Квантовый магнитометр Советский патент 1981 года по МПК G01V3/14 G01R33/09 

1

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для построения квантовых магнитометров, измеряющих слабые магнитные поля на Земле и в космическом пространстве.

Известен квантовый стандарт частоты, в котором ячейка поглощения, наполненная рабочим атомным газом, и спектральная лампа, разряд в которой осуществляется сильным высокочастотным полем, размещены в одном немагнитном корпусе. Тепло поверхности баллона спектральной лампы, нагревающейся при свечении до температуры 110°С, обогревает ячейку поглощения конвективным путем и поддерживают ее рабочую температуру 70°С, если внешняя температура положительна (около ) и изменяется в небольшом диапазоне 1.

Известен также квантовый магнитометр, в котором обогрев только ячейки поглощеВИЯ осуществляется угольной тканью или бифилярной обмоткой, расположенными непосредственно на поверхности ячейки. Эти элементы подогрева ячейки поглощения подключаются к высокочастотному генератору или источнику постоянного тока 2J.

при высокоточных измерениях магнитного поля перечисленные способы обогрева ячейки вносят большие погрешности. Кроме того, донья ячейки, через которые проходит свет накачки, имеют более низкую температуру, чем остальная поверхность ячейки, так как на них не располагается обогревающий элемент. Это ухудшает качество ячейки во времени и снижает точность измерений.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является устройство, содержащее датчик с оптической накачкой, внутри корпуса которого размещены спектральная лампа, контрольный и рабочий фотодиоды, ячейка поглощения, радиочастотная катушка, окрул :ающая ячейку поглощения, фокусирующие линзы, циркулярный поляризатор и термодатчик, установленный на поверхности ячейки поглощения, а также высокочастотный генератор и усилитель сигнала прецессии 3.

Недостатками его являются погрешности при измерении магнитного поля в результате действия мощного высокочастотного поля ( мГц), возбуждающего разряд в спектральной лампе, располагающейся в одном корпусе вблизи ячейки поглощения; действия магнитного поля нагревателя собственно самой ячейки на рабочий атомный газ в этой ячейке. В области низких температур -30- 40°С, когда

требуется большая отдача тепла от спектральной лампы (для конвективного обогрева ячейки), поверхность ее быстро темнеет. Срок службы лампы уменьшается. Если ячейка поглощения имеет рабочую температуру (например, цезиевая ячейка), то при размещении ее в одном общем корпусе со спектральной лампой возможен перегрев ячейки. Это ведет к уменьшению отношения сигнал/шум, а следовательно, к увеличению погрешностей в измерении магнитного поля. Целью изобретения является повышение точности измерения в широком диапазоне изменения внешней температуры. Поставленная цель достигается тем, что в квантовом магнитометре, содерл ашем цатчик с оптической накачкой, внутри корпуса которого размещены спектральная лампа, контрольный и рабочий фотодиоды, ячейка поглощения, радиочастотная катущка, окружающая ячейку поглощения, фокусирующие линзы, циркулярный поляризатор и термодатчик, устаиовленный на поверхности ячейки поглощения, а также высокочастотный генератор и усилитель сигнала прецессии, корпус датчика выполнен в виде двух термостабилизированных резервуаров, разделенных теплоизоляционной перегородкой с отверстием, в которой размещены одна из линз и циркулярный поляризатор, причем в одном из резервуаров размещены спектральная лампа и контрольный фотодиод. Кроме того, термостабилизированный резервуар, заключающий ячейку поглощения, выполнен в виде теплового проводника, построенного по принципу замкнутой испарительно-конденсационной системы с нагревателем на одном из его концов. На чертеже изображена функциональная схема квантового магнитометра. Квантовый магнитометр содернсит высокочастотный генератор 1, конденсатор с обкладками 2, спектральную линзу 3, контрольный фотодиод 4, немагнитный металлический корпус 5 с отверстием 6 в нем и в теплоизоляционной перегородке 7, фиксирующие линзы 8, циркулярный иоляризатор 9, корпус 10, вынолненпый в виде теплового проводника, заключающего ячейку поглощения И, радиочастотную катушку 12, усилитель 13 сигиала прецессии, рабочий фотодиод 14, термодатчик 15 и нагреватель 16. Квантовый магнитометр работает следующим образом. Высокочастотный генератор 1, выходная мощность которого поступает на обкладки 2 конденсатора, возбуждает электрической компонентой Е высокочастотный безэлектродиый разряд в спектральной лампе 3. Интенсивность свечения ее регистрируется контрольным фотодиодом 4, связанным с генератором 1, и стабилизируется регулированием мощности этого генератора. Для исключенйя влияния высокочастотной bioniности генератора 1 (на практике мощность, действующая на обкладках 2 конденсатора, составляет 1 -ьЗ Вт) на частоту прецессии атомов в ячейке, корпус 5 выполнен металлическим и немагнитным и имеет характер замкнутого объема с небольшим (6н-8 мм) отверстием. 6 в нем и в теплоизоляционной перегородке 7. Корпус 5 в совокупности с теплоизоляционной перегородкой 7 представляет один из термостабилизированных резервуаров для спектральной лампы 3, внутри которого устанавливается рабочая температура (110°С), определяемая теплоотдачей баллона спектральной лампы. Отверстие 6 в теплоизоляционной перегородке 7 служит для пропускаиия света иакачки. В корпусе 5 оно мало и не пропускает возбуждающее поле высокой частоты от спектральной лампы 3. В области теплоизоляционной перегородки отверстие 6 расширяется. В ней размещены линза 8 и циркулярный поляризатор 9. Оии препятствуют проникновению тепла к ячейке от спектральной лампы за счет конвекции нагретого воздуха и за счет теплового контакта с другой частью корпуса 10, который представляет из себя второй термостабилизированный резервуар, необходимый для ячейки поглощения 11. На ячейку поглощения, наполненную атомами рабочего газа (цезия, рубидия, калия) иамотана радиочастотная катушка 12. Она возбуждает когерентную прецессию атомов в ячейке и соедин.ена с выходом усилителя 13. Вход усилителя 13 соединен с рабочим фотодиодом 14, который регистрирует сигнал прецессии и замыкает цепь обратной связи датчика квантового магнитометра, генерирующего на частоте ю. (здесь - гиромагнитиое отпощение атомов, HQ - модуль магнитного поля в области ячейки поглощения 11). Рабочий фотодиод 14, размещенный в корпусе 10, также стабилизируется по температуре. Корпус 10 выполнен в виде немагнитного теплового проводника с полостью на одном конце. В этой полости устанавливается (заданная термодатчиком 15) рабочая температура, определяемая ячейкой поглощения (для цезиевых ячеек : 25-f-40°C; для рубидиевых 35 50°С). Тепловой проводник, работающий по принципу замкнутой испарительно-коиденсационной системы, выполняется в виде гибкой тепловой трубки с двойными стенками, между которыми располагаются фитили и рабочая жидкость. Построеиный таким образом тепловой проводник имеет передачи тепла от нагретого конца, жестко связанного с нагревателем 16, к полости, в которой размещена ячейка поглощения И. Соединение термодатчика 15 с нагревателем 16 замыкает цепь терморегулирования и стабилиза