Трехкомпонентный квантовый магнитометр Советский патент 1980 года по МПК G01R33/08 

1

Изобретение относится к измерительной технике геофизике и предназначено для измерения трех компонент слабого магнитного поля.

Наиболее близкие предлагаемому магнитометры с оптической накачкой основаны на эффекте Ханле и предназначены для измерения слабых магнитных полей в магнитном экране. Общим элементом этих устройств является квантовый датчик, состоящий из источника циркулярно-поляриз,ованногд света накачки, поглощающей ячейки, содержащей атомы рабочего вещества, и фотодетектора, регистрирующего интенсивность света накачки, прошедшего через поглощающую ячейку. Датчик -помещается в центре системы катушек, служащих для создания переменных магнитных полей и для компенсации компонент измеряемого поля к нулю. В условиях, когда внешнее измеряемое поле скомпенсировано до величины, ме.1ьшей ширины линии Ханле рабочего вещества, и в месте расположения поглощающей ячейки созданы переменные поля, на фотодетекторе квантового датчика генерируются сигналы пропорциональные компонентам внешнего поля. Эти сигналы используются для автоматической компенсации компонент внешнего поля к нулю. Компоненты измеряются по току компенсации 1.

5 Недостатком известных устройств является то, что амплитуда сигнала комбинационной частоты SCuui i, пропорциональная компоненте поля вдоль луча, содержит множитель г/Л г

10 где Г - ширина линии Ханле. При использовании веществ с малой шириной линии (например, рубидия г/2ЗГ 0,ВГц или гелия - 3 г/2jr 6,10 Гц) чувствительность для этой компоненты получается значительно хуже,чем по остальным, поскольку для синхронного детектирования практически невозможно использовать слишком низкую частоту it В частности для трехкомпонентного

2Р квантового магнитометра на парах рубидия при использовании Я Гц чувствительность по компоненте поля вдоль луча накачки получается в 18 раз хуже, чем по остальным компонентам. При использовании в таком магнитометре гелия-3 чувствительность по этой компоненте получается в 2500 раз хуже, чем по остальным. В то же время использование веществ с узкой линией Ханле в таких магнитометрах предпочтительнее, так как позволяет получить чрезвычайно высокую чувствительность измерений (во 10®3). Цель изобретения - повьпиение чувствительности по трем компонентам измеряемого поля при использова нии рабочих веществ с узкой линией Ханле. Указанная цель достигается тем, что в трехкомпонентный квантовый магнитометр, содержащий квантовый датчик, выполненный в виде источнргка циркулярно-поляриэованного света поглощающей ячейки и фотодетектора выходкоторого связан со вxoдa ш двух избирательных усилителей, каждый из которых через последовательйр соединенные фаз-овый детектор, ин тегратор и потенциометр связан с одной из трехкоординатных систем колец Гельмгольца, два генератора на частоты сю и -fS , подключенные ко вторым входам фазовых детекторов и к соответствующей системе колец Гельмгольца, последовательно соединенные третий фазовый детектор, тре тий интегратор и третий потенциомет дополнительно введены второй квантовый датчик, идентичный первому, оптическая ось которого ортогональн оптической оси первого квантового датчика, третий генератор на часто ту q и третий избирательный усилитель, при этом выходы третьего ге нератора подключены к соответствую щей системе колец Гельмгольца и ко второму входу третьего фазового де тектора, первый вход которого подкл чен к выходу третьего избирательно го усилителя, своим входом связанно го с выходом фотодетектора второго квантового датчика. На чертеже приведена функциональ ная схема предлагаемого устройства Схема состоит из двух идентичных квантовых датчиков 1 и 2, включающих источники 3 и 4 циркулярнополяризованного света накачки, поглощающие ячейки 5 -и б и фотодетекторы 7 и 8, .и помещенных в центре трёхкоординатной системвл колец Гел гольца 9,10 и 11. Оптические оси квантовых датчиков ориентированы взаимно перпендикулярно, например, оптическая ось датчика 1 параллель на оси ОХ, а оптическая ось датчика 2 параллельна оси OZ. Выходы генераторов 12,13 и 14 и избирательных усилителей 15,16 и 17 подключены ко входам фазовых детекторов 18,19 и 20, выходы последних через интеграторы 21,22 и 23 подключены к потенциометрам 24,25 и 26. Устройство работает следующим образом. С помощью генератора 12 и колец 10 в месте расположения датчиков создается переменное поле частоты Vjt по оси OY; с помощью генератора 13 и колец 11 создается переменное поле на частоте -5 по оси 02, и с помощью генератора 14 и колец 9 создается переменное поле частоты q по оси ОХ. С фотодетектора 7 квантового датчика 1 снимаются сигналы двух частот S(w) и S (f), причем амплитуда сигнала S W пропорциональна Ну - компоненте измеряемого поля, а амплитуда сигнала S (f) пропорциональна Н., - компоненте измеряемого поля. Сигнал S (tz) ) усиливается избирательным усилителем 15 и подается на сигнальный вход фазового детектора 18, на опорный вход которого подается сигнал от генератора 12. Выход фазового детектора 18 через интегратор 21 поступает далее в кольца 10, обеспечивая автоматическую компенсацию Н у компоненты к нулю. Сигнал S (52 ) усиливается избирательным усилителем 16 и подается ни сигнальный вход фазового детектора 19, на опорный вход которого подается сигнал от генератора 13. Выход фазового детектора 19 через интегратор 22 поступает далее в кольцо 11, обеспечивая автоматическую компенсацию Н. компоненты к нулю. С фотодетектора 8 квантового датчика 2 снимается сигнал S (q), амплитуда которого пропорциональна Н компоненте измеряемого поля. Этот сигнал усиливается избирательным усилителем 17 и подается на сигнальный вход фазового детектора 20, на опорный вход которого подается сигнал от генератора 14. Выход фазовОго детектора 20 через интегратор 23 поступает далее в кольца 9, обеспечивая автоматическую компенсацию компоненты к нулю. Компоненты внешнего поля Н, Н измеряются по току компенсации с помощью потенциометров 24,25, и 26, соответственно. Предлагаемое устройство обеспечивает одинаково высокую чувствительность по всем трем компонентам измеряемого Поля при использовании рабочих веществ с узкой линией Ханле. Формула изобретения Трехкомпонентньяй квантовый магнитометр, содержащий квантовый датчик, выполненный в виде источника диркулярно-поляризованного света, поглощающей ячейки и фотодетектора, выход которого связан со входами двух избирательных усилителей, каждый из которых через последовательно соединенные фазовый детектор, интегратор и потенциометр связан с одной из