Квантовый магнитометр с оптической накачкой Советский патент 1976 года по МПК G01V3/14 

(54) КВАНТОВЫЙ МАГНИТОМЕТР С ОПТИЧЕСКОЙ НАКАЧКОЙ

1

Изобретение относится к области квантовой магнитометрии.

Известны квантовые магнитометры на парах щелочных металлов, в которых использован принцип оптической накачки и детектирования переходов основного состояния щелочных атомов. В таких магнитометрах для накачки и детектирования переходов применяют циркулярно-пол5физован- ный свет газоразрядной лампы с парами

рабочего вещества, а дая устранения мертвых зон (зон отсутствия сигнала) и уменьшения зависимости результата измерения величины магнитного поля от ориентации магнитометра относительно вектора измеряемого магнитного поля - компенсационный метод.

В магнитометрах используют две, четыре или шесть резонансных ячеек с парами рабочего веществе, имеющих свои каналы регистрации резонанса, соединенные таким образом чтобы ориентадионные зависимости каждого из каналов взаимно компеин сировались. Такой метод компенсации требует точного поддержания параметров всех

каналов, что практически сложно, особенно в щироком диапазоне значений измеряемого поля, иэ-за частичного или полного перекрытия группы близких по частотам переходов, образующих рабочий резонанс, частоты и амплитуды которых меняются с величиной постоянного магнитного поля и ориентацией относительно него оптической оси измерительного канала.

Цель изобретения - устранение зависимости результатов измерения от ориентации магнитометров в пространстве, повышение чувствительности и получение линейной по измеряемому магнитному полю шкалы в квантовом магнитометре с оптической накачкой.

Это достигается тем, что в предлагаемо магнитометре система возбуждения радиополя выполнена в виде точечного диполя или системы диполей (например двух запитанных параллельно диполей с ортогональными плоскостями поляризации), резонансная ячейка расположена в зоне индукции диполей,накачк и детектирование переходов осуществляется неполяризованным светом, а в схеме магнитометра измеряется разность частот двух переходов между состояниями сверхтонкой структуры рабочего вещества. На фиг. 1 показана блок-схема предлагаемого магнитометра; на фиг. 2 - стру тура уровней основного состояния щелочного атома с ядерным спином 1 3/2 в слабом магнитном поле и расположение в шкале частот, разрешенных правилами отбора переходов; на фиг. 3- пространственная конфигурация поля. Магнитометр содержит спектральную лампу 1 неполяризованного источника накачки, .резонансную ячейку 2 с парами рабочего вещества, установленные так, что свет от спектральной лампы попадает на фотоприемник 3 через резонансную ячейку. Система 4 возбуждения радиопопя выполнена в виде диполя или двух параллельно запитанных диполей и размещена около резонансной ячейки таким образом, чтобы последняя находилась в зоне индукции диполей. Спектральная лампа, резонансная ячейка, фотоприемник и система возбуждения радиополя помещены в термостат 5, Система возбуждения радиополя связана с блоком 6 формирования частот переходов, к входным цепям которого присоединены опорный генератор 7 и перестраиваемые генераторы 8 и 9. Входные цепи систем 10, 11 автоматической подстройки частоты подключены к фотоприемнику, а выходные цепи - к перестраиваемым генераторам. Частотомер 12 присоединен к блоку формирования частот переходов, причем между спектральной лампой и резонансной ячейкой установлена ячейкафильтр 13. Известно, что разность населенностей между состояниями сверхтонкой структуры может быть достигнута и контролироваться при облучении рабочих паров неполяризованным светом источника, содержащего спектральные компоненты, вызывающие переходы преимущественно с одного уровн сверхтонкой структуры в возбужденные со стояния. Отсутствие поляризации в свете накачки приводит к тому, что вероятности поглощения света накачки атомами в основном состоянии не зависят от направления распространения света накачки относительно вектора измеряемого магнитного поля, и позволяет осуществить накачку, ньзависяд ую от ориентации, и контроль населенностей магнитных подуровней, принадлежащих одному сверхтонкому состоянию. Все магнитные подуровни тп одного из сверхтонких состояний (фиг. 2) приобретают в результате действия света накачки населенность, избыточную по отношению к населенностям магнитных подуровней второго сверхтонкого СОСТОЯНИЯэ и этот процесс не зависит от ориентации постоянного магнитного поля. Частоты переходов Л 1д-ту 41,0 зависят от величины достоянного маг.нкгного поля HO и при малых полях с точностью до квадратичного члена могут быть записаны в виде тп, -m.j o-tTi vVTa F f r-Z42 53 Ht, ГЦ, + Б(-т -v-m гд Ti Тг постоянные для рабочего вещества, а VQ - частота расщепления сверхтонкой структуры рабочего ве щества. На фиг. 2 обозначены разрешенные переходы между состояниями сверхтонкой структуры и взаимное расположение соответствующих резонансов в щкале частот для случая вещества с 5здерным спином например или К), Разностная частота,двух переходов, симметричных oi носительно частоты перехода Т тп О (например t), Ьд фиг, 2),.линейно зависит от величины постоянного магнитного поля Н о и не содержит в явном виде зависимости от частоты сверхтонкого расщепления Vj -Уд 2(,111 t )Но;Что представляет определенные удобства для метрологии. Частоты линий by,bj имеют макси мальную и противоположную одна цруго& по знаку зависимость от величины магнит ного поля, и применение для измерений в магнитометре разнсхзтной частоты этих двух переходов позволяет получить выигрыш в чувствительности в 2( Т + Т } раза по сравнению с магнитометрами, в коД F 0 ATn, i. торых использовань переходы Для возбуждения линий Ъ jjj Од магнитная компонента резонансного радаопопя должна быть ортогональна постоянному полю и для устранения мертвых зон в пределах образца должно быть создано неоднородное по ориентации радиополе. Предлагаемый магнитометр работает следующим образом. Спектральная лампа источника накачки имеет в спектре излучения компоненту, совпадающую с линией поглощения в спектре рабочего вещества, соответствующую переходам с одного из уровней сверхто1Е КОЙ структуры основного СОСТО5ШИЯ Т {например f 2, фиг, 2) в возбуждениые Электронны.е состояния. Свет спектральной лампы направлен на -резонансную 5иейку, содержащую пары рабочего вещес ва, а прошедший через ячейку свет контр лируется фотоприемником, Излучение спектральной лампы источника накачки неполяризовано и все магнит дые состояния тп уровня в парах рабочего вещества в резонансной ячейке оказываются в результате действия света накачки равномерно опустошенными в поль зу состояния 1, Одновременно измене ние населенности, любого из состояний тп 7 2 приводит к изменению прозрачности ячейки для света накачки и регистрируется фотоприемником. Оба эти процесса не зависят от взаимной ориентации вектора измеряемого постоянного магнитного поля и направления распространения света накачки, так как последний неполяризован. Система возбуждения радиопопя выпол нена в виде одного петлевого вибратора или системы петлевых вибраторов (точечных диполей), размеры которых малы по сравнению с размерами резонансной ячейки. Резонансная ячейка установлена в зон индукции диполей таким образом, чтобы в рабочем объеме существовали области с ортогональными ориентациями вектора радиопсотя (фиг, 3)s например, для двух параллельно запитанных диполей с ортогональными плоскостями поляризации, Спектральная лампа, резонансная ячейка, система возбуждения радиополя и фотоприемник помещены в термостат, поддерживающий рабочую температуру резонансной ячейки и спектральной лампы. Сис тема возбуждения радиопопя запитана от блока формирования частоты переходов , в котором из сигналов с частотой опорного генератора и сигналов с частотами перестраиваемых генераторов образуются сигнала с частотами Л) V , соответствующими переходам , Значение каждой из этих двух частот определяется час тотой соответствующего перестраиваемого генератора и частотой опорного генератора и не зависит от частоты второго перестраиваемого генератора. При совпадении любой из двух частот Vj VA с частотой соответствующего перехода увеличивается Населенность состо шия т., и соответственно уменыпается интенсивность света, щ)иходящего на фотоприемник. Выходной сигнал фотоприемника поступает на две независимые системы 10 и 11 автоматической подстройки частоты, управляющие частотами соответствующих перестраиваемых генераторов. Система автоматической подстройки частоты выполнены по известному принципу экстремума регуляторов и состоят из усилителя сигнала ошибки, сканирующего генератора и с ронного детектора, выход которого под..virijriH К исполнительным устройствам СОО1 ве с:тиующего перестраиваемого ге- нератор;;:, I-Jail.; а л к сканирующего генератора С тнхронный детектор и ввоJJOC TV:- ;-. : граяваемый генератор или в WJr .; .: ;: бЛ)л ::);.;, лИДЯ частоты переходов для vv,:a или частотной модуляции С0о;о- й-;; . лги связи общеприняты для в рй.п-;::чЮ; систем автоматической подстройки частоты по линии поглощения в радиоспектроскопии. Системы автоматической подстройки частоты разделяют сигналы ошибок, поступающие с фотоприемника, и управляют частотами соответствующих перестраиваемых генераторов, поддерживая значения их частот таким образом, чтобы частоты выходного сигнала блока формирования частот переходов, поступающие на систему возбуждения радиополя, оставались равными частотам рабочих переходов. Одновременно в блоке формирования частот переходов образуется сигнал с част ртой,равной разности частот переходов. Этот сигнал не содержит частоты опорного генератора, а следовательно, и нестабильности частоты опорного генератора, так как обе частоты поддерживаются равными частотам рабочих переходов с точностью до ошибок следящих систем Сигнал с разностной частотой поступает на частотомер 12, измеряющий как частоту, так и величину постоянного магнитного поля, вследствие того, что разностт, частот бочих переходов изменяется лиипйно : личиной постоянного магнитол о пола . При измерении ориентацкгг гакого магнитометра относительно векглг;, измеряемого магнитного поля рабочие , .юнансы не изменяют своих частот и с i.( Ь лы резонансов не исчезают. Измерение разностной частоты для двух переходов поь;: iijeT чувгствительность и создает удобстц;; отсчета, так как показания частотомера пропорциошшьны величине магнитного поля. Кроме того, устраняется влияние света накачки и температуры резонансной ячейки за счет того, что смещение частот под действием этих причин носит общий характер для всех магнитных подуровней одного сверхтонкого состояния. Такое построение магнитометра возможно для всех щелочных металлов с разрешенной сверхтонкой структурой. Для повышения отношения сигнал/шум, и применения вешеств с малым сверхтонким расщеп лением (например, К) между спектральной лампой неполяризованного источника накачки и резонансной ячейкой с парами рабочего вещества устанавливают фильтр 13 выделяющий одну сверхтонкую компоненту в спектре излучения лампы накачки. Такой фильтр может быть выполнен в виде оптического устройства или в виде ячейки с парами вещества, имеющего необходимую линию поглощения. В этом случае воз можны следующие построения: спектральная пампа i ячейка-фильтрl tjg-, ; резонансная ячейка Rtg спектральная лампа i ячейка-фильтр Rtg ; резонансная ячейка Rtif,-} , спектральная лампа К i ячейка-фильтр К ; резонансная ячейка К . Применение ячейки-фильтра улучщает отношение сигнал/ /шум, так как большая часть света, прошедшего через резонансную ячейку, учас1 вует в процессе накачки и детектирования Формула изобретения Квантовый магнитометр с оптической накачкой и детектированием резонанса, состоящий из спектральной лампы неполяГризованного источника накачки, резонансной ячейки с парами рабочего вещества, фотоприемника, системы возбуждения радиопопя, помещенных в термостат, и присоединенной к фотоприемнику системы автоматической подстройки частоты, которая связана с перестраиваемым генератором, присоединенным совместно с опорным генератором к блоку формирования частоты перехода, выходные цепи которого подключены к системе возбуждения радиополя и частотомеру, отличающийс я тем, что, с целью устранения зависимости результатов измерения от ориентации магнитометров в пространстве, повышения чувствительности и получения линейной по измеряемому магнитному полю шкалы, между спектральной лампой неполяризованного источника накачки и резонансной ячейкой установлена ячейкафильтр, система возбуждения радиополя выполнена в виде точечных диполей, в зоне индукции которых размещена резонансная ячейка, а к фотоприемнику присоединена дополнительная независимая система автоматической подстройки частоты, причем обе системы подключены к отдельным перестраиваемым генераторам, выходные цепи которых присоединены к блоку формирования частот переходов.

KZ)

/3

Юл.

7

1

ff

ш

г N

11

Фаг. 1