Квантовый магнитометр с оптической ориентацией метастабильных атомов гелия Советский патент 1976 года по МПК G01R33/00 

Изобретение относится к области магни метрических устройств и может найти применение в технике точного измерения земн го космического и искусственно создаваемых магнитных полей, Известные квантовые магнитомеры с оптической ориентацией атомов шелочных металлов и гелия обладают самой высокой из известных магнитометрических устройст чувствительностью и точностью . Однако такие магнитометры имеют нелинейную зависимость между величиной измеряемого магнитного поля и частотой магнитного резонанса, что требует введения соответствующих поправок при точном измерении магнитного поля. Кроме того,, атомы шелочных металлов имеют в слабых полях ( 1 гс) неразрешенную сверхтонкую структуру спектра, что приводит к уг- ловой зависимости показаний магнитометра Такие магнитометры также имеют значительную температурную .зависимость чувствительности, что требует тщательного термостатирования l. Известен также квантовый магнитометр с оптической ориентацией метастабипьных атомов гелия, содержащий спектральную лампу накачки, циркулярный поляркаатор, камеру поглощения, фотоприемник, высокочастотные генераторы для возбуждения разряда в спектральной пампе накачки и в камере поглощения, радиочастотный контур, охватывающий камеру поглощения, радиочастотный генератор, систему автоподстрой- ки частоты радиочастотного генератора и систему измерения частоты f2. Такой магнитометр имеет линейную зависимость между частотой магнитного резонанса и величиной измеряемого магнитного поля и не требует термостатирования. Однако в этом магнитометре для регистрации магнитного резонанса метастабиль- ных атомов гелия применен фотоприемник, который регистрирует изменение интенсивности света накачки, проходящего через камеру поглощения . При такой регистрации фотоприемник подвергается интенсивной пос«тоянной засветке, что приводит к появлению значительной постоянной составляющей тока в цепи фотоприеьшика и, спедоватепьно, к большому уровню шумов. Кроме того, в та|ком устройстве необходимо обеспечить вы-ь рокую стабильность источника света нака Цепь изобретения - повысить чувствительность магнитометра и снизить требо- вания к стабильности источника света накёчЭто достигается тем, что квантовый магнитометр с оптической ориентацией метастабипьных атомов гелия снабжен ок(ватывающим камеру поглощения отражате- 1лем с диэлектрическим покрытием, пропускаю 1щим излучение на дл1р1е волны света накач- (ки (l,O83 мкм) и отражающим излучение IB видимой и ультрафиолетовой областях спе 1тра, а сигнал магнитного резонанса регистА рируется фотоприемником, который обладает высокой спектральной чувствительностьк iB видимой и ультрафиолетовой областях {спектра и регистрирует изменение интенсив |ности излучения плазмы в камере поглоще- ния при магнитном резонансе/ На чертеже представлена функциональна схема квантового магнитометра с оптичес-j кой ориентацией метастабильных атомов гелия Магнитометр содержит спектральную лам1пу 1 накачки с отражателем, поляроид 2 ,на волны 1,083 мкм, пластинку 3/ ,/А/4, камеру поглощения 4, отражатель 5 с диэлектрическим покрытием, высокочасто1г,ный генератор 6 для возбуждения разряда в спектральной лампе накачки, высокочастотный генератор 7 для возбуждения слабого разряда в камере поглощения, радио- ; частот 1ую катушку8, фотоприемник 9, резбнансный усилитель 1О, фоточувствительный:, {детектор 11, генератор модуляции 12 радио|частотный генер атор 13, систему 14 изме.рения частоты Гелиевая пампа, в которой возбуждает|Ся безэлектродный высокочастотный разряд, :создает резонансное .излучение на длине волны 1,О83 мкм. Это излучение, пройдя через циркулярный поляризатор и отражатель, который является пропускающим фильтром на этой-длине волны, попадает в каме- ру поглощения и поглощается в ней мета Стабильными атомами Не j которые создаются слабым высокочастотным разрядом. В результате этого происходит оптическая ориентация магнитных моментов метаст&бнльных атомов Не в направлении луча света. Измеряемое магнитное попе Н ориентировано также в атом направлении. Если к системе метастабипьных атомов Не приложено перпендшсупярно к магнитному пошо Ид , слабое радвочастотное п( е Н, частота которого равна ларморовсой частоте атомов Не в магнитном поле , то оптическая ориентация метастабильых атомов Не будет разрушаться. При том интенсивность излучения на всех пи шх атомов гелия видимой и ультраиолетовой областей спектра увеличиватся Изменение интенсивности капу- чения атомов гелия в плазме г ового разряда, как и само это излучение, является изотропным. При помоши отражателе это излучение собирается почти в полном гелесном угле и регистрируется фотоприемпиком. Резонансный сигнал с нагрузки фогопр1змника поступает на вход узкополос- ного усилителя и далее на вход системы |автоподстройки частоты радиочастотного генератора. Частота радиочастотного генератора f измеряется частотомером. Величина измеряемого магнитного попя ределяется из соотношения HQ i/y где гиромагнитное отношение метастабиль|JHoro атома Не , известное с большой точ |ностью. Таким образом, применение отражателя Ь диэлектрическим покрытием дает возможность регистрировать сигнал магнитного резонанса на длинах волн, отличных от дл№ны волны света накачки, и устранить пря1мую зж;ветку фотоприемника источником света накачки. Вследствие этого боле чем , |на порядок уменьшается величина постоянной составляюш;ей тока фотоприе шика, а следовательно, уменьшается и уровень шумов фотоприемника. Благодаря возможности использования фотоприемншса в видимой и ультрафиолетовой областях спектра, который имеет квантовый выход больший, по сравнению с фотоприемниками, регистрируюишми свет с длиной волны 1,083 мкм, и -. применению отражателя с диэлектрическим покрытием чувствительность магнитометра увеличится почти на порядок. Кроме того, поскольку свет спектральной лймпь лакачки- не регистрируется фо- топриешшком, требования к стабильности источника- -CBeTa накачки уменьшаются в 10 раз. Формула зобретения Квантовый магнитометр с оптт1ческой -Ориентацией метастабильных атомов гелия, содержащий спектральную лампу накачки, Циркулярный поляризатор, камеру погпои:е- |ния, фотоприемник, расположенные на одной оптической оси, высокочастотные генераторы для возбуждения разряда в каме-

ре поглощения и спектральной лампе накачки, радиочастотную катушку, охватывающую камеру поглощения с подключенным к ней ,радночастотным генератором, систему автоподстройки радиочастотного генератора н систему измерения частоты, отличающийся тем, что, с целью повы4шения чувствительности магнитометра и снижения требований к стабильности источника света накачки, он снабжен охватьша4 юшим камеру поглощения отражателем с диэлектрическим покрытием, пропускающим

;излучение, соответствующее длине волны света накачки, а фoтoпpиe a ик вьполнен чувствительным к излучению камеры

погпощения только в видимой и ультрафиолетовой областях спектра.

Источники информации, принятые во вни (мание при экспертизе: , 1. Je-nsen H.,Geoptiysics v. зо, 875, 1965.

2. А.К. Keifser, J. A-Hice und L.T-Stiear-er. 1огяаг of (jeophvs-Tles. v.66, 4163, 196V

(прототип).

Hff