КВАНТОВЫЙ МАГНИТОМЕТР Советский патент 1973 года по МПК G01V3/14 

Изобретение относится к магнитометрии и может быть использовано для построения квантовых .магнитометров, работающих в автоколебательном режиме и измеряющих слабые магнитные поля на Земле и в космическом пространстве.

Известны. квантовые самоосциллирующие Магнитометры, содержащие датчик с оптической ориентацией магнитных моментов атомов или ядер и цепь обратной связи для поддержания автоколебаний, имеющую усилитель сигнала процессии и фазовращатель, выход которого соединен с радиочастотной катушкой Датчика.

Однако известные квантовые магнитометры имеют недостаточную точность измерений, что обусловлено трудностью .корректировки фазы в .кольце обратной связи при самогеперации в широком диапазоне магнитных полей.

Целью изобретения является уменьшение Цогрешности измерений.

Для этого во входном канале цеии обратной связи магнитометр содержит ячейку фазовой памяти сигнала процессии, выходы которой соединены с управляющими входами ключа, установленного между выходом фазовращателя и радиочастотной катушкой датчика с опгической ориентацией магнитных моментов атомов или ядер. Это приводит к тому, что сигнал спиновой прецессии имеет в целом характер свободных колебаний, отличающихся большей стабильностью. Изобретение пояснено чертежами. На фиг. 1 приведена блок-схема магнитометра; на фиг. 2 - циклограммы колебательных процессов на входе усилителя; на фиг. 3 - на радиочастотной катушке.

Квантовый магнитометр содержит датчик с оптической накачкой, цепь обратной связи и

регистратор магнитного поля.

Датчик содержит спектральную лампу 1 (с парами рабочего вещества, например щелочного металла или изотопов ртути Яg , помещенную в катущку 2 колебательного контура высокочастотного генератора 3, контрольный фотодиод 4, фокусирующие линзы 5, поляроид 6, четвертьволновый фазовращатель 7, ячейку поглощения 8, покрытую парафином или наполненную буферным газом, радиочастотную катушку 9, фотоприемник 10.

Цепь обратной связи содержит усилитель И сигнала свободной прецессии, фазовращатель 12, ключ 13 с управляющими входами 14, 15, ячейку фазовой памяти 16, устройство сброса 17.

В качестве регистратора 18 может быть использоваи, например, частотомер.

Квантовый магнитометр работает следующим образом.

Интенсивность излучения спектральной лампы 1, возбуждаемой высокочастотнЫМ разрядом в катушке 2 .колебательного контура генератора 3, .контролируемого фотодиодом 4, включенным в цепь управления мощностью высокочастотного генератора 3. Излучение, проходя через линзу 5, поляроид 6, фазовращатель 7, приобретает параллельность и циркулярную поляризацию (6±). При этом в ячейке 8 создается момент ±-Mz- Вращающийся с частотой Лармора .магнитный момент MI, у модулирует интенсивность проходящего через ячейку 8 излучения на частоте соо что регистрируется фотоприемником 10, связанным через цепь обратной связи с радиочастотной катушкой 9.

Сигнал на частоте соо снимается с фотодиода 10 и поступает на вход усилителя И, один выход которого соединен с регистратором 18, другой - с фазовращателем 12, обеспечивающим фазовые условия самовозбуждения по фазе 0±2л.

Далее сигнал поступает на ключ 13, который периодически замыкает и размыкает цепь радиочастотной катушки 9 датчика с выходом фазовращателя 12. Ключом 13 управляет ячейка фазовой памяти 16 сигнала прецессии, в качестве которой может служить, например, устройство типа делителя частоты. Работа ключа 13 с ячейкой фазовой памяти 16 задается устройством сброса 17, в качестве которого может служить «нопочный включатель. Сигнал сброса поступает на управляющий вход 14, и ключ замыкает цепь обратной связи, т. е. фазовращатель 12 с радиочастотной катущкрй 9, после чего начинается процесс возбуждения автоколебаний (фиг. 2).

Время нарастания колебаний Ti2 (фиг. 2), после которого устанавливается стационарный режим, зависит от ширины полосы пропускания усилителя.

.Чем больше ширина полосы, тем меньше Ti2. При ширине полосы усилителя 200 кгц, обычно иснользуемой на практике, время tia составляет менее десяти микросекунд. Таким образом, если период Т прецессии составляет 5,6 мжсек (для поля земли - 0,51 эй рабочего вещества , то после замыкания ключа 13 режим автоколебаний устанавливается через 5-10 периодов (фиг. 2).

Поскольку начало каждого периода запоминается в ячейке фазовой памяти 16 в виде импульса, то этот же импульс (например импульс, выработанный началом пятого периода, когда процесс вынужденных колебаний уже установился) используется для подачи на второй управляющий вход 15 ключа 13 и цепь

обратной связи разрывается с началом пятого периода.

После разрыва цепи обратной связи начинается процесс свободных колебаний спин-системы с уменьшением амплитуды в е раз в течение времени .Lf (время релаксации поперечной оссиллирующей компоненты ,у). На практике это время рела.ксации TJ может

133

быть от 0,5 до 30 мсек для атомов Cg и

, для ядер Не - десятки секунд, а для ядер ,201 - сотни секунд. Время Т2з (см. фиг. 2) выбирают из условия Т2з :; xv Пусть время Tj 2 мсек - период прецессии Т 5 мксек, а ячейка фазовой памяти заполняется полностью через периодов частоты прецессии. Тогда через время Т2з мксек ячейка фазовой памяти 16 выдает импульс на управляющий вход 14 ключа 13 и замкнет цепь обратной связи. Начнется процесс вынужденных колебаний, который затем прервется снова через четыре периода. Таким образом повторяется процесс в динамике.

Время свободных колебаний Т2з значительно больше времени вынужденных колебаний

Ti2, т. е. и составляет величину -

«1

50, где По и rti - количество периодов свободных и вынужденных колебаний спин-системы соответственно.

Поскольку длительность свободных колебаний может быть значительно больше вынужденных, то во столько же раз снижается влияние действия радиочастотного поля. Процесс

автоколебаний приближается к характеру свободной прецессии, отличающейся большей стабильностью, лучшими метрологическими характеристиками и приводит к .уменьшению погрешности измерений.

Предмет изобретения

Квантовый магнитометр, содержащий датчик с оптической ориентацией магнитных моментов атомов или ядер, усилитель сигнала прецессии, фазовращатель, регистратор и цепь обратной связи, связывающей выход фазовращателя с радиочастотной катушкой, отличающий ся тем, что, с целью уменьшения погрешности

измерений, он содержит во входном канале цепи обратной связи ячейку фазовой памяти сигнала прецессии, выходы которой соединены с управляющими входами ключа, установленного между выходом фазовращателя и радиочастотной катушкой датчика с оптической ориентацией магнитных моментов атомов или ядер.

BtuHt/fi deHHafl прбцесса/ С5о5одная прецессии

S /nyfiidsHHa fl пргцсссил.