Квантовый магнитомер Советский патент 1978 года по МПК G01V3/14 

Изобретение относится к магнитометрам, в основе работы которых лежит явление магнитного резонанса ядер, и может быть использовано как в области магнитометрии, так и в области измерительной техники при создании прецизионных датчиков углового положения.

Известны схемы квантовых магнитометров, основанные на измерении частоты прецессии атомов рабочего вещества датчика в нсследуемом магнитном поле, на измерении разности фаз или тока, в компенсирующей катушке, пропорциональных разности между частотой прецессии и частотой опорного генератора.

Известен квантовый магнитометр с оптической ориентацией ядер, нзмеряюпшй составляющие постоянного магнитного поля, перпендикулярные резонансному )i ер сменному магнитному полю.

Магнито.метр содержит ячейку поглощепия, наполненную двумя изотопами ртути lig и pjg20i спектральную лампу со смесью изотопов Hg2°2 и , генератор возбуждения спектральной лампы, газовый фильтр, линейные поляризаторы, л/4-пластинку, анализатор, катушку постоянного магнитного ноля, катушку поля модуляции, катушку обратной связи, компенсируюн1ую катушку, источник постоянного тока, фотонриемннк, усилитель,

2

режекториый фильтр, опориый генератор, первый и второй делители частоты, фазовый и с 1ихропный детекторы.

Ячейка поглощения находится в постоянном (Яо) и переменном (Я,) магпитных полях, параллельных друг другу, причем частота соо переменного магннтного ноля равна нлн близка к частоте прецессии ядер в поле НоЕсли поле //о и поле HI строго параллельны, ядерный магнитный резонанс на частоте соо 7//о отсутствует (у - гнромагннтное отношение ядер). При наличии поперечного поетоянного магнитного поля Я, возникает магннтиый резонанс ядер на частоте модулирующего поля Я;, причем величина регистрируемого фотодетектором снгпала проиорцнональная величине ноля Н. Чувствнтельность тако1о магнитометрп к поперечным состав.мяюииьм магнитного но.чя достигает э.

С другой стороны. появле1 ие поперечных к полю //1 компонент магнитного поля эквивалентно угловом} рассогласованию между постоянным и )1ереме1 ным полями, а возникающий сигнал пропо)ционален этому раееоглаеованню. Таким образом, на базе рассмотренного магнитометра может быть создан высокочувствительный датчик углового рассогласования.

Целью изобретения является расширение функцнональн1,1х возможностей магнитомет3

pa, копкрет1 о---обеспсче1П1е возможности iicпо;1ьзования его также в качестве прецизионного датчика углового положения.

Цель достигается тем, что в магннтометр введены магинтостатнческии экран, окружаюnuift ячейку иоглои1,еи11я и указаиные катунь ки, переключатель, первый контакт которого соедннен с выходом первого делителя частоты, второй-с катушкой постоянного магнитного ПОЛЯ, а третий - с катушкой модуляции иоля, причем катушка модуляции иоля выполиена с возможноетыо поворота в иаправлении, перпендикулярном ее оси.

На чертеже даиа схема предлагаемого кваитоБого магиитометра.

Он содержит ячейку 1 поглощения, катушку 2 постоянного магпитиого поля, катушку 3 компенсацин изменения поля Яо. катушку 4 обратной связи, катушку 5 поля модуляции и спектральную лампу 6, генератор 7 возбуждения сиектральиой лампы, газовый фильтр 8, линейные поляризаторы 9-II, А/4-плаетинку 12, линейный аиалнзатор 13, фотоприемник 14, усилитель 15, режекторпый фильтр 16, опорный генератор 17, делители частоты 18, 19. Фазовый детектор 20, сиихроииый детектор 21, нсточннк постоянного тока 22, переключатель 23 на два положения, магиитостатический экран 24.

Предложенный магннтометр работает следуюшим образом.

В случае, когда замкнуты контакты I и II переключателя 23, а магннтостатичеекий экран отеутствует, устройство работает как магнитометр и является полным аналогом прототипа. В случае, когда замкнуты контакты I и III переключателя 23 н установлен магнитостатичеекпй экран, иредставлениое устройство работает как датчик углового рассогласования между полем Яо и полем Н.

Работа магнитометра в качестве датчика углового гюложення заключается в следующем.

Пусть в исходном положении поле Яо, создаваемое катушкой 2 и иоле Я создаваемое катушкой 5 соосны. Резонансное исполяризованиое излучение, создаваемое спектральной лампой 6, отразившись от линейных поляризаторов 10 н 11, проходит через /./4-иластиику 12, поляризуясь по кругу, и попадает па ячейку поглогцения 1, ,ествляя оптическую ориентацию магнитных моментов ядер обоих изотопов в направлении поля Яо. Детектирующий луч евета, создаваемый той же спектральной лампой 6, проходит через фильтр 8, линейный поляризатор 9, иоглои1,аюн1ую ячейку 1, линейный анализатор 13 и попадает на фотоирнемпик 14. Плоскость поляризации детектирующего луча модулируется поиеречнымн компоиептамн ядерной намагннчеииости с частотами прецессии coi и oja- Сигналы иа частотах прецессии ы и oj2, выделенные фотоприемпиком 14, усиливаются в усилителе 15 и подаются на снгиальные входы фазового детектора 20, синхронного детектора 21 н на

4

вход режектор1 ого фн.тьтра IG. Сигнал на частоте соо, пройдя режекторш п (лктьтр 16, создает в катушке 4 обратной связ1 г;;ременное магнитное поле, иоддерживаюи1ее неза1ухаюи1у1о ирецессию ядер иа частоте 0)2, т. е. на частете otg возбуждается генератор, который называется ядериым сиии-|-еиератором. Сигиал иа частоте ирецессин oji ядер lig подавляется режекторным фильтром 16, иастроеииым иа частоту ол. Цепь стабилизации поля Яо, включающая фазовый детектор 20 и компенсирующую катушку 3, приводит в соответствие частоту Ш2 с частотой соо2, являюн-1,ейся опорной для фазового

детектора 20. При достиженнн равенства (02 соо2 автоматически устанавливается равенство (1)1 0)01 (где ojoi - частота модулирующего поля Я1}, поскольку отнощение коэффициентов делення первого делнтеля частоты 18 и второго делителя частоты 19 равио отношению гидромагнитных отношеннй ядер I-Ig2oi и ngi99.

Таким образом, созданы условия для возбуждеиия вынужденной ирецесснн на частоте 0)1. При соосности иоля Яо и поля Я1 отсутствует поперечная к полю Яо компоиеита модулирующего иоля Яь вызываюишя прецессию магпнтиого момента J-Ig вокруг поля, и еигиал прецессии па частоте MI, ие наблюдается. При повороте катушки 5 модулнрЗюихего поля //i иа угол ср вокруг осп л появляется поперечная к полю Яо компонеита модулирующего поля sin ф, а на выходе усилителя 15 появляется сигнал на

частоте coi, пропорциональный величине Hi sincp. Этот сигнал на синхронном детекторе 21 сравнивается с еитпалом на частоте модулируюш.его поля Н, поступающей е выхода делителя частоты 18, и на выходе снихроиного

детектора 21 появляется снгнал, иропорциональный углу поворота катушкн модулирующего поля 5 вокруг оси X. Если катушка 5 модулируюшего иоля Я1 будет иметь степеиь свободы вокруг оси у, то па выходе синхропиого детектора будет регистрироваться сигнал, пропорциоиальный углу поворота катушки 5 модулирующего иоля Я1 вокруг оеи у. При реализовапной чувствительности магнитометра, равной э в поле ,

чувствительиость устройства к повороту катушки 5 составляет 57, угл. град. 210-2 урд Q Достоипством ирсдложе1гиого устройства по сравпепию с известным является то, что оно может решать более пшрокий круг задач и может найти примеиеиие пе только в магиитометрии, но и при рсшеинн комплекеных задач, евязанных с .Л1агнитиыми и иреиизноинымн угловымн измерениями.

Ф о р м у л а и 3 о б р е т е и и я

Квантовый магнитометр, содержащий ячейку поглои,еиия, катушку постоянного магнитiforo поля, катушку компенсацпи измеиения этогО иоля, катущ ;у модуляции поля, псточник иостояииого тока, спектральиую ламиу.

генератор во.чспждения спектра :ы1ои лампы, газовый фильтр, лппеппые поляри.гпОры i: анализатор, /./4-пластиЕ1ку, фотолрнемпнк, усилитель, режекторный фильтр, катушку обратной евязн, опорный генератор, первый и второй делнтслп частоты, фазовый и синхронный детекторы, от л и ч а ю HUI и с я тем, что, с целью распшрения его функциональных возможностей, в него введены магнитостатпч. эг;р::11, окружающий ячейку поглоще1:;:я и ук:;заи1;ь е , переключатель, первый контакт которого соединен е выходом первого делителя чаетоты, второй - е катушкой постоянного aгliнтиoгo поля, а третий-с катушкой мод}ляцНП поля, причем катушка модуляции поля выполнена е возможностью поворота в направленнн, нерпендикуля 1ном ее оеп.

W2

- 1/

/ /:3