Квантовый магнитометр Советский патент 1996 года по МПК G01V3/14 

1

(22) 28.02.89

(21) 4656446/25 (46) 10.06.96 Бюл. № 16 (72) Ермак С.В., Никифоров Н.Ф., Семенов В.В.

(71) Дальневосточный политехнический институт им.В.В.Куйбышева

(56)1. Померанцев Н.М. и др. Физические основы квантовой магнитометрии. -М-: Наука, 1972, с.108-112. 2. MeiUeroux J.L. Progres recents sur le magnetometre a vapeur de cesium tyre Asserki. Revue de physigue Appliguer, 1970, v.5, nl, pp.121-130.

(54) КВАНТОВЫЙ МАГНИТОМЕТР

(57)Изобретение относится к квантовой магнитометрии и может быть использовано в качестве бортовой аппаратуры на движущихся и вращающихся носителях. Цель

изобретения - увеличение точности измерения за счет компенсации ориентационной погрешности при работе на движущихся и вращающихся носителях. В схеме магнитометра используется оптическая накачка двух поглощающих ячеек светом с разной круговой поляризацией и индуцирование магнитного резонанса в этих ячейках на частотах FI и 2 с помощью импульсного радиочастотного поля, что обеспечивает достижение высокого фактора качества в многорезонансной структуре формируемой линии. При этом суммарная частота не зависит от ориентации оптической оси магнитометра относительно направления измеряемого поля. 2 ил.

и

d

ON С-П

л

bJ

н

ы

s

т-Н

(N Ю 1Г

ЧО

р

со

31

Изобретение относится к квантовой магнитометрии и может быть использовано в качестве бортовой аппаратуры на движущихся и вращающихся носителях.

Целью изобретения является повышение точности измерения за счет компенсации ориентационной погрешности при работе на движущихся и вращающихся носителях.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства; на фиг. 2 - структура пичковых линий магнитного резонанса для паров щелочных металлов.

Магнитометр (фиг. 1) содержит оптический тракт, который состоит из расположенных на одной оси лампы накачки 1, двух циркулярных поляризаторов 2 и 3, двух поглощающих ячеек 4 и 5 и двух фотоприемников 6 и 7, двух радиочастотных катушек 8 и 9, охватывающих поглощающие ячейки 4 и 5 и подключенных к выходам модуляторов 15 и 11, первые входы которых подсоединены к выходу импульсного генератора 12, а вторые входы модуляторов подсоединены к первым выходам радиочастотных генераторов 13 и 14, вторые выходы которых присоединены к сумматору 15 частоты, входы генераторов 13 и 14 соединены с выходами схем 16 и 17 автоподстройки частоты, первые входы которых соединены с фотоприемниками 6 и 7, а вторые входы соединены с выходом звукового генератора 18.

Магнитометр работает следующим образом.

Свет от лампы накачки 1 через поляризаторы 2 и 3 попадает в поглощающие ячейки 4 и 5, осуществляя оптическую накачку атомов паров щелочного металла светом с разной круговой поляризацией ((о и о)).

Магнитометр работает на основе использования периодического прохождения магнитного резонанса, для чего частоты радиочастотных генераторов 13 и 14 модулируются низкой частотой от звукового генератора 18.

Вокруг ячеек 4 и 5 формируется импульсное радиополе с помощью радиочастотных генераторов 13 и 14, модуляторов 10 и 11, импульсного генератора 12 и радиочастотных катушек 8 и 9, охватывающих поглощающие ячейки 4 и 5.

Воздействие импульсного радиополя на атомную структуру индуцирует сигнал магнитного резонанса, который образует пнчко- вую структуру (фиг. 2). Сигналы магнитных резонансов выделяются на фотоприемниках 6 и 7 и подаются на схемы 16 и 17 автоподстройки частоты. Схема 16 автопод

строики частоты настраивает радиочастотный генератор 13 на частоту F,, лежащую слева от центра пачки пиков, а схема 17 автоподстройки частоты настраивает радиочастотный генератор 14 на частоту F,, лежащую справа от центра пачки пиков. Сумматор 15 частоты выделяет частоту

F

F +F

1 2

которая не зависит, от ориентационной зависимости, а также от стабильности следования радиоимпульсов.

Настройка радиочастотных генераторов 13 и 14 на частоты F, и F, осуществляется либо вручную, либо автоматически. При автоматической настройке импульс, прекращающий поиск сигнала, вырабатывается после определенного числа импульсов сигналов магнитного резонанса пичковой структуры (фиг. 2), причем поиск сигналов магнитных резонансов для канала со светом накачки о и для канала со светом накачки о , осуществляется с противоположных сторон.

Преимущества устройства обеспечиваются за счет применения импульсных радиочастотных полей для индуцирования сигналов магнитного резонанса, которые в отличие от практикуемой методики стационарного радиочастотного поля образуют многорезонансную пичковую структуру с расстоянием между отдельными пиками, равным частоте следования радиоимпульсов. Ширина отдельного пика и его интенсивность зависят от частоты следования радиоимпульсов f, длительности i радиоимпульсов и их амплитуды Н,, причем эти параметры должны находиться в определенном соотношении между собой. Установление этого соотношения основано на экспериментальных данных сравнения сигналов магнитного резонанса, индуцируемых непрерывным и импульсным радиочастотным полем. Наличие оптимума по частоте f, длительности т и амплитуды Н, радиоимпульсов может быть объяснено следующим образом.

Импульсное радиочастотное поле, воздействуя на атомную систему, вызывает изменение продольной компоненты вектора намагниченности ДМ, созданного в результате оптической накачки. Это изменение фиксируется по поглощенному в камере с парами щелочных металлов свету, регистрируемому фотоприемником, при этом сигналфотоприемникапропорционаленвеличине ДМ. Степень изменения тем выше, чем интенсивней амплитуда Н радиочастотного поля и длительность т радиоимпульсов.

При постоянных значениях Н, и г величина ДМ будет зависеть от числа актов воздействия радиополя на атомную систему, т.е. от частоты следования радиоимпульсов f. Если f стремится к нулю, а Н, и г - постоянны, то отклик атомной системы на воздействие радиоимпульсов должен уменьшаться вследствие уменьшения величины ДМ. Очевидно это уменьшение может быть скомпенсировано увеличением либо Н,, либо г. Таким

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Квантовый магнитометр, содержащий оптический тракт, включающий лампу накачки и расположенные на одной оси симметрично относительно лампы накачки два циркулярных поляризатора, две поглощающие ячейки, два фотоприемника и две радиочастотные катушки, охватывающие ячейки поглощения, а также звуковой генератор, первый радиочастотный генератор со схемой автоподстройки частоты (АПЧ) этого генератора, при этом схема АПЧ радиочастотного генератора подключена первым входом к выходу первого фотоприемника, вторым входом - к выходу звукового генератора и выходом - к входу радиочастотного генератора, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения за счет компенсации

FI + FI

13 J Ю ft 1J

ц..,-I 1-1-1ij-i i-,

2 , 7 5 ,-J

6

0O(

Заказ 6п

ВНИИПИ, Per. ЛР № 040720 113834, ГСП, Москва, Раушская наб., 4/5

образом параметры f, H; и г должны быть связаны определенным соотношением, регламентирующим оптимальный вариант формирования сигнала, который реализуется в устройстве. Это соотношение, установленное экспериментально, имеет вид

H,0,7(fr-T), где Т - время релаксации атомной системы.

ориентационной погрешности при работе на движущихся и вращающихся носителях, в него введены второй радиочастотный генератор со схемой АПЧ этого генератора, два модулятора, импульсный генератор и сумматор частоты, причем схема АПЧ второго радиочастотного генератора подключена первым входом к выходу второго фотоприемника, вторым входом - к выходу звукового генератора и выходом - к входу соответствующего радиочастотного генератора, выход импульсного генератора подключен к первым входам модуляторов, а радиочастотные генераторы подключены первыми выходами через модуляторы к радиочастотным катушкам и вторыми выходами - к входам сумматора.

d +

Подписное