Устройство для определения характеристик магнитного поля Советский патент 1991 года по МПК G01R33/32 

/HZE

/I

KS

$ч

I

t,

с

о

Н

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения параметров магнитного поля. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей за счет определения вектора магнитного поля произвольного направления. Устройство содержит кольцевой лазер, образованный отражателями 1 и активным элементом 2, фотосмеситель 6, фо

00

о со ю

N

топриемник 7 и первый регистратор 8. Цель достигается введением блока 11 оперативной памяти, блока 12 постоянной памяти, блока 10 согласования, вычислителя 13, блока 9 управления и синхронизации,управляИзобретение относится к измерительной технике и предназначено для определения параметров магнитного поля.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей за счет определения вектора магнитного поля произвольного направления.

На фиг.1 представлена структурно-функциональная схема устройства; на фиг.2 - схема выбора системы, позволяющей определять положение вектора магнитного поля в пространстве относительно активного элемента кольцевого лазера.

Устройство (фиг.1) содержит кольцевой оптический резонатор, образованный отражателями 1, активный элемент 2 с усиливающей активной средой, фазовый невзаимный элемент 3, формирователь 4 векторов поляризации волн, управляемый источник 5 постоянного напряжения, фотосмеситель 6 с фотоприемником 7 разностной частоты, первый регистратор 8, блок 9 управления и синхронизации, блок 10 согласования, блок

11оперативной памяти, блок 12 постоянной памяти, вычислитель 13 и второй регистратор 14.

Выход кольцевого лазера через фотосмеситель 6 оптически связан с входом фотоприемника 7,Ъыход которого соединен с входом первого регистратора 8, выход которого через блок 10 согласования, блок 11 оперативной памяти и вычислитель 13, второй вход которого подключен к выходу блока

12постоянной памяти, соединен с входом второго регистратора 14. Второй упрарляю- щий вход блока 11 оперативной памяти и первый управляющий вход управляемого источника 5 постоянного напряжения, выход которого соединен с входом формирователя 4 векторов поляризации волн 4, соединены с первым выходом блока 9 управления и синхронизации, второй выход которого подключен к второму управляющему входу источника 5 напряжения и третьему уп равля- ющему входу блока 11 оперативной памяти.

В газовом кольцевом лазере (КЛ) выбирается базовая декартовая система координат (фиг.2), у которой ось OZ направлена вдоль волнового вектора з.з1, т.е. продольной оси активного элемента (индексы S, S относятся к встречным электроманитным

емого источника 5 постоянного напряжения и второго регистратора 14, а также введением в резонатор кольцевого лазера формирователя 4 векторов поляризации волн и фазового невзаимного элемента 3. 2 ил.

волнам (ЭМВ), в плоскость XOZ совпадает с плоскостью кольцевого резонатора.

В этой системе координат векторы поляризации волн лежат в плоскости, парал- лельной плоскости XOY, и характеризуются углом ,s между осью ОХ и большой осью эллипса вектора поляризации (азимут) и отношением Јs,s малой оси эллипса к боль- шой (коэффициент эллиптичности).

Внешнее магнитное поле Н произвольного направления ориентирует дипольные моменты микрочастиц газообразного активного вещества и с ним можно связать правую декартовую систему координат, в которой ось OZ направлена вдоль вектора Н. Тогда в базовой системе координат вектор Н однозначно определяется своим модулем И и углами Эйлера: углом нутации в между Ks и Н, углом процессии р и углом чистого вращения р.

Выражение для частоты биения встречных ЭМВ газового КЛ имеет вид

Јfe А ш - (os - 0s ) +

1

+ Щ(р+р -р-р+}(1)

где Дш-частота подставки, исключающей захват встречных волн в КЛ; °s,s - коэффициенты, характеризующие

усилительные и дисперсионные свойства активного вещества на частотах генерации ЭМВ;

С - среднее превышение усиления над потерями;

So, Р+ , /3-- коэффициенты нелинейного взаимодействия ЭМВ,

/8± Re /3± ; /3±

So(/5 ss s s ss-/ s s ):

/6± (/3SS-/3s s)± s s - Јss );

ft ss P s s и ft s s /6 s s - коэффициенты авто- и кросснасыщения ЭМВ.

При этом коэффициенты os.s зависят от модуля вектора магнитного поля i FT| и угла нутации в

CFS.S os,s (l Ж cos Й-(2)

а коэффициенты авто- и кроеснзсыщэ- ния дополнительно - от поляризационных параметров волн ps,s es.s и углов р

i t /5f t / i I i i

/ ss.s s ,ss .s s -/ ss.s s .ss ,s s U H I cos 0, sin 0. sin 2 a , cos 1 a., p, ps , , ES . fs ) ; 2 a - ps -f 905 - 2 9.(3)

Из (1) с учетом (2) и (3) следует, что, задаваясь п различными значениями поляризационных параметров волн ps.s и ESS можно составить следующую систему уравнений:

Qg iW-flofiH,cose{aJ) D(iTTl,sirje,cos9, sin 2 05201,4/,. , Јfs1,s ,{a;}) Ci S2(6 Uuu7-uff(lW,cose{ i;} DfiHl,sin8,cosS

frt) S,S

Sin 2oc, cos M ,M .;; , 6,, {a;})

ES,S

o(n QB и

где 3i -- параметры КЛ, .„16 (1).

Система уравнений (4) может быть решена относительно вектора Н Н(|1Т| , -9, /, 1/0 только при известных значениях поля риза(О (О

ционных параметров волн ss (п) (п)(1)

s,s es,s .частотбиенийQБ параметров КЛ { ai}.

Сетка из п значений параметров ЕЙ (р может задаваться, а совокупность параметров laj}уточняться на этапе калибровки КЛ,

() при этом значения Qg , соответствующие

() определенной комбинации параметрове$ s и

(О

ps{s i измеряются уже на этапе определения вектора Н. Значение числа п зависит от количества уравнений, необходимых для определения вектора Н. Например, при извест- ной величине IНI для определения углов О, р и ip число п должно быть не менее шести, (из-за наличия компонент в уравнениях (4), пропорциональных cos 4в, sin 2 a, cos 2а).

Устройство работает следующим образом.

В кольцевом резонаторе с помощью активного элемента 2 формируется одномодо- вый режим генерации встречных волн, при этом фазовый невзаимный элемент 3 обеспечивает известную начальную разность частот Aft) встречных волн для исключения их захвата. Управляемый источник 5 постоянного напряжения 5 подает на формирователь 4 первоначальное постоянное напряжение, что обусловливает наличие у волн известных поляризационных параметров ss

(О

ESS .Встречные волны смешиваются фотосмесителем б и поступают на фотоприемник

20

30

35

40

разностной частоты. Выделенный ч фото

( )

приемникеТсигналчастагыбиеччй Qp фиксируется первым регистратором 8, преобразуется

Ю в блоке 10 согласования для запоминания ч блоке 11 оперативной памяти. На первом выходе блока 9 управления п синхронизации через интервал определения частоты биения tw выдается упраэлрюший сигнал, по

15 которому источник 5 изменяет скачком напряжение на формирователе 4. что приводит к изменению поляризационных параметров волн (они становятся равными известным

(2) (2) величинам sзи ess ). Г ои этом ч блекл

( }

11запоминается величина QB .Таким

образом, осуществив по сигналам блока 12 я переключений формирователя 4, к.ожно в блоке 11 оперативной памяти афиксироС1) (О

ззть значений частоты Q5 ... . Qg

Через период То на втором выходе блскз 9 появляется управляющий сигнал, покотооо(1)(п)

му измеренные значения QB QB и

О) О)

заранее известные величины ( Јs

(n) (-0

Ps,s es,s ai} поступают i.3 блоков i i и

12памяти в вычислитель 13, где осуществляется расчет параметров вектора магнитного поля | Н |, в , ip и р путем решения системы уравнений (4). Найденные параметры магнитного поля фиксируются во втором реги- стпаторе 14, Кроме того, сигнал с второго выхода блока 9 переводит источник 5 напряжения, а следовательно, и формирователь 4 в исходное состояние, после чего цикл измерений может повторяться.

45Ф о р м у л а и з о б р е т е и и я

Устройство для определения характеристик магнитного поля, содержащее кольцевой газовый лазер, образованный отражателями и активным элементом, причем выход лазера че50 рез фотосмеситель оптически связан с входом фотоприемника, выход которого электрически подключен к входу первого р истратора, о т- личающееся тем, что, с цалью расширения функциональных возможностей за

55 счет определения вектора магнитного поля произвольного направления, в него введены опок оперативной памяти, блок постоянной памяти, блок согласования, вычислитель, блок управления и синхронизации,управляемый источником постоянного напряжения, и второй регистратор, а в резонатор лазера введены формирователь векторов поляризации волн и.фазовый невзаимный элемент, при этом выход первого регистратора через блок

согласования, блок оперативной памяти и вычислитель, второй вход которого подключен к выходу блока постоянной памяти, соединен с входом второго регистратора, а второй управляющий вход первого регистратора, второй управляющий вход блока оперативной памяти и первый управляющий вход управляемого источника постоянного напряжения, выход которого соединен с входом формирователя векторов поляризации волн, соединены с первым выходом блока управления и синхронизации, второй выход которого подключен к второму управляющему входу управляемого источника постоянного напряжения и ктретьему управляющему входу блока оперативной памяти.