплитуду. Модулирующие поля вдоль осей Уи Z включаются поочередно, что эквивалентно наличию в спектре сигнала поочередно меняющихся двух пар сигналов от компонентов X и Y и от компонент X и Z измеряемого поля, фазы которых совпадают с фазой соответствующего модулирующего поля, а амплитуды зависят от величины соответствующих компонент измеряемого поля. При этом нарущение четности относительно какого-либо знакопеременного модулир пощего поля вызывает только та компонента измеряемого магнитного поля, направление которой совпадает с направлением этого модулирующего поля, а две другие компоненты измеряемого поля в силу своей ортогональности направлению этого модулирующего поля не влияют на нарущение четности и,.следовательно, не дают вклад в сигнал от этой компоненты. t.

Первый аналоговый переключатель 1 при помощи блока 22 управления аналоговыми переключателями поочередно

5

и синхронно с включением соотвеТ ству- ющего модулирующего поля вдоль осей Y и Z подключает выход блока I1 сигналов поглощения к первым входам блоков 13 и 14 автоматической компенсации. Таким, образом, на каждый из первых входов блоков 12-14 автоматической компенсации поступают только сдвинутые по фазе на И/2 сигналы от компонент измеряемого поля, один из которых обязательно соответствует измеряемой компоненте поля, компенсируемой данным блоком.

Блоки 12-14 автоматической компенсации, используя опорные сигналы, поступающие нА их вторые входы с задающего генератора 19 и фазовраща- , теля 20, вьщеляют из спектра сигна- Q ла поглощения ЭПР только первые

гармоники частоты модуляции, которые имеют соответствующую им фазу, а остальные составляющие спектра подавляются, В выходной цепи каждого 5 блока появляется и поддерживается ток такой величины и знака, чтобы с помощью системы компенсирующих катушек скомпенсировать соответствующую компоненту измеряемого магнитного поля. Таким образом, величина постоянной составляющей тока, измеренная в каждой системе компенсирующих катушек с помощью измерителей 1 5-1 7 тока пропорциональна величине каткдой компоненты измеряемого магнитного поля, а знак тока указывает направление этой компоненты.

Упрощение конструкции магнитометра достигается за счет использования цилиндрической катуики с рабо- 4I-IM веществом.

Предлагаемая ориентация оси цилиндрической катушки с рабочим веществом относительно магнитных осей систем компенсирующих катушек обеспечивает повышение не менее чем в два раза точности непрерывного измерения по крайней мере двух из трех измеряемых компонент магнитного поля и, кроме того, эквивалентность точности измерения компонент. Выполнение каждой системы компенсирующих катушек в виде трех последовательно соединенных квадратных катушек, магнитные оси которых совпадают, позволяет путем увеличения однородности компенсирующих полей не менее чем 1в пять раз повысить точность измерений. Кроме того, при заданной точности это

0

5:

0

5

0

5,

позволяет сократить размеры систем компенсирующих катушек.

За счет применения двух аналоговых переключателей и блока управления возможны использование одной частоты модулирующего поля и разделение, с одного датчика сигналов от соответствующих компонент, применяя Только их сдвиг по фазе на /2 и тем самым практически устраняя ошиб- р|у, связанную с аппаратурным разделением сигналов от трех компонент измеряемого поля, что позволяет повысить точность измерений одной из ком- понент на два порядка.

Ф о р м -У л а изобретения

Компонентньш электронно-спиновьш магнитометр., содержащий блок сигналов ЭПРр три системы компенсирунлцих катугаек с взаимно ортогональными магнитными осями, катушку с рабочим веществом, первый, второй и третий блоки автоматической компенсации, первый, второй и третий измерители тока, задающий генератор и фазовращатель, причем катушка с рабочим веществом размещена в центре объема, образованного тремя системами компенсирующих катушек и соединена с входом блока сигналов ЭПР, выходы блоков автоматической компенсации через соответствующие измерители тока подключены к системе компенсирующих катушек, выход фазовращателя соединен с вторым входом первого блока автоматической компенсации и с системой компенсирующих катушек, соответ0

g

0

5

0

5

ствующей этому блоку, первый вход первого блока автоматической компенсации соединен с выходом блока сигналов ЭПР, о. т л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью повьщ ения точности и надежности магнитометра, он дополнительно содержит первый и второй аналоговые переключатели, а также блок управления аналоговыми переключателями, выход задающего генератора соединен с входом фазовращателя, входом второго аналогового переключателя, входом блока управления аналоговыми переключателями, а также с вторыми входами второго и третьего блоков автоматической компенсации, первый вход первого аналогового переключателя соединен с выходом блока сигналов ЭПР 5 а вьсходы соединены с первыми вхо дами второго и третьего блоков автоматической компенсации, выходы второго аналогового переключателя соединены с системами компенсирующих катушек, соответствующих второму и третьему блокам автоматической . компенсации, управляющие входы первого и второго аналоговых переключателей соединены с выходом блока управления аналоговыми переключателямиэ причем катуач- ка с рабочим веществом имеет цилиндрическую форму, и ее ось образует равные пространственные углы с магнитными осями трех систем компенсиру-т; ющих катушек, а каждая из систем компенсирующих катушек выполнена в виде трех последоватех1ьно соединенных квадратных катушек, магнитные оси которых совпадают.

Изобретение может быть использовано для одновременного измерения трех компонент вектора напряженности постоянного или медленно меняющегося слабого магнитного поля. Компонентный электронно-спиновый магнитометр содержит блок сигналов электронного парамагнитного резонатора, три системы компенсирующих катушек 1-3, 4-6, 7-9, магнитные оси которых взаимно ортогональны и совпадают с осями X, ,Y, Z декартовой системы координат, катугаку 10 с рабочим веществом, блоки 12-14 автоматической компенсации, измерители 15-17 тока, задающий генератор 19, фазовращатель 20, аналоговые переключатели 18,21 и блок 22 их управления. Компонентный электронно-спиновый магнитометр высокоточен и надежен в .работе. 1 ил. с 9