МАГНИТОМЕТР Советский патент 1974 года по МПК G01V3/14 

1

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано при измерении магнитных полей в геологоразведке, лабораторных исследованиях, записи вариаций магнитного поля Земли, метрологических работах.

Известен магнитометр, основанный на использовании магнитного резонанса в парах оптически ориентированных атомов щелочных металлов, состоящий из датчика и радиотехнического блока. Датчик состоит из СВЧ генератора, лампы, линз, светофильтра, поляризатора, поглотителя, фотонриемника, установленных на одной оптической оси, и двух пар катущек - радиочастотных и модуляционных. Радиотехнический блок включает в себя генератор радиочастоты, подключенный к радиочастотным катушкам, модулятор, подающий в качестве опорного сигнал низкой частоты на модуляционные катушки и фазовый детектор, усилитель, усиливающий сигнал с фотоприемника и подающий его на фазовый детектор, выход которого подключен к самописцу.

Динамический диапазон известного магнитометра ограничивается примерно четвертью ширины рабочего сигнала, магнитометр дает высокую погрешность измерений. Эго обусловлено тем, что с выхода фазового детектора магнитометра снимается сигнал, являющийся производным от рабочего ассимегричной формы сигнала, вследствие чего коэффициент преобразования напряженности магнитного поля в регистрируемый самописцем

сигнал нелинеен по диапазону.

Цель изобретения - повышение точности измерения, а также расширение динамического и рабочего диапазонов магнитометра. Цель достигается тем, что предлагаемый

магнитометр снабжен установленной между поглотителем и радиочастотной катушкой дополнительной, поглощающей катушкой и подключенным к ней регенератором. Это позволяет повысить точность измерения более, чем на

порядок, и расширяет динамический диапазон примерно в два раза. Рабочий диапазон уверенной работы магнитометра также расширяется на 0,2-0,3 э.

На фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого магнитометра; на фиг. 2 - электрическая схема регенератора; на фиг. 3 - типичный вид рабочего сигнала магнитометра на изотопе Rb 87.

Предлагаемый магнитометр содержит лампу (источник излучения) /, подключенную к СВЧ генератору 2; оптическую систему, состоящую из расположенных на одной оптической оси линзы 3, светофильтра 4, поляризатора 5;

поглотитель 6, фокусирующую линзу 7 и фотоприемник 8. Модулятор 9 связан с модуляционной катушкой 10 и фазовым детектором

11,выход которого подключен к самописцу

12.Генератор радночастоты 13 связан с радиочастотной катушкой 14. Катушки 10 н 14 охватывают поглотитель 6. Фотоприемник 8 подключен к усилителю 15, с которым связан фазовый детектор 11. Между поглотителем 6 н радиочастотной катушкой 14 размешена дополнительная поглошаюш,ая катушка 16, подключенная к регенератору 17.

Лампа /, представляюш;ая собой стеклянную сферу диаметром 10-12 мм, заполнена буферным газом, криптоном или пеоном, а также несколькими миллиграммами шелочного металла (Rb или Cs). При возбуждении ее высокочастотной энергией, поступаюпцей с СВЧ генератора 2, лампа излучает щелочной дублет Д,.. Линза 3, в фокусе которой расположена лампа /, посылает параллельный световой поток на светофильтр 4, выделяющий из него рабочую спектральную линию Ль Поляризатор 5 создает преимущественную циркуляцию поляризации линии Л и пропускает световой ноток на поглотитель 6. Последний представляет собой стеклянный цилиндрической формы баллон, заполненный инертным газом (Ne, Аг, Кг, Не и т. д.) и нарами щелочного металла (Rb или Cs). Поглощая кванты света требуемой длины волны (ДО. ансамбль атомов щелочного металла поляризуется, магнитные моменты атомов приобретают определенные направления относительно внешнего магнитного поля Яо, в полном соответствии с зеемановским энергетическим расщеплением. Между зеемановскими подуровнями, в связи с различной степенью их заселенности, создается возможность магнитных резонансных переходов. В момент совпадения частоты подключенного к радиочастотной катушке 14 радиогенератора 13 с частотой зеемановских переходов происходит заметное поглощение световой энергии, фиксируемое фотоприемником 8. Периодически изменяя измеряемое постоянное магнитное поле Но с помощью низкочастотного сигнала модулятора 9, подаваемого на модуляционные катушки Ю, получают повторяющуюся картину светового импульса, преобразуемого фотоприемником 8 в электрический сигнал.

Сигнал магнитометра в магпитных нолях, меньших 0,7 э, представляет собой огибающую целой серии неразрешенных зеемановских резонансных линий {для - серия из четырех линий, для Cs - серия из восьми линий) с различной интенсивностью, что обуславливает асимметричность его формы.

На фиг. 3 изображен сигнал на выходе магнитометра на изотопе , представляющий собой суперпозицию резонансных линий с частотами /ь k /з, /4Принцип работы регенератора 17 с ноглощающей катушкой 16, включенного в схему магнитометра, основан на отбирании ноглощаюшей катушкой 16 части радиочастотной энергии, нодаваемой на поглотитель 6 генератором радиочастоты 13 с радиочастотной катушкой М. Меняя величины сонротивления R и емкости С в схеме регенератора (фиг. 2), можно настроить поглошающую катушку с индуктивностью L на частоту нервой боковой

10 резонансной линии /г (фиг. 3) или на частоту, близкую к линиям /2 и /3, вносящим основной вклад в искажение формы рабочего сигнала. Далее, меняя добротность поглощающей катушки 16, а следовательно, и степень ногло15 щения радиочастотной энергии на частотах /2 и /3, можно добиться значительного исправления формы сигнала.

Регенератор, служащий для регенерации контура, образуемого поглощающей катушкой 16 с индуктивностью L и емкостью С, нредставляет собой транзисторный усилитель с включенным в цепь положительной обратной связи контуром; для уменьшения вносимых в контур потерь усилитель выполнен с

5 высоким нмнендансом. Он собран на транзисторах TI-Т, стабилизированных общей отрицательной связью по постоянному току. Первые каскады () являются высокоомным инвертором. С коллектора транзистора

0 снимается регулируемая положительная обратная связь на выход усилителя, подключенного к контуру.

Верхний предел рабочего диапазона известного магнитометра обычно ограничивается

5 полями порядка 0,65-0,7 э, так как в более высоких полях происходит вначале частичное (в полях 0,7-1,0 э), а затем и полное расщепление сигнала на составляющие (в полях напряженностью более 1,0 э).

0 Предлагаемый магнитометр позволяет работать в полях с частичным расщеплением сигнала, что нозволяет расширить рабочий диапазон (приведенные выше цифры относятся лишь к магнитометрам на парах Rb, данные для цезиевых магнитометров будут иными).

Предмет изобретения

Магнито.метр, содержащий расположенные 0 по одной оптической оси источник излучения, оптическую систему, поглотитель и фотоприемник с подключенным к нему регистрирующим блоком, низкочастотный модулятор с модуляционной катушкой н генератор радиоча5 стоты с радиочастотной катушкой, охватывающей ноглотитель, обличающийся, тем, что, с целью повышения точности, а также расширения динамического и рабочего диапазонов, в него введена установленная между ноглотителем и радиочастотной катущкой дополнительная поглощающая катушка с подключенным к ней регенератором.

10

Н,