Квантовый градиентометр Советский патент 1984 года по МПК G01V3/14 

Предлагаемый квантовый градиентометр предназначен для измерения вариаций градиента магнитного поля Земли, может быть применен для измерения намагниченности горных пород, .веществ и живых организмов, градиентов слабых переменных магнитных полей, возникающих в процессе сердечной деятельности человека и крупных животных.

В известных градиентометрах применяют два датчика с оптической накачкой, разностная частота которых представляет в цифровом или аналоговом виде значение градиента напряженности магнитного поля между точками расположения датчиков Cl.

Известен также квантовьй градиентометр с оптической накачкой, содержащий два. датчика, один из которых самогенерирующий, а другой - резонансный фильтр, причем каждый из датчиков состоит из кругового поляризатора, ячейки поглощения, радиочастотной катушки, фотодетектора и усилителя, и фазоизмерительную схем с регистратором, к входу которой подключен выход усилителя датчикарезонансного фильтра, а второй вход фаэоизмерительной подключен к усилителю самогенерирующего датчика Гз.

В отношении действия внешних помех датчик самогенерирзпощего типа является широкополосной системой, другой датчик, работающий в режиме резонансного фильтра, обладает сущестйенно меньшей полосой пропускания. Таким образом, на результат измерения разности фаз сигналов будет сказываться влияние помех, лежащих вне полосы пропускания датчика - резонансного фильтра (действие мультипликативных помех).

Цель изобретения - повьпаение помехоустойчивости градиентометра.

Для этого в квантовый градиентометр введен третий датчик - резонансньй фильтр, выход усилителя которого через фазовращатель подключен к второму входу фазоизмёрительной схемы, а вьгход самогенерирз™щего датчика соединен с радиочастотными катушками двух других датчиков

На чертеже представлена структурная электрическая схема квантового градиентометра. Ячейки 1-3 поглощения, содержащие рабочее вещество, например пары цезия, подвергаются

оптической накачке под действием излучения спектральной цеэиевой лампы 4, возбуждаемой высокочастотным генератором 5, проходящего по светозодам 6, через линзы 7 и круговые поляризаторы 8. Излучение, прошедшее через ячейки поглощения и линзы 9, регистрируется фотоприемниками 10-12. Сигналы с выходов фотоприемников усиливаются в блоках 13-15. Выход блока 13 соединен с радиочастотными катушками 16. Выходы блоков 14 и 15 подключены к входам умножителей частоты (фазы 17). Входы и выходы блоков 17 подключены к блокам 18 автоматической стабилизации фазы . Выход одного умножителя частоты (фазы) 17 соединен с одним из входов фазоизмерительной схемы 19, выход другого умножителя частоты (фазы) 17 через фазовращатель 20 соединен с другим входом фазоизмерительной схемы 19, связанной с входом регистратора 21. При выполнении баланса амплитуд и фаз в кольце.обратной связи первого датчика возникает самогенерация на частоте магнитного резонанса, определяемого напряженностью магнитного поля. Сигнал генерации одновременно воздействует через радиоЧастотные катушки 16 на другие две ячейки поглощения 2 и 3, выполняющие роль резонансных фильтров.

Информационная полоса пропускания Д датчиков, работающих в режиме резонансного фильтра, определяется линейной частью фазочастотной характеристики линии магнитного.резонанса. В первом приближении

1

Af

2Jr

2

где Т2 - поперечное время релаксации ячейки поглощения под действием столкновительных процессов и света накачки. Для паров цезия с парафиновым покрытием t составляет 4-7 МО, что соответствует полосе М 25-40 Гц (7-10 нтл). Крутизна фазочастотной характеристики резонансного фильтра составляет 0,150,25 нтл/град. Типовые фазометры, например Ф2-13, обладают разрешением порядка град, что соответствует разрешению по вариациям градиета магнитного поля 0,015-0,025 нтл. Дальнейшее повьш1ение чувствительности достигается; путем подключения

к выходам усилительных блоков 14 и 15 умножителей частоты (фазы) 17, например, на основе системы фаэовой автоподстройки частоты (фазы). Для ограничения флуктуации фазы в умножителях частоты (фазы), возникающих под влиянием температуры, нестабильности источников питания и других факторов, сигналы со входов и выходов его подключены к схемам автоматической стабилизации фазы, сигнал ошибки с выходов которых стабилизирует фазу выходных сигналов, фазовращатель 20служит для предварительной установки фазы сигнала от ячейки поглощения 3. Фазоизмерительная схема 19 и регистратор 21 фиксируют изменение градиента магнитного поля между ячейками поглощения 2 и 3. Самогенерирующий датчик в дан ном устройстве вьтолняет только

вспомогательную роль-возбуждение магнитного резонанса в датчикахрезонансных фильтрах. Поэтому действие мультипликативных помех на широкополосньй самогёнерирующий датчик компенсируется в фазоизмерительной схеме датчиков-резонансных фильтров. Максимальный градиент магнитного поля, измеряемый устройством, не должен превышать по величине информационную полосу пропуска.ния Д датчика во избежание потери чувствительности.

Макет квантового градиентометра, вьшолненный по вышеприведенной блоксхеме на основе оптически накачиваемых ячеек поглощения с парами цезия, .обладает чувствительностью порядка 0,002 нтл в полосе пропускания около 25-30 Гц при разносе датчиков на расстояние в 6 см друг от друга.

КВАНТОВЬЙ ГРАДИЕНТОМЕТР с оптической накачкой, содержащий два фо-7тоэлектрическ^х датчика, один из которых самогенерирующий, а другой - резонансный фильтр, причем каждый из датчиков состоит из кругового •поляризатора, ячейки поглощения, радиочастотной катущки, фотодетектора и усилителя, и фазоизмеригель- ную схему с регистратором, к входу которой подключен выход усилителя датчика - резонансного фильтра, отличающийся тем, что, с целью повышения помехоустойчивости, в него введен третий датчик - резонансньш фильтр, выход усилителя которого через фазовращатель подключен к второму входу фазо- измерительной схемы, а выход самогенерирующего датчика соединей с радиочастотными катушками двух других датчиков.i(Ло^ о со со ^00