Квантовая магнитометрическая система Советский патент 1980 года по МПК G01V3/14 G01R33/08 

1

Изобретений относится к измерительной техникеи геофизике и предназначено для одновременного измерения трех составляющих вектора напряженности магнитного поля Земли. .

Известны магнитометры с оптической, накачкой, основанные, на эффекте Xанле и параметрическом резонансе fll и 2, Они используются для измерения близких к нулю магнитных полей и состоят из поглощающей ячейки, источника .циркулярно поляризованного света накачки, фотоприемника, системы катушек дЛя создания переменных магнитных полей с помощью генераторов и системыколец для компенсации компонент внещнего поля.

Устройство, описанное в l , позволяет автоматически компенсировать к нулю ортогональные компоненты этого поля последовательно в два этапа путем переключения направления луча накачки, детектирующих лучей и компенсирующих полей.

В устройстве используется эффект параметрического резонанса, наблюдаемый при поперечной оптич€(Ской накачке, когда к ячейке приложено переменное магнитное поле, перпендикулярное лучу накачки. Приборы позволяют автоматически компенсировать к нулю о днукомпоненту внещнего слабого магнитного поля, параллельную переменном у полю и измерять эту

- е

,(, компоненту по току компенсации при условии, что две другие компоненты внещнего поля заранее скомпенсированы к нулю.

Наиболее близким к изобретению тех,j ническим решением является устройствр, Которое является по существу трехкомпонентными квантовыми магнитом(атрами с использованием аффекта параметрического резонанса, наблюдаемого при поперечной

20 оптической накачке и когда к ячейке при.ложено Два переменных мапитных поля с частотами и и П по осям, ортогональ,ным друг другу и Лучу накачки. Переменные поля индуцируются двумя генераторами. В этом случае на фотоприемнике; возникают си1налы tpex различных частот UJ ,Q ч It ± S При наличии слабого внешнего магнитного поля, меньшего ширины резонанса, но произвольного направ ления, амплитуда каждого из трех сигналов пропорциональна одной из трех ортогональных компонент внешенего поля |33 . При использовании тройной системы взаимно ортогональных колец Гельмгольц прибор позволяет автоматически компенси ровать к нулю все три ортогональных ко поненты внешнего магнитного поля с пог решностью lOg . Измерять эти компонен ты можно по току компенсапии в соответствующих кольцах Гельмгольца. Известный трехкомпонентный квантовый магнитометр содержит источник цнркулярно-поляризованного света, поглощающую ячейку, систему ортогональных катушек, «яфужаюшую ячейку поглощения оси которых перпендикулярны друг друг и Лучу накачки, генераторы частот UJ и ft , выходы которых соединены с системами катушек, создающих переменные магнитные поля с частотами Ши S в облас-га расположения ячейки поглощения, фотоприемник, блоки выделения сягтлов на частотах О) , S и ,подклк ченные к выходу фотоприемника, блоки преобразования сигналов указанных часгот в сигналы постоянного тока, входы которых подключены к выходам соответствующих блоков выделения сигналов и генераторов частот, блоки автоматмческой компенсации, подключенные к выходам блоков преобразования сигналов. Основной недостаток всех указанных устройств состоит в том, что выссжую, точность измерения компонент с погрешностью 10 можно обеспечить толысо дл слабого внешнего магнитного поля порядка 10- , когда токи компенсации маг лы и достаточно измерять их с относительной погрешностью Ю, а температурная нестабильность колец Гельмгольца мало ск19зывается на точности измерения. ; При использовании этих устройств для измерения компонент магнитного поля Земли (около 0,5 э) с относительной погрешностью 10 з необходимо обеспечить погрешность измерения токов компенсации и темп атурную стабильность колец Гельмгольца такого же порядка, что практичесжи невозможно. Целью изобретения является исключение погрешностей, связанных с я:змере нием токов компенсации и температурной нестабильностью колец Гельмгольца, и овышение точности измерений. Цель Достигается тем, что к трехкомонентному КЕ«нтовому магнитометру и ройной ортогональной колечной системе добавлены три идентичные пространственно-разнесенные двойные ортогональные колечные системы, кольца которых соединены последовательно с соответствующими кольцами тройной ортогональной колечной системы и ориентированы таким образом, что в одной из дополнительных крлечных систем нескомпенсирована Hj -компонента, в другой - Hj компонента, в третьей - Н„-компонента, а в центрах этих дополнительных колечных систем размещены три модульных (квантовых) магнитометра, являющихся индикаторами однофеменно и независимо измеряемых компонент Н, Н . На чертеже изображена предлагаемая магнитометрическая система. Она состоит из квантового трехкомпонентного магнитометра, который условно показан в виде компонентного датчика 1, трех ортогональных колечных систем 2f 3, 4 для компенсации трех ортогональных компонент, внешнего магнитного поля в месте расположения датчика 1, трех блоков автоматической компенсации 5, 6 и 7 и трех модульных магнитометров 8, 9 и 10,-расположенных в центрах трех идентичных пространственно разнесенных двойных ортогональных колечных систем J-j-y- X , loy- j.o. Компонентный датчик вырабатывает три сигнала трех различных частот uj,Q H(ULitfPj,KOTOpHe поступают на блоки автоматической компенсации, вырабатывающие компенсационные токи. Ток компенсации от блока 5 питает последовательно соединенные идентичные и одинаково ориентированные колечные системы 4, 12 13, компенсирующие к нулю Н.,- компоненту земного поля трех пространственно разнесенных пунктах А, В, Г. Ток компенсации 6 питает последовательно соединенные идентичные и одинаково ориентированные колечные системы 2, 1JL 12™,компенсирующие к нулю Н„- компоненту земного поля в трех., пространственно разнесенных пунктах А, Б, В. Ток компенсации от блока 7 питает последовательно соединенные идентичные и одинаково ориентированные килечные системы а, 11у, 13у, компенсируюшие к нулю Ну- компоненту земного поля в трех пространственно разнесенных пун ктах А, Б и Г. Пункты А Б, В и Г вы бираются так, чтобы земное магнитное поле в них было ооинаковым. Таким образом, в пункте А компенси руются к нулю все ортогональные компоненты земного поля, в пункте Б компенсируются к нулю Н, Н,- компоненты и не компенсируются Н./- компонента, в пункте В компенсируются к нулю Ну, Н компоненты и не компенсируются ко понента; в пункте Г компенсируется к , нулю Ну компоненты и не компеисируетсЯ, компонента. Абсолютные значения нескомпенсированных компоне тов в пунктах В, В и Г измеряются с помошью квантовых магнитометров, датчики 8, 9 и 10 которых располагаются в центре соответствующих колечных систем. Требования идентичности колечных систем и равенство земного поля в пунк тах измерения не являются жестким. В измерении Ну- компоненчастности, с погрешностью 10 э допустимы потыгрешности в компенсации Двух Других ортогональных компонент ±10 э. Предлагаемая система исключает необходимость измерения toKOB компенсаци влияние температурной нестабильности ко лечных систем на результат измерения с помощью систем автоматической компенсации к нулю компонент измеряемого поля и необходимость измерения постоянных колечных систем. 7 р е т е Н и я формула и Квантовая магнитометрическая система, содержащая квантовый трехкомпонентный магнитометра тройную ортогональную колечнуюсистему, отличающаяся тем,ч1Х), с целью исключения погреишостеи,связанных с измерением токов компенсации и температурной нестабильностью колец, и повышения точности измерений, в нее введены три идентичные пространственно разнесенные двойные ортогональные колечные системь, кольца которых соединены последовательно с соответствующими кольцами тройной ортогональной колечной системы и ориентированы таким образом, что в одной из дополнительных ролечных систем нескомпенсирована f -компонента, в другой - Ну- компонента, в третьей Н-- компонента, а в центрах этих дополнительных колечных систем размеи1ены три модульных магнитометра, являющихся индикаторами одновременно и независимоизмеряемых компонент Hj, Ну, Hj. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Патент Франции NP 1517682, кл. G 01 R 33/08, опублик. 1965. 2.Патент Франции № 1594433, кл. Q 01 R 33/08, опублик. 1968. 3.Козлов Л. Н. Майоршин В. В. Компонентные гепиевь1е магнйтомётрьт, в сб. Геомагнитное приборостроение. М., Наука, 1977, с. 9-15 (прототип).