Квантовый магнитометр Советский патент 1990 года по МПК G01R33/00 

.Zir89 -

§

W

со ю

cd

Слд 00

ФШ

и вариаций этого градиента, а также уменьшение габаритов. Для этого в введены зеркала 3 или призмы полного внутреннего отражения, а входы поляроидов 5 и ВЫХОДЫ интерференционных фильТров А оптически связаны через соответствующие зеркала или линзы полного внутреннего отражения, при

этом камеры 7, 8 поглощения установлены вплотную одна к другой. Квантовый ММ содержит также лампу 1 накачки, линзовый конденсатор 2, поляроид 5, четвертьволновую пластинку 6, фотоде текторы 10, блок 11 возбуждения и регистрации сигнала, радиочастотные катушки 12, 3 шт.

Изобретение относится, в частное ти, к магнитометрам (ММ) с оптической ориентацией атомов, и может быть использовано для измерения земного магнитного поля и его вариаций при размещении КМ на подвижном носителе, Цель изобретения - повышение точности и чувствительности ММ путем снижения влияния градиента магнитного поля

Изобретение относится к магнитометрической технике, в частности к 15 магнитометрам с оптической ориентацией атомов; и может быть использовано для измерения земного магнитного поля и его вариаций при размещении магнитометра. На подвижном носителе. 20

Целью изобретения является повьппе- иие точности и чувствительности магни- , тометра путем снижения влияния градиента магнитного поля и вариаций этого градиента, а также уменьшение га- 25 баритор.

На фиг.1 приведена структурная схеме квантового магнитометра с двумя камерами поглощения; на фиг.2 - сечение.А-А на фиг.1; на фиг.З - се- 30 чение Б-Б на фиг.1.

Устройство содержит спек 1 ральн то лампу 1 накачки, линзовые конденсоры 2, зеркала 3 (или призмы полного внутг реннего отражения), интерференционные 35 фильтры 4, поляроиды 5, четвертьволновые пластинки 6, камеры 7, 8 поглоще- ния, линзы 9, фотодетекторы 10, блок ill возбуждения и регистрации сигнала :и радиочастотные катушки 12. При этом 40 спектральная лампа 1 накачки оптичес-; ки связана через соответствующие лин - зовые конденсаторы 2, зеркала 3 (или призмы полного внутреннего отражения) интерференционные фильтры 4, полярой-45 ды 5, четвертьволновые пластинки 6, жамеры поглощения 7, 8 и линзы 9 с тодетекторами 10, выходы которых подключены к первому и второму входам блока 11 возбуждения и регистрации jg |сигнала, выход которого соединен с радиочастотными катушками 12. Интерференционные фильтры А могут: располагаться как после зеркал 3 (или призм полного внутреннего от- 55 ражения ), так и до них (на фиг.1 показано пунктидрм).

: Магнитометр может быть ВЫПОЛНЕН с двумя или тремя камерами поглощения, оптические оси которых перпендикулярны (М -магнитометр) или составляют углы 45 или 135 (М -магнитометр) , а также с большим числом камер .

Магнитометр работает .ч об- разом.

Световое излучение спектральной лампы 1 накачки собирается ii параллельные пучки линтоти.ии конденсора-) ми 2 и, отразившись от зеркал 3 или призм полного в: 1утреннего отражения, попадает на интерференц юнные ,филыры А, пропускающие то.пько спект- pajiiiHyw линию, необходимую для ориен- тацин атомов в камерах 7, 8 поглощения. После прохождения поляроидов 5 . и четвертьволновых пластинок 6 зто излучение .становится циркулярно поляризопанным и осуществляет оптическую optieHTBiunn атомов в камерах 7, 8 поглощения. Магнитный резонанс .атомов рабочего вещества камер поглощения возбуждается радиочастот}1ым магнитным полем радиочастотных катушек 12, запитьгоаемых переменным током от блока 11 возбуждения и регистрации сигнала. В условиях магнитного резонанса световое излучение,собираемое на фотодетекторы 10 линзами 9, оказывается модулированным по интенсивности. Выходные сигналы фотодетекторов 10 суммируются в блоке 11 возбуждения и регистрации сигнала и используются для формирования несущей частоты радиочастотного магнитного поля. Таким образом замыкается цепь .обратной связи, обеспечивающая на выходе блока 11 возбуждения и регистрации сигнала возникновение колебаний с частотой, определяемой величиной измеряемого магнитного поля.

Для М,-магнитометра блок 11 состо- ит из радиочастотного генератора,

стройства, модулирующего частоту сигнала этого генератора, подарчемо

го на радиочасто.яые катушки 12, а также из подключенного к фотодетекторам, 10 суммирующеги усилителя, настроенного на частоту модуляции и соединенного с этим усилителем синхрон- ного детектора, сигнал которого управляет частотой радиочастотного ге-, нератора, дающего на выходе блока II информацию о величине измеряемогоIQ

магнитного лоля.

Для Mjf-магнитометра, блок 1 I состоит из широкополосного усилителя с полосой, перекрывающей диапазон резонансных частот рабочих атомов, подклю-15 ценного своими входами к фотодетекторам )0, а выходом к радиочагтотной катушке 12. Частота выходного сигнала этого усилителя дает значение из.-. меряемого магнитного ноля.20

Зависимость амплитуд А |-в гходнЕ-гх сигналов фотодетектороп 10 от 0ругла между оптической осью i-и камеры поглощения и напраплеичем измеряемого магнитного гтолп - (яфеделяется25 формулой Aj Kcos О,- ( магнитометра М -тина) или A; l,sin б,- cos 0; (для М,-типа), где К -.не зависящий от 0- кoJффициeнт.

В трехкамерном варианте всегда . ЗО можно выбрать углы между оптическими осями камер поглощения такими, чтобы вьо:одные сигналы фг тодетекторов 10 не обращались одноырёмг:нно в ноль при любых ориентациях. Магииточувствитель- ный npeofipasoaaTejib такого магнитометра не требует ориентации по отношению к направлению измеряемого магнитного поля.

Двухкамерный вариант магниточувст- о витального преобразователя имеет мертвую зону в ориентационной зависимости амплитуды сигнала - зону нечувствительности - в тех случаях, когда измеряемое магнитное поле со- 45 ставляет угол, близкий к 90, с плоскостью оптических осей камер поглощения. Однако наличие мертвой зоны не препятствует использованию такого магнитометра в целом ряде техничес- 50 ких приложений. Для магнитометра

-Tfffla оптимальное положение осей ка35

IQ

-1520

25

.92938 6

мер поглощеиия взаимно ортогональное, для М -типа углы между осями камер около 5 или 135 .

Расположение камер 7, 8 поглощения, вплотную одна к другой позволяет в условиях магнитного поля, обладающего существенной неоднородностью, что часто встречается на практике, значительно уменьшить разницу в значениях магнитного поля на камерах поглощения и, следовательно, весьма существенно снизить влияние градиента измеряемого поля и его вариаций , на чувствительность и точность маг- нитометра.

Достигаемое в изобретении значительное (я 1,5-2 раза) уменьшение габаритов магниточувствительного преобразователя магнитометра весьма существенно расширяет возможности использования квантовых магнитометров на подвижных носителях.

Ф о р м у л а изобретения

Квантовый магнитометр, содержащий не менее двух камер поглощения с общей лампой накачки, установленные последовательно перед каждой камерой поглощения линзовьпЧ конденсор, интерференционный фильтр, поляроид, четвертьволновую пластинку, причем оптические оси камер поглощения, помещенных в радиочастотные катушки, образуют между собой заданные углы, после камер поглощеиия установлены фотодетекторы, соединенные с входами блока возбуждения и регистрации сигнала, выход которого подключен к радиочастотным катуикам, о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что, с целью повышения точности и чувствительности путем снижения влияния градиента магнитного поля и вариаций этого градиента, а также уменьшения габаритов, в него введены зеркала или призьты . полного внутреннего отражения, распо- ложенные непосредственно после линзог вьгх конде:1соров или интерференционных фильтров, а камеры поглощения установлены вплотную одна к другой.

А-А

Ш.2 ,

6-6

Фаг.З .